可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法
可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁锁紧装置用电磁铁的制备领域，特别是涉及一种磁悬浮惯性执行 机构的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法。
【背景技术】
[0002] 磁悬浮飞轮和磁悬浮控制力矩陀螺采用磁悬浮轴承支承，消除了机械轴承带来的 摩擦磨损，降低了振动，提高了输出力矩和控制力矩精度，是航天器理想的惯性执行机构。 由于发射主动段存在激烈的振动与冲击，为防止非接触悬浮支承的磁悬浮定、转子间发生 激烈碰撞和冲击而损坏，磁悬浮惯性执行机构必须采用锁紧装置，对其进行锁紧约束保护。 发射主动段，通过锁紧装置将飞轮锁紧；入轨后，还需解除转子原有的锁紧关系，使转子处 于自由状态便于悬浮。
[0003] 根据锁紧与解锁次数，锁紧装置可分为一次性锁紧装置和可重复锁紧装置。目前 所使用的一次性锁紧装置主要有基于碳纤维复合材料和航空钢丝绳锁紧装置、楔形块-锥 形轴承锁紧装置、螺杆-螺母锁紧装置。以上三种方案均采用火工品进行解锁，可靠性高， 但只能使用一次，不便于地面环境试验调试。由于发射前磁悬浮惯性执行机构正样产品 需通过一系列的环境试验（正弦扫频振动、随机振动、力学冲击、离心加速度、高低温、热循 环、老炼等），需经常锁紧与解锁。此外飞轮进行变轨工作时，也需要对其进行反复锁紧与解 锁。目前所使用的可重复锁紧装置主要有基于电机-弹片-钢丝绳锁紧装置、基于电机-杠 杆锁紧装置、基于电机-锥面锁盖锁紧装置和电磁锁紧装置。专利申请号200910093150. 0 公开的基于电机-弹片-钢丝绳锁紧装置，利用弹片作为伸张机构，利用钢丝绳作为收紧机 构，通过电机正、反转，驱使收紧机构将伸张机构收拢或松开，从而抱紧或释放飞轮转子，实 现飞轮的重复锁紧与解锁。由于弹片刚度较低，导致锁紧装置的锁紧刚度偏低，致使发射主 动段飞轮定、转子间的振动位移偏大。此外，弹片沿飞轮转子径向圆周分布，增加了飞轮整 机体积和重量。专利申请号201010117577. 2公开的基于电机-杠杆锁紧装置，利用电机 正、反转，驱动杠杆机构将飞轮转子锁紧或释放。采用杠杆增力机构，提高了锁紧力和锁紧 刚度。但杠杆机构尺寸较大，且放置于飞轮转子下方，增加了飞轮整机的轴向尺寸，导致了 整机重量的增加。专利申请号201210338347. 8公开的基于电机-锥面锁盖锁紧装置，通过 电机正、反转，驱动锥面锁盖压紧或松开飞轮转子，实现了飞轮的重复锁紧与解锁。锥面锁 盖放置于定子芯轴径向内侧，减小了飞轮体积和重量，但锥面锁盖锥面的约束面积较小，锁 紧约束刚度偏低，导致振动过程中定、转子间振动位移较大。专利申请号200810119968. 0 公开的电磁锁紧装置，通过控制电磁铁的电磁磁场与永磁磁场正、反向叠加，增加或减小吸 盘的吸力，实现飞轮的重复锁紧与解锁。工作时，一般在飞轮转子内侧放置三至四个电磁锁 紧装置，不会导致飞轮整机体积重量的增加，同时提高了锁紧刚度。
[0004] 电磁铁作为电磁锁紧装置的关键部件，其锁紧启动力和解锁残余力决定了执行锁 紧和执行解锁的可靠性，其锁紧保持力和解锁保持力决定了保持锁紧和保持解锁的可靠 性，所以需要对其进行详细设计。现有电磁铁设计方法采用有限元法或磁路法对电磁铁各 项指标单独设计。该方法简单效率高，但其设计结果往往不太合理，一般得不到最优结果。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，能 克服现有设计方法的不足，设计出用于磁悬浮惯性执行机构可重复电磁锁紧装置的更加合 理的电磁铁。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法， 该方法以电磁铁质量最小为目标，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径rei、线圈外径r。。、 电磁铁长度I、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的初始 值；
[0008] 步骤2,采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用所述步骤1设定的电磁铁的各 参数初始值，分别建立模型并计算保存各模型的结果数据，具体为：
[0009] (1)建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并将执行锁紧该模型的APDL命令 流保存至解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行锁紧最大功耗Plmax、执行锁紧 最大磁密和锁紧启动力，并将计算出的各数据保存至执行锁紧计算结果文件；
[0010] (2)建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并将解锁该模型的APDL命令流保 存至锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行解锁最大功耗P_x、执行解锁最大 磁密B_ax和解锁残余力f\u，并将计算出的各数据保存至执行解锁计算结果文件；
[0011] (3)建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并将保持锁紧该模型的APDL命令 流保存至保持锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持锁紧最大磁密Bkl_和锁 紧保持力fkl，并将计算出的各数据保存至保持锁紧计算结果文件；
[0012] (4)建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并将保持解锁该模型的APDL命令 流保存至保持解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持解锁最大磁密BkUfflax和解 锁保持力fku，并将计算出的各数据保存至保持解锁计算结果文件；
[0013] 步骤3,将步骤2中得到的所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件、保持解锁文件 和所述执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计算结果文件、保持解锁计算 结果文件导入多学科优化软件iSIGHT中，并设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径 线圈内径L、线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长 度ls和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率n、最大功耗P_、最大磁密 Bmax、锁紧启动力fd、解锁残余力fra、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku的约束范围；
[0014] 步骤4,利用多学科优化软件iSIGHT的优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反 复将所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件和保持解锁文件导入ANSYS软件对飞轮转子 进行电磁计算，同时输出各文件对应的执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁 紧计算结果文件、保持解锁计算结果文件；
[0015] 步骤5,判断优化过程是否收敛；
[0016] 步骤6,若优化不收敛，根据所述优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计 变量的赋值，并转到所述步骤2 ;
[0017] 步骤7,若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，即完成可重复电磁锁紧装置电磁铁 的设计过程。
[0018] 本发明的方法与现有设计方法相比优点在于：（1)该方法在全域范围内同时对电 磁铁各项性能进行设计，与现有的电磁铁各项性能单独设计方法相比，更有利于电磁铁进 一步优化，使得电磁铁性能更加合理。（2)利用多学科优化软件iSIGHT和集成有限元软件 ANSYS配合，对可重复电磁锁紧装置电磁铁进行优化设计，节省了设计时间，提高了设计效 率。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0020] 图1为本发明实施例提供的针对的磁悬浮飞轮系统的剖视图；
[0021] 图2为本发明实施例提供的针对所设计的电磁铁的结构剖视图；
[0022] 图3为本发明实施例提供的设计方法流程图。
【具体实施方式】
[0023] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0024] 本发明涉及一种电磁铁的设计方法，特别是磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等 采用磁悬浮支承技术的磁悬浮惯性执行机构用的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法， 其设计思想可作为各类电磁铁的设计，使电磁铁设计结果更加合理，该方法的基本过程是： 利用有限元软件ANSYS分别建立电磁铁解锁状态执行锁紧的参数化模型、电磁铁锁紧状态 执行解锁的参数化模型、电磁铁锁紧状态保持锁紧的参数化模型和电磁铁解锁状态保持解 锁的参数化模型，并将四个参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，设置设计变量和约束 变量的取值范围，利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，经多步计算后得到电磁铁最优 质量。
[0025] 该方法以电磁铁质量最小为优化目标，具体包括以下步骤：
[0026] 步骤1，设定设计变量电磁铁 内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径、线圈外径r。。、 电磁铁长度I、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的初始 值；
[0027] 步骤2,采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用所述步骤1设定的电磁铁的各 参数初始值，分别建立模型并计算保存各模型的结果数据，具体为：
[0028] (1)建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并将执行锁紧该模型的APDL命 令流保存至解锁文件，该解锁文件可以是命名为cl.txt的文本文件，计算出电磁铁质量 M、线圈槽满率n、执行锁紧最大功耗plmax、执行锁紧最大磁密和锁紧启动力fd，并将 计算出的各数据保存至执行锁紧计算结果文件，该执行锁紧计算结果文件可以是命名为 response_cl.txt的文本文件；
[0029] (2)建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并将解锁该模型的APDL命令流保 存至锁紧文件，该锁紧文件可以是命名为cu.txt的文本文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽 满率n、执行解锁最大功耗、执行解锁最大磁密B_ax和解锁残余力f。"，并将计算出的 各数据保存至执行解锁计算结果文件，该执行解锁计算结果文件可以是命名为response cu.txt的文本文件；
[0030] (3)建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并将保持锁紧该模型的APDL命令 流保存至保持锁紧文件，该保持锁紧文件可以是命名为kl.txt的文本文件，计算出电磁铁 质量M、线圈槽满率n、保持锁紧最大磁密Bkl_和锁紧保持力fkl，并将计算出的各数据保 存至保持锁紧计算结果文件，该保持锁紧计算结果文件可以是命名为reSponSe_kl.txt的 文本文件；
[0031] (4)建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并将保持解锁该模型的APDL命令 流保存至保持解锁文件，该保持解锁文件可以是命名为ku.txt的文本文件，计算出电磁铁 质量M、线圈槽满率n、保持解锁最大磁密BkUfflax和解锁保持力fku，并将计算出的各数据保 存至保持解锁计算结果文件，该保持解锁计算结果文件可以是命名为response_ku.txt的 文本文件；
[0032] 步骤3,将步骤2中得到的所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件、保持解锁文件 和所述执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计算结果文件、保持解锁计算 结果文件导入多学科优化软件iSIGHT中，并设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径 线圈内径L、线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长 度ls和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率n、最大功耗P_、最大磁密 Bmax、锁紧启动力fd、解锁残余力fra、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku的约束范围；
[0033] 步骤4,利用多学科优化软件iSIGHT的优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反 复将所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件和保持解锁文件导入ANSYS软件对飞轮转子 进行电磁计算，同时输出各文件对应的执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁 紧计算结果文件、保持解锁计算结果文件；优选的，优化算法采用：至少二阶连续并且至少 二阶可导的优化算法，如采用序列二次规划优化算法；
[0034] 步骤5,判断优化过程是否收敛；
[0035] 步骤6,若优化不收敛，根据所述优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计 变量的赋值，并转到所述步骤2 ;
[0036] 步骤7,若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，即完成可重复电磁锁紧装置电磁铁 的设计过程。
[0037] 上述方法中，线圈槽满率n的约束范围为：55%<n< 65% ;
[0038] 最大功耗P_为执行锁紧最大功耗Plniax和执行解锁最大功耗P""两者中的最大 值，其约束范围为：Pmax彡45W;
[0039] 最大磁密B_为执行锁紧最大磁密B 、执行解锁最大磁密B_ax、保持锁紧最大 磁密Bklmax和保持解锁最大磁密B^^四者中的最大值，其约束范围为：Bmax<导磁材料的饱 和磁密1. 8T;
[0040] 锁紧启动力fel的约束范围为：fel多解锁弹簧弹力与飞轮转子重力分量之和20N;
[0041] 解锁残余力feu的约束范围为：feu彡0? 5N;
[0042] 锁紧保持力fkl的约束范围为：fkl>飞轮转子振动惯性力200N;
[0043] 解锁保持力fku的约束范围为：fku彡1N。
[0044] 本发明设计方法的原理是：利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元软件ANSYS对 电磁铁进行优化设计，以电磁铁质量M为优化目标，以线圈槽满率n、最大功、最大磁 密8_、锁紧启动力fd、解锁残余力fra、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku多学科要求同时作 为约束条件，针对设计变量采用二阶可导优化算法，对电磁铁进行优化设计。
[0045] 优化设计模型包括：设计变量、可行域、约束变量、约束范围、目标函数部分。
[0046] 设计变量：电磁铁可优化部分包括电磁铁内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径L、 线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈 匝数n。设计变量X写成向量形式如下，
[0048] 可行域：设计变量的取值范围，根据工程需要设计变量X的取值范围如下，
[0050] 其中，lm和1p下限取1_，是因为磁钢和导磁环的最小可加工的厚度为1_。尤其 是以我国现有的水平，厚度1mm以下的磁钢是无法加工的。
[0051]约束变量：包括线圈槽满率n、最大功耗Pmax、最大磁密Bmax、锁紧启动力fd、解锁 残余力f；u、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku。约束变量G写成向量形式如下，
[0053] 约束变量范围：主要从电磁学和力学方面考虑。
[0054] (1)线圈绕组放置在电磁铁U型槽内，依靠环氧树脂胶粘接在电磁铁U型槽内。执 行锁紧与解锁过程中，为了增加电磁力控制范围，应尽量提高线圈槽满率n。考虑到线圈槽 满率n越高，环氧树脂胶所占比例越小，线圈粘接越不牢固，要求线圈槽满率n的约束范 围为，55%彡n彡65%。
[0055] (2)星上供电电压为28±3V，线圈控制芯片的最大承载电流为1. 8A，要求执行锁 紧和执行解锁过程的最大功耗P_不大于45W。
[0056] (3)为防止电磁铁磁路饱和，要求执行锁紧、执行解锁、保持锁紧和保持解锁四个 状态中磁路的最大磁密8_不大于电磁铁材料的饱和磁密1. 8T。
[0057] (4)解锁状态执行锁紧过程中，锁紧力越大，执行锁紧可靠性越高，要求锁紧启动 力fel应不小于解锁弹簧弹力与飞轮转子重力分量之和20N。
[0058] (5)由于电磁铁始终对吸盘产生吸力，锁紧状态执行解锁时，依靠解锁弹簧的弹力 克服电磁铁吸力进行解锁，为提高执行解锁可靠性，尽可能减小解锁残余力f；u，要求解锁残 余力f；u<0.5N。（6)发射主动段，依靠电磁铁永磁磁场产生电磁力和机构自锁保持锁紧， 锁紧保持力fkl越大，保持锁紧可靠性越高，要求锁紧保持力fkl不小于飞轮转子振动惯性力 200N。（7)解锁状态，依靠解锁弹簧弹力克服电磁铁永磁磁场产生的吸力（解锁保持力fku) 保持解锁。解锁保持力fku越大，保持解锁可靠性越低，要求解锁保持力fku远小于解锁弹簧 的弹力，即fku< 1N。约束变量范围的数学表示如下，
[0060]目标函数：以电磁铁质量M最小为优化目标，写成函数形式如下，
[0062] 将电磁铁解锁状态执行锁紧的参数化模型、电磁铁锁紧状态执行解锁的参数化模 型、电磁铁锁紧状态保持锁紧的参数化模型和电磁铁解锁状态保持解锁的参数化模型导入 多学科优化软件iSIGHT，并设置好设计变量可行域、约束范围和目标函数，选择二阶可导的 优化算法搜索方向和迭代步长。经若干步运算后，得到电磁铁最优质量M。。
[0063] 至此，该可重复电磁锁紧装置电磁铁设计完毕。
[0064] 下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步说明。
[0065] 本发明的设计对象为磁悬浮飞轮及其电磁锁紧装置，图1为磁悬浮飞轮系统的剖 视图，图2为电磁铁的剖视图。图1中1为飞轮转子，2为保护轴承，3为定子芯轴，4为径向 磁轴承，5为轴向磁轴承，6为电磁锁紧装置，7为飞轮底座。图2中61为电磁铁座，62为线 圈，63为磁钢，64为导磁环，65为吸盘，66为永磁磁路，67为电磁磁路。
[0066] 本发明的设计方法以电磁铁质量最小为优化目标，其设计方法的流程图如图3所 示，具体设计步骤如下：
[0067] (1)设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径rei、线圈外径r。。、电磁 铁长度I、线圈长度1。、导 磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的初始值。
[0068] (2)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并保存执 行锁紧模型的APDL命令流文本文件cl.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行锁 紧最大功耗Plmax、执行锁紧最大磁密和锁紧启动力，输出至执行锁紧计算结果文本 文件response_cl.txt〇
[0069] (3)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并保存执 行解锁模型的APDL命令流文本文件cu.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行解 锁最大功耗P_x、执行解锁最大磁密B_ax和解锁残余力f。"，输出至执行解锁计算结果文本 文件response_cu.txt〇
[0070] (4)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并保存保 持锁紧模型的APDL命令流文本文件kl.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持锁 紧最大磁密Bklmax和锁紧保持力fkl，输出至保持锁紧计算结果文本文件response_kl.txt。
[0071] (5)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并保存保 持解锁模型的APDL命令流文本文件ku.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持解 锁最大磁密Bkumax和解锁保持力fku，输出至保持解锁计算结果文本文件response_ku.txt。
[0072] (6)将文本文件cl.txt、response_cl.txt、cu.txt、response_cu.txt、kl.txt、 response_kl.txt、ku.txt和response_ku.txt导入优化集成软件中，并设定设计变量电磁 铁内径rei、电磁铁外径匕。、线圈内径rc;i、线圈外径r。。、电磁铁长度、线圈长度1。、导磁环 长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率 n、最大功耗？_、最大磁密B_、锁紧启动力、解锁残余力f；u、锁紧保持力fkl和解锁保持 力fku的约束范围。
[0073] (7)利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将文本文件cl.txt、cu.txt、 kl.txt和ku.txt导入ANSYS软件对飞轮转子进行电磁计算，同时输出其对应的文本文件 response_cl.txt、response_cu.txt、response_kl.txt和response_ku.txt〇
[0074] (8)判断优化过程是否收敛。
[0075] (9)若优化不收敛，根据优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量的赋 值，并转到步骤（2)。
[0076] (10)若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，至此，该磁悬浮飞轮转子设计完毕。
[0077] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于：该方法以电磁铁质量最 小为目标，包括以下步骤： 步骤1，设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径^。、线圈内径L、线圈外径r。。、电磁 铁长度I、线圈长度1。、导磁环长度Im、磁钢长度Ip、吸盘长度Is和线圈匝数n的初始值； 步骤2,采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用所述步骤1设定的电磁铁的各参数 初始值，分别建立模型并计算保存各模型的结果数据，具体为： (1) 建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并将该执行锁紧模型的APDL命令流保 存至解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行锁紧最大功耗Plmax、执行锁紧最大 磁密Bcdmax和锁紧启动力，并将计算出的各数据保存至执行锁紧计算结果文件； (2) 建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并将解锁该模型的APDL命令流保存至 锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行解锁最大功耗Pmiax、执行解锁最大磁密 B_ax和解锁残余力f\u，并将计算出的各数据保存至执行解锁计算结果文件； (3) 建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并将保持锁紧该模型的APDL命令流保 存至保持锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持锁紧最大磁密Bklmaj^P锁紧保 持力fkl，并将计算出的各数据保存至保持锁紧计算结果文件； (4) 建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并将保持解锁该模型的APDL命令流保 存至保持解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持解锁最大磁密Bkufflaj^P解锁保 持力fku，并将计算出的各数据保存至保持解锁计算结果文件； 步骤3,将步骤2中得到的所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件、保持解锁文件和所 述执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计算结果文件、保持解锁计算结果 文件导入多学科优化软件iSIGHT中，并设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径^。、线圈 内径、线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度Im、磁钢长度Ip、吸盘长度Is 和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率n、最大功耗Pmax、最大磁密B_、 锁紧启动力4、解锁残余力f?、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku的约束范围； 步骤4,利用多学科优化软件iSIGHT的优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将 所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件和保持解锁文件导入ANSYS软件对飞轮转子进行 电磁计算，同时输出各文件对应的执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计 算结果文件、保持解锁计算结果文件； 步骤5,判断优化过程是否收敛； 步骤6,若优化不收敛，根据所述优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量 的赋值，并转到所述步骤2 ; 步骤7,若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，即完成可重复电磁锁紧装置电磁铁的设 计过程。2. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 线圈槽满率n的约束范围为：55%<n<65%。3. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 最大功耗Pnlax为执行锁紧最大功耗Plnlax和执行解锁最大功耗P^^两者中的最大值，其约束 范围为：Pmax彡4514. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 最大磁密Bniax为执行锁紧最大磁密B^ax、执行解锁最大磁密B_ax、保持锁紧最大磁密Bklniax 和保持解锁最大磁密仏^^四者中的最大值，其约束范围为：B 导磁材料的饱和磁密 I. 8T〇5. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 锁紧启动力fd的约束范围为d多解锁弹簧弹力与飞轮转子重力分量之和20N。6. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 解锁残余力feu的约束范围为：f 〇? 5N。7. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 锁紧保持力fkl的约束范围为kl>飞轮转子振动惯性力200N。8. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 解锁保持力fku的约束范围为：fku< 1N。9. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 步骤4中的优化算法采用至少二阶连续并且至少二阶可导的优化算法。10. 根据权利要求1或9所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于， 所述步骤4中的优化算法采用序列二次规划优化算法。
【专利摘要】本发明公开了一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，包括：利用有限元软件ANSYS分别建立电磁铁解锁状态执行锁紧的参数化模型、电磁铁锁紧状态执行解锁的参数化模型、电磁铁锁紧状态保持锁紧的参数化模型和电磁铁解锁状态保持解锁的参数化模型，并将四个参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，设置设计变量和约束变量的取值范围，利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，经多步计算后得到电磁铁最优质量。该方法利用多学科优化软件和集成有限元软件配合，对可重复电磁锁紧装置电磁铁进行优化设计，节省了设计时间，提高了设计效率。在全域范围内同时对电磁铁各项性能进行设计，更有利于电磁铁进一步优化，使得电磁铁性能更加合理。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899399
【申请号】CN201510354618
【发明人】刘强, 曹建树, 陈家庆, 焦向东, 王殿君, 叶郭波
【申请人】北京石油化工学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月24日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁锁紧装置用电磁铁的制备领域，特别是涉及一种磁悬浮惯性执行 机构的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法。
【背景技术】
[0002] 磁悬浮飞轮和磁悬浮控制力矩陀螺采用磁悬浮轴承支承，消除了机械轴承带来的 摩擦磨损，降低了振动，提高了输出力矩和控制力矩精度，是航天器理想的惯性执行机构。 由于发射主动段存在激烈的振动与冲击，为防止非接触悬浮支承的磁悬浮定、转子间发生 激烈碰撞和冲击而损坏，磁悬浮惯性执行机构必须采用锁紧装置，对其进行锁紧约束保护。 发射主动段，通过锁紧装置将飞轮锁紧；入轨后，还需解除转子原有的锁紧关系，使转子处 于自由状态便于悬浮。
[0003] 根据锁紧与解锁次数，锁紧装置可分为一次性锁紧装置和可重复锁紧装置。目前 所使用的一次性锁紧装置主要有基于碳纤维复合材料和航空钢丝绳锁紧装置、楔形块-锥 形轴承锁紧装置、螺杆-螺母锁紧装置。以上三种方案均采用火工品进行解锁，可靠性高， 但只能使用一次，不便于地面环境试验调试。由于发射前磁悬浮惯性执行机构正样产品 需通过一系列的环境试验（正弦扫频振动、随机振动、力学冲击、离心加速度、高低温、热循 环、老炼等），需经常锁紧与解锁。此外飞轮进行变轨工作时，也需要对其进行反复锁紧与解 锁。目前所使用的可重复锁紧装置主要有基于电机-弹片-钢丝绳锁紧装置、基于电机-杠 杆锁紧装置、基于电机-锥面锁盖锁紧装置和电磁锁紧装置。专利申请号200910093150. 0 公开的基于电机-弹片-钢丝绳锁紧装置，利用弹片作为伸张机构，利用钢丝绳作为收紧机 构，通过电机正、反转，驱使收紧机构将伸张机构收拢或松开，从而抱紧或释放飞轮转子，实 现飞轮的重复锁紧与解锁。由于弹片刚度较低，导致锁紧装置的锁紧刚度偏低，致使发射主 动段飞轮定、转子间的振动位移偏大。此外，弹片沿飞轮转子径向圆周分布，增加了飞轮整 机体积和重量。专利申请号201010117577. 2公开的基于电机-杠杆锁紧装置，利用电机 正、反转，驱动杠杆机构将飞轮转子锁紧或释放。采用杠杆增力机构，提高了锁紧力和锁紧 刚度。但杠杆机构尺寸较大，且放置于飞轮转子下方，增加了飞轮整机的轴向尺寸，导致了 整机重量的增加。专利申请号201210338347. 8公开的基于电机-锥面锁盖锁紧装置，通过 电机正、反转，驱动锥面锁盖压紧或松开飞轮转子，实现了飞轮的重复锁紧与解锁。锥面锁 盖放置于定子芯轴径向内侧，减小了飞轮体积和重量，但锥面锁盖锥面的约束面积较小，锁 紧约束刚度偏低，导致振动过程中定、转子间振动位移较大。专利申请号200810119968. 0 公开的电磁锁紧装置，通过控制电磁铁的电磁磁场与永磁磁场正、反向叠加，增加或减小吸 盘的吸力，实现飞轮的重复锁紧与解锁。工作时，一般在飞轮转子内侧放置三至四个电磁锁 紧装置，不会导致飞轮整机体积重量的增加，同时提高了锁紧刚度。
[0004] 电磁铁作为电磁锁紧装置的关键部件，其锁紧启动力和解锁残余力决定了执行锁 紧和执行解锁的可靠性，其锁紧保持力和解锁保持力决定了保持锁紧和保持解锁的可靠 性，所以需要对其进行详细设计。现有电磁铁设计方法采用有限元法或磁路法对电磁铁各 项指标单独设计。该方法简单效率高，但其设计结果往往不太合理，一般得不到最优结果。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，能 克服现有设计方法的不足，设计出用于磁悬浮惯性执行机构可重复电磁锁紧装置的更加合 理的电磁铁。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法， 该方法以电磁铁质量最小为目标，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径rei、线圈外径r。。、 电磁铁长度I、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的初始 值；
[0008] 步骤2,采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用所述步骤1设定的电磁铁的各 参数初始值，分别建立模型并计算保存各模型的结果数据，具体为：
[0009] (1)建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并将执行锁紧该模型的APDL命令 流保存至解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行锁紧最大功耗Plmax、执行锁紧 最大磁密和锁紧启动力，并将计算出的各数据保存至执行锁紧计算结果文件；
[0010] (2)建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并将解锁该模型的APDL命令流保 存至锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行解锁最大功耗P_x、执行解锁最大 磁密B_ax和解锁残余力f\u，并将计算出的各数据保存至执行解锁计算结果文件；
[0011] (3)建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并将保持锁紧该模型的APDL命令 流保存至保持锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持锁紧最大磁密Bkl_和锁 紧保持力fkl，并将计算出的各数据保存至保持锁紧计算结果文件；
[0012] (4)建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并将保持解锁该模型的APDL命令 流保存至保持解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持解锁最大磁密BkUfflax和解 锁保持力fku，并将计算出的各数据保存至保持解锁计算结果文件；
[0013] 步骤3,将步骤2中得到的所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件、保持解锁文件 和所述执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计算结果文件、保持解锁计算 结果文件导入多学科优化软件iSIGHT中，并设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径 线圈内径L、线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长 度ls和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率n、最大功耗P_、最大磁密 Bmax、锁紧启动力fd、解锁残余力fra、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku的约束范围；
[0014] 步骤4,利用多学科优化软件iSIGHT的优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反 复将所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件和保持解锁文件导入ANSYS软件对飞轮转子 进行电磁计算，同时输出各文件对应的执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁 紧计算结果文件、保持解锁计算结果文件；
[0015] 步骤5,判断优化过程是否收敛；
[0016] 步骤6,若优化不收敛，根据所述优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计 变量的赋值，并转到所述步骤2 ;
[0017] 步骤7,若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，即完成可重复电磁锁紧装置电磁铁 的设计过程。
[0018] 本发明的方法与现有设计方法相比优点在于：（1)该方法在全域范围内同时对电 磁铁各项性能进行设计，与现有的电磁铁各项性能单独设计方法相比，更有利于电磁铁进 一步优化，使得电磁铁性能更加合理。（2)利用多学科优化软件iSIGHT和集成有限元软件 ANSYS配合，对可重复电磁锁紧装置电磁铁进行优化设计，节省了设计时间，提高了设计效 率。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0020] 图1为本发明实施例提供的针对的磁悬浮飞轮系统的剖视图；
[0021] 图2为本发明实施例提供的针对所设计的电磁铁的结构剖视图；
[0022] 图3为本发明实施例提供的设计方法流程图。
【具体实施方式】
[0023] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0024] 本发明涉及一种电磁铁的设计方法，特别是磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等 采用磁悬浮支承技术的磁悬浮惯性执行机构用的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法， 其设计思想可作为各类电磁铁的设计，使电磁铁设计结果更加合理，该方法的基本过程是： 利用有限元软件ANSYS分别建立电磁铁解锁状态执行锁紧的参数化模型、电磁铁锁紧状态 执行解锁的参数化模型、电磁铁锁紧状态保持锁紧的参数化模型和电磁铁解锁状态保持解 锁的参数化模型，并将四个参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，设置设计变量和约束 变量的取值范围，利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，经多步计算后得到电磁铁最优 质量。
[0025] 该方法以电磁铁质量最小为优化目标，具体包括以下步骤：
[0026] 步骤1，设定设计变量电磁铁 内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径、线圈外径r。。、 电磁铁长度I、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的初始 值；
[0027] 步骤2,采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用所述步骤1设定的电磁铁的各 参数初始值，分别建立模型并计算保存各模型的结果数据，具体为：
[0028] (1)建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并将执行锁紧该模型的APDL命 令流保存至解锁文件，该解锁文件可以是命名为cl.txt的文本文件，计算出电磁铁质量 M、线圈槽满率n、执行锁紧最大功耗plmax、执行锁紧最大磁密和锁紧启动力fd，并将 计算出的各数据保存至执行锁紧计算结果文件，该执行锁紧计算结果文件可以是命名为 response_cl.txt的文本文件；
[0029] (2)建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并将解锁该模型的APDL命令流保 存至锁紧文件，该锁紧文件可以是命名为cu.txt的文本文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽 满率n、执行解锁最大功耗、执行解锁最大磁密B_ax和解锁残余力f。"，并将计算出的 各数据保存至执行解锁计算结果文件，该执行解锁计算结果文件可以是命名为response cu.txt的文本文件；
[0030] (3)建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并将保持锁紧该模型的APDL命令 流保存至保持锁紧文件，该保持锁紧文件可以是命名为kl.txt的文本文件，计算出电磁铁 质量M、线圈槽满率n、保持锁紧最大磁密Bkl_和锁紧保持力fkl，并将计算出的各数据保 存至保持锁紧计算结果文件，该保持锁紧计算结果文件可以是命名为reSponSe_kl.txt的 文本文件；
[0031] (4)建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并将保持解锁该模型的APDL命令 流保存至保持解锁文件，该保持解锁文件可以是命名为ku.txt的文本文件，计算出电磁铁 质量M、线圈槽满率n、保持解锁最大磁密BkUfflax和解锁保持力fku，并将计算出的各数据保 存至保持解锁计算结果文件，该保持解锁计算结果文件可以是命名为response_ku.txt的 文本文件；
[0032] 步骤3,将步骤2中得到的所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件、保持解锁文件 和所述执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计算结果文件、保持解锁计算 结果文件导入多学科优化软件iSIGHT中，并设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径 线圈内径L、线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长 度ls和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率n、最大功耗P_、最大磁密 Bmax、锁紧启动力fd、解锁残余力fra、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku的约束范围；
[0033] 步骤4,利用多学科优化软件iSIGHT的优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反 复将所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件和保持解锁文件导入ANSYS软件对飞轮转子 进行电磁计算，同时输出各文件对应的执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁 紧计算结果文件、保持解锁计算结果文件；优选的，优化算法采用：至少二阶连续并且至少 二阶可导的优化算法，如采用序列二次规划优化算法；
[0034] 步骤5,判断优化过程是否收敛；
[0035] 步骤6,若优化不收敛，根据所述优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计 变量的赋值，并转到所述步骤2 ;
[0036] 步骤7,若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，即完成可重复电磁锁紧装置电磁铁 的设计过程。
[0037] 上述方法中，线圈槽满率n的约束范围为：55%<n< 65% ;
[0038] 最大功耗P_为执行锁紧最大功耗Plniax和执行解锁最大功耗P""两者中的最大 值，其约束范围为：Pmax彡45W;
[0039] 最大磁密B_为执行锁紧最大磁密B 、执行解锁最大磁密B_ax、保持锁紧最大 磁密Bklmax和保持解锁最大磁密B^^四者中的最大值，其约束范围为：Bmax<导磁材料的饱 和磁密1. 8T;
[0040] 锁紧启动力fel的约束范围为：fel多解锁弹簧弹力与飞轮转子重力分量之和20N;
[0041] 解锁残余力feu的约束范围为：feu彡0? 5N;
[0042] 锁紧保持力fkl的约束范围为：fkl>飞轮转子振动惯性力200N;
[0043] 解锁保持力fku的约束范围为：fku彡1N。
[0044] 本发明设计方法的原理是：利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元软件ANSYS对 电磁铁进行优化设计，以电磁铁质量M为优化目标，以线圈槽满率n、最大功、最大磁 密8_、锁紧启动力fd、解锁残余力fra、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku多学科要求同时作 为约束条件，针对设计变量采用二阶可导优化算法，对电磁铁进行优化设计。
[0045] 优化设计模型包括：设计变量、可行域、约束变量、约束范围、目标函数部分。
[0046] 设计变量：电磁铁可优化部分包括电磁铁内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径L、 线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈 匝数n。设计变量X写成向量形式如下，
[0048] 可行域：设计变量的取值范围，根据工程需要设计变量X的取值范围如下，
[0050] 其中，lm和1p下限取1_，是因为磁钢和导磁环的最小可加工的厚度为1_。尤其 是以我国现有的水平，厚度1mm以下的磁钢是无法加工的。
[0051]约束变量：包括线圈槽满率n、最大功耗Pmax、最大磁密Bmax、锁紧启动力fd、解锁 残余力f；u、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku。约束变量G写成向量形式如下，
[0053] 约束变量范围：主要从电磁学和力学方面考虑。
[0054] (1)线圈绕组放置在电磁铁U型槽内，依靠环氧树脂胶粘接在电磁铁U型槽内。执 行锁紧与解锁过程中，为了增加电磁力控制范围，应尽量提高线圈槽满率n。考虑到线圈槽 满率n越高，环氧树脂胶所占比例越小，线圈粘接越不牢固，要求线圈槽满率n的约束范 围为，55%彡n彡65%。
[0055] (2)星上供电电压为28±3V，线圈控制芯片的最大承载电流为1. 8A，要求执行锁 紧和执行解锁过程的最大功耗P_不大于45W。
[0056] (3)为防止电磁铁磁路饱和，要求执行锁紧、执行解锁、保持锁紧和保持解锁四个 状态中磁路的最大磁密8_不大于电磁铁材料的饱和磁密1. 8T。
[0057] (4)解锁状态执行锁紧过程中，锁紧力越大，执行锁紧可靠性越高，要求锁紧启动 力fel应不小于解锁弹簧弹力与飞轮转子重力分量之和20N。
[0058] (5)由于电磁铁始终对吸盘产生吸力，锁紧状态执行解锁时，依靠解锁弹簧的弹力 克服电磁铁吸力进行解锁，为提高执行解锁可靠性，尽可能减小解锁残余力f；u，要求解锁残 余力f；u<0.5N。（6)发射主动段，依靠电磁铁永磁磁场产生电磁力和机构自锁保持锁紧， 锁紧保持力fkl越大，保持锁紧可靠性越高，要求锁紧保持力fkl不小于飞轮转子振动惯性力 200N。（7)解锁状态，依靠解锁弹簧弹力克服电磁铁永磁磁场产生的吸力（解锁保持力fku) 保持解锁。解锁保持力fku越大，保持解锁可靠性越低，要求解锁保持力fku远小于解锁弹簧 的弹力，即fku< 1N。约束变量范围的数学表示如下，
[0060]目标函数：以电磁铁质量M最小为优化目标，写成函数形式如下，
[0062] 将电磁铁解锁状态执行锁紧的参数化模型、电磁铁锁紧状态执行解锁的参数化模 型、电磁铁锁紧状态保持锁紧的参数化模型和电磁铁解锁状态保持解锁的参数化模型导入 多学科优化软件iSIGHT，并设置好设计变量可行域、约束范围和目标函数，选择二阶可导的 优化算法搜索方向和迭代步长。经若干步运算后，得到电磁铁最优质量M。。
[0063] 至此，该可重复电磁锁紧装置电磁铁设计完毕。
[0064] 下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步说明。
[0065] 本发明的设计对象为磁悬浮飞轮及其电磁锁紧装置，图1为磁悬浮飞轮系统的剖 视图，图2为电磁铁的剖视图。图1中1为飞轮转子，2为保护轴承，3为定子芯轴，4为径向 磁轴承，5为轴向磁轴承，6为电磁锁紧装置，7为飞轮底座。图2中61为电磁铁座，62为线 圈，63为磁钢，64为导磁环，65为吸盘，66为永磁磁路，67为电磁磁路。
[0066] 本发明的设计方法以电磁铁质量最小为优化目标，其设计方法的流程图如图3所 示，具体设计步骤如下：
[0067] (1)设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径re。、线圈内径rei、线圈外径r。。、电磁 铁长度I、线圈长度1。、导 磁环长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的初始值。
[0068] (2)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并保存执 行锁紧模型的APDL命令流文本文件cl.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行锁 紧最大功耗Plmax、执行锁紧最大磁密和锁紧启动力，输出至执行锁紧计算结果文本 文件response_cl.txt〇
[0069] (3)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并保存执 行解锁模型的APDL命令流文本文件cu.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行解 锁最大功耗P_x、执行解锁最大磁密B_ax和解锁残余力f。"，输出至执行解锁计算结果文本 文件response_cu.txt〇
[0070] (4)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并保存保 持锁紧模型的APDL命令流文本文件kl.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持锁 紧最大磁密Bklmax和锁紧保持力fkl，输出至保持锁紧计算结果文本文件response_kl.txt。
[0071] (5)利用有限元软件ANSYS建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并保存保 持解锁模型的APDL命令流文本文件ku.txt，计算并将电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持解 锁最大磁密Bkumax和解锁保持力fku，输出至保持解锁计算结果文本文件response_ku.txt。
[0072] (6)将文本文件cl.txt、response_cl.txt、cu.txt、response_cu.txt、kl.txt、 response_kl.txt、ku.txt和response_ku.txt导入优化集成软件中，并设定设计变量电磁 铁内径rei、电磁铁外径匕。、线圈内径rc;i、线圈外径r。。、电磁铁长度、线圈长度1。、导磁环 长度lm、磁钢长度lp、吸盘长度ls和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率 n、最大功耗？_、最大磁密B_、锁紧启动力、解锁残余力f；u、锁紧保持力fkl和解锁保持 力fku的约束范围。
[0073] (7)利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将文本文件cl.txt、cu.txt、 kl.txt和ku.txt导入ANSYS软件对飞轮转子进行电磁计算，同时输出其对应的文本文件 response_cl.txt、response_cu.txt、response_kl.txt和response_ku.txt〇
[0074] (8)判断优化过程是否收敛。
[0075] (9)若优化不收敛，根据优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量的赋 值，并转到步骤（2)。
[0076] (10)若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，至此，该磁悬浮飞轮转子设计完毕。
[0077] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于：该方法以电磁铁质量最 小为目标，包括以下步骤： 步骤1，设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径^。、线圈内径L、线圈外径r。。、电磁 铁长度I、线圈长度1。、导磁环长度Im、磁钢长度Ip、吸盘长度Is和线圈匝数n的初始值； 步骤2,采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用所述步骤1设定的电磁铁的各参数 初始值，分别建立模型并计算保存各模型的结果数据，具体为： (1) 建立电磁铁解锁状态执行锁紧有限元模型，并将该执行锁紧模型的APDL命令流保 存至解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行锁紧最大功耗Plmax、执行锁紧最大 磁密Bcdmax和锁紧启动力，并将计算出的各数据保存至执行锁紧计算结果文件； (2) 建立电磁铁锁紧状态执行解锁有限元模型，并将解锁该模型的APDL命令流保存至 锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、执行解锁最大功耗Pmiax、执行解锁最大磁密 B_ax和解锁残余力f\u，并将计算出的各数据保存至执行解锁计算结果文件； (3) 建立电磁铁锁紧状态保持锁紧有限元模型，并将保持锁紧该模型的APDL命令流保 存至保持锁紧文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持锁紧最大磁密Bklmaj^P锁紧保 持力fkl，并将计算出的各数据保存至保持锁紧计算结果文件； (4) 建立电磁铁解锁状态保持解锁有限元模型，并将保持解锁该模型的APDL命令流保 存至保持解锁文件，计算出电磁铁质量M、线圈槽满率n、保持解锁最大磁密Bkufflaj^P解锁保 持力fku，并将计算出的各数据保存至保持解锁计算结果文件； 步骤3,将步骤2中得到的所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件、保持解锁文件和所 述执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计算结果文件、保持解锁计算结果 文件导入多学科优化软件iSIGHT中，并设定设计变量电磁铁内径rei、电磁铁外径^。、线圈 内径、线圈外径r。。、电磁铁长度16、线圈长度1。、导磁环长度Im、磁钢长度Ip、吸盘长度Is 和线圈匝数n的取值范围，同时设定约束变量线圈槽满率n、最大功耗Pmax、最大磁密B_、 锁紧启动力4、解锁残余力f?、锁紧保持力fkl和解锁保持力fku的约束范围； 步骤4,利用多学科优化软件iSIGHT的优化算法计算搜索方向和迭代步长，并反复将 所述解锁文件、锁紧文件、保持锁紧文件和保持解锁文件导入ANSYS软件对飞轮转子进行 电磁计算，同时输出各文件对应的执行锁紧计算结果文件、解锁计算结果文件、保持锁紧计 算结果文件、保持解锁计算结果文件； 步骤5,判断优化过程是否收敛； 步骤6,若优化不收敛，根据所述优化算法计算的搜索方向和迭代步长，改变设计变量 的赋值，并转到所述步骤2 ; 步骤7,若优化收敛，得出电磁铁最优质量M。，即完成可重复电磁锁紧装置电磁铁的设 计过程。2. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 线圈槽满率n的约束范围为：55%<n<65%。3. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 最大功耗Pnlax为执行锁紧最大功耗Plnlax和执行解锁最大功耗P^^两者中的最大值，其约束 范围为：Pmax彡4514. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 最大磁密Bniax为执行锁紧最大磁密B^ax、执行解锁最大磁密B_ax、保持锁紧最大磁密Bklniax 和保持解锁最大磁密仏^^四者中的最大值，其约束范围为：B 导磁材料的饱和磁密 I. 8T〇5. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 锁紧启动力fd的约束范围为d多解锁弹簧弹力与飞轮转子重力分量之和20N。6. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 解锁残余力feu的约束范围为：f 〇? 5N。7. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 锁紧保持力fkl的约束范围为kl>飞轮转子振动惯性力200N。8. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 解锁保持力fku的约束范围为：fku< 1N。9. 根据权利要求1所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于，所述 步骤4中的优化算法采用至少二阶连续并且至少二阶可导的优化算法。10. 根据权利要求1或9所述的可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，其特征在于， 所述步骤4中的优化算法采用序列二次规划优化算法。
【专利摘要】本发明公开了一种可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法，包括：利用有限元软件ANSYS分别建立电磁铁解锁状态执行锁紧的参数化模型、电磁铁锁紧状态执行解锁的参数化模型、电磁铁锁紧状态保持锁紧的参数化模型和电磁铁解锁状态保持解锁的参数化模型，并将四个参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，设置设计变量和约束变量的取值范围，利用优化算法计算搜索方向和迭代步长，经多步计算后得到电磁铁最优质量。该方法利用多学科优化软件和集成有限元软件配合，对可重复电磁锁紧装置电磁铁进行优化设计，节省了设计时间，提高了设计效率。在全域范围内同时对电磁铁各项性能进行设计，更有利于电磁铁进一步优化，使得电磁铁性能更加合理。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899399
【申请号】CN201510354618
【发明人】刘强, 曹建树, 陈家庆, 焦向东, 王殿君, 叶郭波
【申请人】北京石油化工学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月24日
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