CN108875278A - 洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法 - Google Patents

洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，该方法以大偏转刚度和小干扰力矩为出发点，以气隙磁密、气隙磁密变化量、线圈槽满率、铜耗、涡流损耗和磁通作用损耗为约束条件进行结构设计，与现有的基于磁轴承各项结构参数单独优化方法相比，更有利于永磁体深度优化，使得洛伦兹力磁悬浮轴承性能更加合理，具有气隙磁密大、气隙磁密均匀性好的优点，其设计思想可用于各类洛伦兹力磁轴承的设计。

Description

洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮轴承，特别涉及一种磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等惯性执行机构用洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法。
背景技术
磁悬浮轴承消除了机械轴承的摩擦磨损，不直接接触，无摩擦，寿命长，且具有主动振动控制和振动抑制的功能，是航天器惯性执行机构的理想支承方式。根据磁力产生的方式不同，磁悬浮轴承可分为磁阻力轴承和洛伦兹力磁轴承。洛伦兹力磁轴承产生的悬浮力与控制电流成线性关系，控制精度高，能够实现更高精度的悬浮支承。
洛伦兹力磁轴承产生的悬浮力是磁密、线圈有效长度和线圈电流三者的乘积，悬浮电流刚度为磁密与线圈有效长度的乘积。由于线圈有效长度为恒值，在精确电流控制的前提下，磁密大小和均匀性决定了洛伦兹力磁轴承的悬浮刚度和悬浮精度。现有研究都是基于磁路拓扑结构，提升洛伦兹力磁轴承磁密大小和均匀性。
授权专利201110253688.0所述的一种大力矩磁悬浮飞轮，利用洛伦兹力磁轴承控制转子径向两自由度偏转。该洛伦兹力磁轴承采用磁钢外置的显式方案，磁钢半径较大，需多块磁钢拼接而成，拼接缝隙会引起磁密较大波动，降低了气隙磁密均匀性。
授权专利201610597382.X提出了一种双永磁体隐式洛伦兹力偏转磁轴承，将磁钢内嵌于导磁环内部，消除了磁钢拼接缝隙引起的气隙磁密波动。
申请专利201710220596.X提出了一种隐式洛伦兹力磁轴承，采用多圈磁钢内置方案，增大了气隙磁场强度，但轴向尺寸成倍增加，增加了制造难度和成本。
申请专利201710714341.9提出一种双磁路隐式洛伦兹力偏转磁轴承，采用内外双磁钢加上下顺磁环结构，外内磁钢形成的双磁通回路并在气隙处叠加，增强了气隙磁密。上下顺磁环减少磁路边缘漏磁，提高了气隙磁密均匀性。
上述方案通过改变磁路拓扑结构，优化了磁路构型，改善气隙磁密大小和均匀性，但未实现磁轴承性能综合最优。磁轴承结构参数对气隙磁密大小和均匀性影响明显，具体如下：
(1)线圈槽满率η越高，单位体积内缠绕线圈匝数越多，偏转刚度越高，但线圈缠绕工艺要求越高，加工难度越大。
(2)永磁体结构形状与尺寸决定了磁路磁力线分布，以及气隙磁密大小和磁密均匀性，进而影响磁轴承偏转刚度和力矩精度。
(3)变化的高速旋转永磁磁场，在控制线圈内产生感应涡流，在产生涡流损耗的同时，产生一定的偏转干扰力矩。
(4)永磁体产生的高速旋转永磁磁通会与通电线圈产生的动态电磁磁通相互作用，产生损耗和偏转干扰力矩。线圈匝数和气隙磁密均对两种磁通大小及其作用效应有较大影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，该方法基于洛伦兹力偏转磁轴承偏转刚度和干扰力矩的综合性能，利用有限元软件ANSYS分别建立磁轴承静态磁场参数化模型、额定转速下永磁磁场动态涡流效应参数化模型和额定转速下永磁磁通与电磁磁通相互作用参数化模型，并将三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，经多步计算后得到磁轴承最大偏转刚度Klmax和最小干扰力矩Mimin。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，克服了现有洛伦兹力偏转磁轴承以永磁体各项结构参数为单一优化目标的缺陷，提出了以大偏转刚度和小干扰力矩为出发点的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，提高了设计精度、节省了设计时间、提高了设计效率，其设计思想可作为各类洛伦兹力磁轴承的设计。
附图说明
图1为本发明实施例针对的洛伦兹力偏转磁轴承的X向剖视图；
图2为本发明实施例针对的洛伦兹力偏转磁轴承的Y向剖视图；
图3为本发明实施例针对的洛伦兹力偏转磁轴承结构设计参数示意图；
图4为本发明实施例的设计流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其较佳的具体实施方式是：
该方法基于洛伦兹力偏转磁轴承偏转刚度和干扰力矩的综合性能，利用有限元软件ANSYS分别建立磁轴承静态磁场参数化模型、额定转速下永磁磁场动态涡流效应参数化模型和额定转速下永磁磁通与电磁磁通相互作用参数化模型，并将三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，经多步计算后得到磁轴承最大偏转刚度Klmax和最小干扰力矩Mimin。
其具体步骤如下：
(1)设定设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp的初始值。
(2)利用有限元软件ANSYS建立磁轴承静态磁场有限元模型，并保存静态磁场模型APDL命令流文本文件s.txt，计算并将气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc和偏转刚度Kl，输出至静态磁场计算结果文本文件response_s.txt。
(3)利用有限元软件ANSYS建立转速为5000r/min时磁轴承永磁磁场动态涡流效应有限元模型，并保存永磁磁场动态涡流效应模型APDL命令流文本文件e.txt，计算并将涡流损耗Pe和涡流干扰力矩Me，输出至永磁磁场动态涡流效应计算结果文本文件response_e.txt。
(4)利用有限元软件ANSYS建立转速为5000r/min时磁轴承永磁磁通与电磁磁通相互作用有限元模型，并保存永磁磁通与电磁磁通相互作用模型APDL命令流文本文件m.txt，计算并将磁通作用损耗Pm和磁通作用干扰力矩Mm，输出至永磁磁通与电磁磁通相互作用计算结果文本文件response_m.txt。
(5)将文本文件s.txt、response_s.txt、e.txt、response_e.txt、m.txt和response_m.txt导入优化集成软件中，并设定设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp的取值范围，同时设定约束变量气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc、涡流损耗Pe和磁通作用损耗Pm的约束范围。
(6)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s.txt、e.txt和m.txt导入ANSYS软件对磁轴承进行静态磁场、永磁磁场动态涡流效应和永磁磁通与电磁磁通相互作用计算，同时输出其对应的文本文件response_s.txt、response_e.txt和
response_m.txt。
(7)判断优化过程是否收敛。
(8)若优化不收敛，根据搜索方向和迭代步长，改变设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp，并转到步骤(2)。
(9)若优化收敛，输出磁轴承最大偏转刚度Klmax和最小干扰力矩Mimin。
所述干扰力矩Mi为涡流干扰力矩Me与磁通作用干扰力矩Mm的矢量和。
所述的优化集成软件为多学科优化设计软件iSIGHT，所述的优化算法为序列二次优化算法或遗传算法等二阶可导优化算法。
所述的气隙磁密B≥0.5T。
所述的气隙磁密变化量ΔB≤0.01T。
所述的线圈槽满率η≤60％。
所述的铜耗Pc≤10W。
所述的涡流损耗Pe≤3W。
所述的磁通作用损耗Pm≤1W。
本发明的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，克服了现有洛伦兹力偏转磁轴承以永磁体各项结构参数为单一优化目标的缺陷，提出了以大偏转刚度和小干扰力矩为出发点的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法。
本发明的原理是：
利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元软件ANSYS对洛伦兹力偏转磁轴承进行优化设计，以洛伦兹力偏转磁轴承偏转刚度和干扰力矩综合最优为优化目标，以气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc、涡流损耗Pe和磁通作用损耗Pm为约束条件，针对磁轴承结构设计变量采用二阶可导优化算法，对洛伦兹力偏转磁轴承进行结构优化设计。
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。
设计变量：取洛伦兹力偏转磁轴承约束变量灵敏度较高的结构参数作为设计变量，具体包括主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp。设计变量X写成向量形式如下，
X＝(lm，tm，αm，la，ta，αa，αp) (1)
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，
约束变量：包括气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc、涡流损耗Pe和磁通作用损耗Pm。约束变量G写成向量形式如下，
G＝(B，ΔB，η，Pc，Pe，Pm)(3)
约束变量范围：主要从静态磁场、动态涡流效应和动态磁通相互作用方面考虑。
(1)洛伦兹力磁轴承的气隙磁密B越大，偏转刚度越高，悬浮转子的控制动态响应能力越强，要求气隙磁密不小于0.5T。
(2)气隙磁密变化量ΔB越小，控制精度越高，要求气隙磁密变化量ΔB不大于0.01T。
(3)线圈槽满率η越大，绕线难度越大，根据绕线工程实际情况，要求线圈槽满率η不高于60％。
(4)通电线圈会产生热量，铜耗越大，系统温升越高，不利于系统长期稳定工作，要求铜耗不高于10W。
(5)由于气隙磁密存在一定的变化量，高速旋转时，会在线圈表面产生涡流，增加了线圈表面热量的产生，影响系统温升，要求涡流损耗Pe不高于3W。
(6)永磁体产生的高速旋转永磁磁通会与通电线圈产生的动态电磁磁通相互作用，产生损耗，亦会影响系统温升，要求磁通作用损耗Pm不高于1W。约束变量范围的数学表示如下，
目标函数：以洛伦兹力偏转磁轴承的偏转刚度和干扰力矩综合最优为优化目标，写成函数形式如下，
εKK+εMM＝f(lm，tm，αm，la，ta，αa，αp) (5)
其中K和M为偏转刚度和干扰力矩，εK和εM分别表示偏转刚度K和干扰力矩M的比例系数。设置设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp，并将其对应的静态磁场参数化模型、动态涡流效应参数化模型和永磁磁通与电磁磁通相互作用参数化模型导入多学科优化软件iSIGHT，并设置好连续设计变量的可行域、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，得到磁轴承最大偏转刚度Klmax和最小干扰力矩Mimin。
至此，该洛伦兹力偏转磁轴承设计完毕。
本发明与现有设计方法相比的优点在于：
(1)本发明在全域范围内同时对永磁体各项结构参数进行设计，与现有的永磁体各项结构参数单独设计方法相比，更有利于永磁体进一步优化，使得洛伦兹力磁悬浮轴承控制性能更加合理。(2)考虑永磁磁场动态涡流效应，将不均匀气隙磁密在绕组表面产生的涡流损耗作为约束条件进行优化。(3)考虑控制电流产生的动态电磁磁通与永磁体产生的高速旋转永磁磁通相互作用下，产生的磁通作用损耗和作用干扰力矩。(4)利用多学科优化软件iSIGHT集成有限元软件ANSYS，对洛伦兹力偏转磁轴承进行优化设计，节省了设计时间，提高了设计效率。
具体实施例：
本发明的设计对象为洛伦兹力偏转磁轴承，图1为本发明针对的洛伦兹力偏转磁轴承的X向剖视图，图2为本发明针对的洛伦兹力偏转磁轴承的Y向剖视图，图3为本发明针对的洛伦兹力偏转磁轴承结构设计参数示意图。图1中1为外安装套，2为外主磁钢，3为外辅磁钢，4A为外上顺磁环，4B为外下顺磁环，5A为外上挡环，5B为外下挡环，6为外挡环锁母，7为转盘，8为外组件锁母，9为内安装套，10为内主磁钢，11为内辅磁钢，12A为内上顺磁环，12B为内下顺磁环，13A为内上挡环，13B为内下挡环，14为内挡环锁母，15为内组件锁母，16为定子骨架，17为铝基板，18A为左绕组，18B为右绕组，18C为前绕组，18D为后绕组，19为环氧树脂胶。
本发明方法，以洛伦兹力偏转磁轴承偏转刚度和干扰力矩综合最优为优化目标，其设计流程图如图4所示，具体设计步骤如下：
(1)设定设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp的初始值。
(2)利用有限元软件ANSYS建立磁轴承静态磁场有限元模型，并保存静态磁场模型APDL命令流文本文件s.txt，计算并将气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc和偏转刚度Kl，输出至静态磁场计算结果文本文件response_s.txt。
(3)利用有限元软件ANSYS建立转速为5000r/min时磁轴承永磁磁场动态涡流效应有限元模型，并保存永磁磁场动态涡流效应模型APDL命令流文本文件e.txt，计算并将涡流损耗Pe和涡流干扰力矩Me，输出至永磁磁场动态涡流效应计算结果文本文件response_e.txt。
(4)利用有限元软件ANSYS建立转速为5000r/min时磁轴承永磁磁通与电磁磁通相互作用有限元模型，并保存永磁磁通与电磁磁通相互作用模型APDL命令流文本文件m.txt，计算并将磁通作用损耗Pm和磁通作用干扰力矩Mm，输出至永磁磁通与电磁磁通相互作用计算结果文本文件response_m.txt。
(5)将文本文件s.txt、response_s.txt、e.txt、response_e.txt、m.txt和response_m.txt导入优化集成软件中，并设定设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp的取值范围，同时设定约束变量气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc、涡流损耗Pe和磁通作用损耗Pm的约束范围。
(6)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s.txt、e.txt和m.txt导入ANSYS软件对磁轴承进行静态磁场、永磁磁场动态涡流效应和永磁磁通与电磁磁通相互作用计算，同时输出其对应的文本文件response_s.txt、response_e.txt和response_m.txt。
(7)判断优化过程是否收敛。
(8)若优化不收敛，根据搜索方向和迭代步长，改变设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp，并转到步骤(2)。
(9)若优化收敛，输出磁轴承最大偏转刚度Klmax和最小干扰力矩Mimin。至此，该磁悬浮飞轮转子设计完毕。
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。

Claims (10)

1.一种洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于，该方法基于洛伦兹力偏转磁轴承偏转刚度和干扰力矩的综合性能，利用有限元软件ANSYS分别建立磁轴承静态磁场参数化模型、额定转速下永磁磁场动态涡流效应参数化模型和额定转速下永磁磁通与电磁磁通相互作用参数化模型，并将三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，经多步计算后得到磁轴承最大偏转刚度Klmax和最小干扰力矩Mimin。
2.根据权利要求1所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)设定设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp的初始值；
(2)利用有限元软件ANSYS建立磁轴承静态磁场有限元模型，并保存静态磁场模型APDL命令流文本文件s.txt，计算并将气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc和偏转刚度Kl，输出至静态磁场计算结果文本文件response_s.txt；
(3)利用有限元软件ANSYS建立转速为5000r/min时磁轴承永磁磁场动态涡流效应有限元模型，并保存永磁磁场动态涡流效应模型APDL命令流文本文件e.txt，计算并将涡流损耗Pe和涡流干扰力矩Me，输出至永磁磁场动态涡流效应计算结果文本文件response_e.txt；
(4)利用有限元软件ANSYS建立转速为5000r/min时磁轴承永磁磁通与电磁磁通相互作用有限元模型，并保存永磁磁通与电磁磁通相互作用模型APDL命令流文本文件m.txt，计算并将磁通作用损耗Pm和磁通作用干扰力矩Mm，输出至永磁磁通与电磁磁通相互作用计算结果文本文件response_m.txt；
(5)将文本文件s.txt、response_s.txt、e.txt、response_e.txt、m.txt和response_m.txt导入优化集成软件中，并设定设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp的取值范围，同时设定约束变量气隙磁密B、气隙磁密变化量ΔB、线圈槽满率η、铜耗Pc、涡流损耗Pe和磁通作用损耗Pm的约束范围；
(6)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s.txt、e.txt和m.txt导入ANSYS软件对磁轴承进行静态磁场、永磁磁场动态涡流效应和永磁磁通与电磁磁通相互作用计算，同时输出其对应的文本文件response_s.txt、response_e.txt和response_m.txt；
(7)判断优化过程是否收敛；
(8)若优化不收敛，根据搜索方向和迭代步长，改变设计变量主梯形磁钢短边长度lm、主梯形磁钢厚度tm、主梯形磁钢底角αm、辅梯形磁钢短边长度la、辅梯形磁钢厚度ta、辅梯形磁钢底角αa、顺磁环顶角αp，并转到步骤(2)；
(9)若优化收敛，输出磁轴承最大偏转刚度Klmax和最小干扰力矩Mimin。
3.根据权利要求2所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述干扰力矩Mi为涡流干扰力矩Me与磁通作用干扰力矩Mm的矢量和。
4.根据权利要求2所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的优化集成软件为多学科优化设计软件iSIGHT，所述的优化算法为序列二次优化算法或遗传算法等二阶可导优化算法。
5.根据权利要求2所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的气隙磁密B≥0.5T。
6.根据权利要求1所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的气隙磁密变化量ΔB≤0.01T。
7.根据权利要求2所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的线圈槽满率η≤60％。
8.根据权利要求2所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的铜耗Pc≤10W。
9.根据权利要求2所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的涡流损耗Pe≤3W。
10.根据权利要求2所述的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法，其特征在于：所述的磁通作用损耗Pm≤1W。
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