一种洛伦兹力作动器及其设计方法技术

本发明专利技术属于作动器最优设计相关技术领域，公开了一种洛伦兹力作动器及其设计方法。所述方法基于洛伦兹力作动器的设计指标，建立洛伦兹力作动器初始化模型；并基于初始化模型，解析洛伦兹力作动器中动子、定子与气隙磁感应强度关系；进一步，对永磁体几何参数和气隙长度与气隙磁感应强度关系进行解析，提出气隙磁感应强度快速计算方法，以快速确定永磁体几何参数和气隙长度的优化方向；最终，构建洛伦兹力作动器参数化模型并以最大化作动器输出力同时最小化线圈质量及热耗为原则，以作动器外包络尺寸为约束条件，对永磁体结构、线圈参数进行优化设计。本发明专利技术公开的设计方法，可实现作动器最大输出力同时线圈质量和热耗最小，并且高效准确。高效准确。高效准确。

【技术实现步骤摘要】
一种洛伦兹力作动器及其设计方法


[0001]本专利技术属于作动器最优设计相关
，更具体地，涉及一种洛伦兹力作动器及其设计方法。

技术介绍

[0002]洛伦兹力作动器的优点包括速度/加速度响应快、推力大且线性度高、行程大、非接触、结构紧凑容易集成，故而获得广泛应用。例如，应用于超高精度光学有效载荷中，实现图像维稳，提高成像质量；应用于高端光刻机及扫描透射电镜上，实现微振动抑制，推动IC制造产业核心技术发展；应用于航天器中，实现其轨迹追踪与定位，推动航天在轨科学实验。一般地，洛伦兹力作动器主要应用于大型精密加工装备、高精密测量仪器设备、超高精度操作装备、航天在轨精密科学实验装置等领域。此外，洛伦兹力作动器也应用于医疗、汽车工业等领域。
[0003]然而，随着应用场景的不断深入，对设备的更高精度、环境的更高标准提出了新需求。紧而随之，对作动器的要求也水长船高。传统相对单一的主导元素设计理念往往不适应新场景、新环境、新设备的实际需求。例如，传统的洛伦兹力作动器设计过程中，为提高作动器输出力，则在体积、质量及热耗方面作出妥协；亦或在提高输出力同时，部分考虑其体积、质量及热耗，但没有做到最优。此外，在设计作动器过程中，往往更多依靠工程经验而完成设计。因此，建立一套行之有效的洛伦兹力作动器优化设计流程和方法，使之完成多目标优化输出，即是未来研究的热点导向，也是市场发展的反推之作。开展相关方面的尝试与探索，意义深远。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的改进需求，本专利技术提供了一种洛伦兹力作动器及其设计方法，基于作动器基本特性解析以及构建洛伦兹力作动器参数化模型，实现最大输出力同时最小线圈质量及热耗。
[0005]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种洛伦兹力作动器的设计方法，包括以下步骤：
[0006]S1，获取洛伦兹力作动器的设计指标，并建立洛伦兹力作动器初始化模型；
[0007]S2，基于所述洛伦兹力作动器初始化模型，通过仿真确定气隙磁感应强度B
s
最大化时，洛伦兹力作动器中定子至磁场中心沿洛伦兹力方向的距离D1和定子至磁场中心沿磁场矢量方向的距离D2的最优值；
[0008]S3，解析永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
和气隙长度s与气隙磁感应强度B
s
的关系，以确定气隙磁感应强度B
s
最大化时，永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
和气隙长度s的优化方向；
[0009]S4，构建洛伦兹力作动器参数化模型，所述洛伦兹力作动器参数化模型包括线圈质量m
coil
和线圈热耗Q的表达式，以及洛伦兹力作动器几何尺寸的边界条件；
[0010]S5，以最大化气隙磁感应强度B
s
、最小化线圈质量m
coil
和线圈热耗Q为优化目标，结合S3确定的优化方向，求解所述洛伦兹力作动器参数化模型，从而确定洛伦兹力作动器各参数的最优值。
[0011]进一步地，所述S1中，建立洛伦兹力作动器初始化模型时，应满足：
[0012]F＝2N
coil
B
s
Il≥K
F
I
[0013]式中：F、N
coil
、B
s
、I、l、K
F
分别对应为洛伦兹力、线圈匝数、气隙磁感应强度、线圈电流、每匝线圈有效长度、推力常数。
[0014]进一步地，所述S2中，通过在ANSYS中进行3D参数化仿真分析，解析洛伦兹力作动器中定子至磁场中心沿洛伦兹力方向的距离D1、定子至磁场中心沿磁场矢量方向的距离D2与气隙磁感应强度B
s
的关系，从而确定气隙磁感应强度B
s
最大化时，D1和D2的最优值。
[0015]进一步地，所述S3中，提出如下公式解析永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
和气隙长度s与气隙磁感应强度B
s
的关系：
[0016][0017]式中：B
r
为永磁材料剩磁；K为考虑磁轭对磁路产生的增强效果情况下，永磁体等效增厚系数。
[0018]进一步地，所述S3中，在满足洛伦兹力作动器几何尺寸的边界条件下，永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
和气隙长度s的优化方向为：最大化永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
，最小化气隙长度s。
[0019]进一步地，所述S4包括：
[0020]S40，计算线圈的匝数N
coil
：
[0021][0022]式中：F、B
s
、I、l分别对应为洛伦兹力、气隙磁感应强度、线圈电流、每匝线圈有效长度；
[0023]S41，计算线圈的绕线层数L：
[0024][0025]式中：d2为作动器行程，c为线圈壳厚度，d
coil
为铜丝直径；
[0026]S42，计算线圈每层匝数T：
[0027][0028]S43，计算每匝线圈的长度l
ij
：
[0029][0030]式中：l
ij
表示第i层第j匝线圈长度，其中i＝1,2,
…
L，j＝1,2,
…
T；p、q分别是线圈空心长、宽尺寸；
[0031]S44，计算单层线圈总长度l
total
：
[0032]l
total
＝l
i1
+l
i2
+l
i3
…
l
iT
＝2T[p+q+4d
coil
+2d
coil
(T
‑
1)][0033]式中：l
total
是第i层线圈总长度，其中i＝1,2,
…
L；
[0034]S45，计算线圈体积V
coil
：
[0035][0036]S46，计算线圈质量m
coil
：
[0037]m
coil
＝ρη
pack
V
coil
[0038]式中：ρ为铜线密度，η
pack
为铜填充率；
[0039]S47，计算线圈热耗Q：
[0040][0041]式中：R为线圈电阻，S为铜线截面积，ρ
r
为铜线电阻率；
[0042]S48，设定洛伦兹力作动器几何尺寸的边界条件一：
[0043][0044]式中：t
coil
为线圈厚度；w
c本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种洛伦兹力作动器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取洛伦兹力作动器的设计指标，并建立洛伦兹力作动器初始化模型；S2，基于所述洛伦兹力作动器初始化模型，通过仿真确定气隙磁感应强度B
s
最大化时，洛伦兹力作动器中定子至磁场中心沿洛伦兹力方向的距离D1和定子至磁场中心沿磁场矢量方向的距离D2的最优值；S3，解析永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
和气隙长度s与气隙磁感应强度B
s
的关系，以确定气隙磁感应强度B
s
最大化时，永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
和气隙长度s的优化方向；S4，构建洛伦兹力作动器参数化模型，所述洛伦兹力作动器参数化模型包括线圈质量m
coil
和线圈热耗Q的表达式，以及洛伦兹力作动器几何尺寸的边界条件；S5，以最大化气隙磁感应强度B
s
、最小化线圈质量m
coil
和线圈热耗Q为优化目标，结合S3确定的优化方向，求解所述洛伦兹力作动器参数化模型，从而确定洛伦兹力作动器各参数的最优值。2.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力作动器的设计方法，其特征在于，所述S1中，建立洛伦兹力作动器初始化模型时，应满足：F＝2N
coil
B
s
Il≥K
F
I式中：F、N
coil
、B
s
、I、l、K
F
分别对应为洛伦兹力、线圈匝数、气隙磁感应强度、线圈电流、每匝线圈有效长度、推力常数。3.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力作动器的设计方法，其特征在于，所述S2中，通过在ANSYS中进行3D参数化仿真分析，解析洛伦兹力作动器中定子至磁场中心沿洛伦兹力方向的距离D1、定子至磁场中心沿磁场矢量方向的距离D2与气隙磁感应强度B
s
的关系，从而确定气隙磁感应强度B
s
最大化时，D1和D2的最优值。4.根据权利要求1所述的一种洛伦兹力作动器的设计方法，其特征在于，所述S3中，提出如下公式解析永磁体长度l
m
、宽度w
m
、厚度t
m
和气隙长度s与气隙磁感应强度B
s
的关系：式中：B
r
为永磁材料剩磁；K为考虑磁轭对磁路产生的增强效果情况下，永磁体等效增厚系数。5.根据权利要求4所述的一种洛伦兹力作动器的设计方法，其特征在于，所述S3中，在满足洛伦兹力作动...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小清，袁忠湘，张争光，刘凯，孙淑媛，朱磊，陈学东，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：