本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。 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。 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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种，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。 为解决上述技术问题，本专利技术提供一种， 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； 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； (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； (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； (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； 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； 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。 本专利技术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】 为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，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专利技术的一些实施例，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。 图1为本专利技术实施例提供的针对的磁悬浮飞轮系统的剖视图； 图2为本专利技术实施例提供的针对所设计的电磁铁的结构剖视图； 图3为本专利技术实施例提供的设计方法流程图。【具体实施方式】 下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、本文档来自技高网...
【技术保护点】
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reo、线圈内径rci、线圈外径rco、电磁铁长度le、线圈长度lc、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；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η、执行锁紧最大功耗Plmax、执行锁紧最大磁密Bclmax和锁紧启动力fcl，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η、执行解锁最大功耗Pumax、执行解锁最大磁密Bcumax和解锁残余力fcu，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η、保持锁紧最大磁密Bklmax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；(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η、保持解锁最大磁密Bkumax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；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reo、线圈内径rci、线圈外径rco、电磁铁长度le、线圈长度lc、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η、最大功耗Pmax、最大磁密Bmax、锁紧启动力fcl、解锁残余力fcu、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Mo，即完成可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计过程。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，曹建树，陈家庆，焦向东，王殿君，叶郭波，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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