CN110989395A - 一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁悬浮驱动永磁织针的动态仿真技术领域，公开了一种电磁‑永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法，根据几何特性进行励磁线圈的参数设计；根据磁场仿真磁感应强度，建立励磁线圈—永磁耦合磁场计算模型；建立励磁线圈—永磁织针耦合磁场参数变化模型，设置耦合磁场仿真模型的优化目标和优化方法；从仿真结果中根据优化目标确认控制参数，建立磁场控制永磁织针三工位工作模式，形成工作程序。本发明具有参数设置、结果输出、功能选择、特性分析模块，同时将磁场仿真技术和磁悬浮织针控制模块引入该平台，对织针编织轨迹施加不同的控制方案，组建综合控制系统，大幅提高磁悬浮织针编织效率和稳定性。

Description

一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明属于磁悬浮驱动永磁织针的动态仿真技术领域，尤其涉及一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：电磁—永磁耦合驱动的织针在工位编织过程中存在着电、磁、热、力等非线性耦合关系，这些非线性耦合因子随时间、工位的变化而实时改变，是一种复杂的非线性运动过程。

传统电磁场分析大都以静态设计、近似计算、经验参数为主，主要依赖于Ansys、Adams等大型软件，计算复杂，可视化效果一般，且只能对常规工况做理论分析，无法为特定场景进行专业定制，无法显示专业客户所需要的织针实时工位编织情况。同时，Ansys计算种类繁多，结构各异，无法为计算机控制软件进行二次开发。

从磁悬浮技术的应用领域来看，磁悬浮技术的主要应用形式有三种：利用永磁体、超导电磁、常导电磁做为电磁装置。绝大部分都是采用导磁体铁及其合金作为被悬浮物体，而利用电磁—永磁悬浮之间的电磁吸引力和斥力来实现悬浮的方式较少，导致无法实时高速控制悬浮物体，无法对悬浮运动物体进行反馈和校正。因此，在分析电磁—永磁悬浮理论就必须从最基本的电磁耦合驱动理论入手，建立此种模式的耦合磁场及电磁力计算模型。

综上所述，现有针织圆机编织技术存在的问题是：

(1)传统织针由于机械传动模式，编织速度、效率以及编织精密程度等受到限制，没有采用新型电磁—永磁耦合驱动织针及结构，也没有结合针织装备提花工艺，造成不能实现“非接触式零损耗”的织针编织。

同时现有技术没有将磁场仿真技术和磁悬浮织针控制模块引入该平台，对织针编织轨迹施加不同的控制方案，组建综合控制系统，造成磁悬浮织针编织效率低和稳定性差。

同时现有技术没有将磁场仿真技术和磁悬浮织针控制模块引入驱动平台，对织针编织轨迹施加不同的控制方案，组建综合控制系统，造成磁悬浮织针编织效率低和稳定性差。

(2)传统纺织装备效率低、能耗高、环境污染严重，本专利技术采用新的磁悬浮驱动织针理论及选针控制方法，设计了全新的编织模式和装备架构，大幅度降低系统能耗，实现针织装备的精密、高速、高效及关键器件灵活配置技术。

(3)解决上述技术问题的难度在于：需要结合悬浮驱动织针运动轨迹(三工位：成圈、集圈和浮线)工艺原理，建立电磁—永磁驱动织针的“三工位”模型，通过改变电磁装置中加载电流的大小、方向、波形等模型数据及控制算法，改变织针轴向上升的高度和运动的速度，加载连续的驱动相关参数实现织针连续提花编织，实现织针的全程可控。同时还需考虑电磁场耦合、线圈发热等干扰因素对织针沿轴向悬浮的影响。

基于磁悬浮技术解决上述技术问题，其意义在于：将电磁—永磁耦合驱动理论与技术应用于针织装备，以可控的电磁驱动模式控制织针进行编织，从基本原理上提高针织机械的编织效率与性能指标。基于电磁—永磁耦合驱动织针磁场仿真平台的设计，整个“三工位”编织过程可全程控制，其成果也适用电脑提针提花大圆机、多功能电脑横机、电脑袜机、电脑调线圆纬机等针织机械核心控制器，具有十分重要的理论与产业化应用前景。

发明内容

针对现有仿真和控制技术中存在的问题，本发明提供了一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法。该方法采用各种电磁场求解算法求解励磁线圈与永磁织针的耦合磁场问题，为永磁织针的“三工位”工作模式提供理论依据，简化了建模和仿真流程，提高了永磁织针的工作效率和稳定性。

本发明是这样实现的，一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法，包括以下步骤：

步骤一，根据几何特性进行励磁线圈的参数设计；

步骤二，根据磁场仿真磁感应强度，建立励磁线圈—永磁耦合磁场计算模型；

步骤三，建立励磁线圈—永磁织针耦合磁场参数变化模型，设置耦合磁场仿真模型的优化目标和优化方法；

步骤四，从仿真结果中根据优化目标确认控制参数，建立磁场控制永磁织针三工位工作模式，形成工作程序。

进一步，步骤一励磁线圈的参数设计中，包括励磁线圈的线圈绕组、线圈内径、外径、线径、高度、匝数和通风结构的设计。

进一步，步骤二，根据磁场仿真磁感应强度，建立励磁线圈—永磁耦合磁场计算模型的方法包括：

(1)根据电磁线圈的结构及主要尺寸，建立静态三维瞬态磁场数学模型；

(2)根据永磁织针实际结构及实际尺寸，建立永磁织针磁化后的内禀磁场的三维磁场数学模型；

建立激励磁场的磁场数学模型；

(3)建立磁化后的内禀磁场数学模型：

永磁织针的内禀磁场B_内禀磁场＝μ₀(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，μ₀为真空磁导率。对于磁导率为μ，半径为l的圆柱形永磁织针，轴线处的电流为I，则：

同时：

对于钕铁硼材料的织针，磁化率χ_m为1.03；

(4)建立场路模型，与激励磁场形成相互作用，B＝B_激励磁场+B_内禀磁感，共同驱动永磁织针的三工位编织；根据激励输入电流的变化和阻抗分析，建立实际永磁织针驱动力学计算模型，计算时忽略线圈端部磁漏。

进一步，步骤三建立励磁线圈—永磁织针耦合磁场参数变化模型，设置耦合磁场仿真模型的优化目标和优化方法中，在解永磁织针动态力学方程时，采用静态磁场、耦合磁场方程以及执行织针的牛顿力学运动方程的联立求解；

具体包括：

计算初始状态电磁力，将该电磁力作为驱动载荷，通过动力学模型，计算得到下一个时刻的位移、速度、加速度运动参数；将得到的运动参数返回到动态过程中，再计算下一个时刻的磁场驱动；

通过反复迭代交互，得到整个永磁织针动态过程。

进一步，迭代交互的方法具体包括：

设置磁悬浮织针初始位置，永磁织针受到的励磁线圈电流的驱动，即将开始触发工位编织，根据磁链、电流参数，计算当前时刻电磁力，并将该电磁力和加速度作为载荷加载到永磁织针三工位运动模型中，计算得到下一单元时刻的位移、速度、加速度运动参数；

判断结束的标志是永磁织针是否到达最高编织工位形成编织动作，若未结束，则将运动参数返回电磁力和场计算模型中，通过反复迭代交互，得到永磁织针三工位运动过程。

进一步，步骤四从仿真结果中根据优化目标确认控制参数，建立磁场控制永磁织针三工位工作模式，形成工作程序中，具体包括：

1)通过电磁力和场计算模型计算磁链、电流、励磁线圈内径、外径、线径参数，计算励磁线圈磁场分布强度，提取永磁织针在任意工位的位移、速度、加速度参数，对编织工位及场强信号进行仿真分析；

2)获取永磁织针在任意工位的位移、速度、加速度参数后，查询设定磁场参数及磁感应强度，获得当前最优驱动参数

3)基于当前最优驱动参数，三工位驱动控制模块给出驱动电流大小、脉冲频率、启停加减速时刻控制指令，对励磁线圈进行激励，驱动织针实现三工位的编织；

并通过传感器定时检测工位编织效果，若完成编织效果良好，则继续后续工作；否则，三工位驱动控制模块重新选择当前最优驱动参数，给出控制指令，进行三工位的重新设计。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统，所述电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统包括磁场仿真分析模块、耦合磁场计算模块和三工位驱动控制模块；

所述磁场仿真分析模块，用于建立包括电磁—永磁耦合系统的磁场模型；

耦合磁场计算模块，用于对励磁线圈结构参数、励磁线圈材料参数进行设置，电流激励条件下的励磁线圈静态磁场计算、计算耦合磁场下钕铁硼材料的永磁织针内禀磁场强度，运动过程中场域分布变化以及对永磁织针的结构参数、材料参数、运动参数进行优化；

三工位织针控制模块，用于控制织针的运动特性和性能参数，对耦合磁场进行分析及优化，建立最优驱动控制织针参数及模型，对织针三工位编织高度、频率、稳定性、精密性进行控制，对工作寿命进行预测；反向分析励磁线圈静态磁场，对永磁织针的实际结构及实际尺寸进行优化；

还用于驱动永磁织针进行三工位编织工作，同时识别所述三工位位置信息，根据位置信息获得永磁织针的位置，根据位置信息控制永磁织针输出电流的大小、频率、启停电流占空比，并进一步优化励磁线圈的结构参数；通过工位信息查询预设数据库，若在指定时间检测到低电平，则表示永磁织针到达正常工位，工作正常；若在指定时间检测到高电平，则表示永磁织针未到达正常工位，工作不正常，需要校正和重新设置工作模式，激励线圈结构、材料参数，励磁线圈电流大小、频率需要优化，从而获得永磁织针的整体编织效果；

若永磁织针工作未在指定时间到达指定工位，则发出控制指令，调整激励电流大小、频率及启停时刻占空比，校正工位；同时与预设工位数据进行差值比较，对永磁织针的结构参数、材料参数进行复核，重新计算励磁线圈激励电流的加速起始时刻和减速停止占空比，优化工位编织工作。

进一步，所述耦合磁场计算模块包括多层多匝励磁线圈的静态计算模块、多层多匝励磁线圈的动态计算模块；

多层多匝励磁线圈的静态计算模块用于整个织针中磁场静态计算；

多层多匝励磁线圈的动态计算模块，用于计算整个织针运动过程中参量的变化以及场域分布的动态，并进行励磁线圈绕制寻优；

所述多层多匝励磁线圈的静态计算模块、多层多匝励磁线圈的动态计算模块通过多层多匝励磁线圈的静态计算模块所属的静态计算模型，以及多层多匝励磁线圈的动态计算模块的动态驱动织针模型和优化设计模型均连接至磁场仿真分析模块；

所述磁场仿真分析模块包括：参数设置模块、结果输出模块、特性分析模块和功能选择模块；

所述参数设置模块对励磁线圈结构参数、材料参数、激励参数和优化参数进行设置；

所述结果输出模块用于输出永磁织针工位运动特性和性能参数；

所述特性分析模块用于分析影响永磁织针编织的参数和稳定性分析；

所述功能选择模块用于对磁场静态计算、永磁织针动态特性以及优化设计进行选择；

所述三工位织针控制模块包含LED光电检测模块、光电接收转换器及控制器；

LED光电检测模块用于发送和接收光信号，将接收到的检测信号通过光电接收转换器转换成电信号发送给所述控制器；

所述光电接收转换器还用于在永磁织针编织过程中，检测织针是否在指定时间到达工位，若到达，则转换成低电平电信号发送给所述控制器，若未到达，则将高电平电信号发送给所述控制器。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法的磁悬浮式驱动织针装置，所述磁悬浮式驱动织针装置利用电磁－永磁耦合驱动模式，利用电磁永磁理论，通过电磁装置与永磁体产生吸引力和排斥力控制织针径向往复运动；通过改变电磁装置中加载电流的大小、方向、方式参数，改变织针的受力大小与方向，控制上升高度和运动速度，实现成圈、集圈和浮线的三工位编织。

进一步，电磁装置包括：

多层绕制的励磁线圈，作为驱动器件；

驱动永磁结构的永磁织针；

设置在工位位置的传感器，接受永磁织针是否到达指定位置的信号；

控制器，用于给出驱动电流大小、脉冲频率、启停关断占空比信号，驱动永磁织针进行编织运动，同时开始定时检测传感器的反馈信号，识别织针当前三工位工作运行状态。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提供的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法，包括完整的系统仿真模型、软件控制模块、并根据数据参数进行电磁线圈模型优化、及电磁场模拟算法选择。生成仿真设置、仿真运算模块。根据仿真设置及励磁线圈绕组、匝数、外径、内径、线径等参数提取磁场模型。对仿真软件进行电流信号激励，生成仿真磁场模拟数据，优化磁场模型，对模拟数据进行分析，提取经过信号激励的磁场参数特征并控制织针“三工位”工作；其中软件控制模块对磁悬浮织针进行“三工位”运动控制。其中图6是本发明提供的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统应用效果。

本发明的优点进一步包括：

本发明针对电磁—永磁耦合的磁悬浮织针开发综合的成圈—集圈—浮线的“三工位”动态编织仿真平台。在平台中，通过对磁场系统、驱动机构、控制机构建立计算模型，形成完整的永磁织针三工位运动控制模型，构建电磁场、力场的耦合场域模型，分布对静态磁场、动态织针工作和控制设计模块进行开发，根据实际需求构建励磁线圈模型、磁场场强、控制织针“三工位”运动。该平台具有参数设置、结果输出、功能选择、特性分析模块，同时将磁场仿真技术和磁悬浮织针控制模块引入该平台，对织针编织轨迹施加不同的控制方案，组建综合控制系统，大幅提高磁悬浮织针编织效率和稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的单织针悬浮装置结构图。

图2是本发明实施例提供的励磁线圈空间三维磁场示意图。

图中：(a)励磁线圈和永磁织针之间的结构关系图；(b)单层单匝电磁线圈形成的磁场在空间磁感应强度示意。

图3是本发明实施例提供的永磁织针磁化示意图。

图4是本发明实施例提供的永磁织针动力学计算流程图。

图5是本发明实施例提供的不同励磁线圈材料、结构下的激励磁场分布图。

图中：(a)励磁线圈内径为4mm，外径为7.5mm，高度为12mm，激励电流为400毫安生成的磁感应强度；(b)励磁线圈内径为4mm，外径为10mm，高度为8mm，激励电流为400毫安生成的磁感应强度；(c)励磁线圈内径为4mm，外径为8mm，高度为8mm，激励电流为605毫安生成的磁感应强度。

图6是本发明实施例提供的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统应用效果图。

图中：a、应用场景一；b、应用场景二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统织针由于机械传动模式，编织速度、效率以及编织精密程度等受到限制，没有采用新型电磁—永磁耦合驱动织针及结构，也没有结合针织装备提花工艺，造成不能实现“非接触式零损耗”的织针编织。

同时现有技术没有将磁场仿真技术和磁悬浮织针控制模块引入该平台，对织针编织轨迹施加不同的控制方案，组建综合控制系统，造成磁悬浮织针编织效率低和稳定性差。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统及仿真方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的磁悬浮式驱动织针装置是利用电磁－永磁耦合驱动模式，利用电磁永磁理论，通过电磁装置与永磁体产生吸引力和排斥力控制织针径向往复运动，如图1所示。通过改变电磁装置中加载电流的大小、方向、方式等参数，改变织针的受力大小与方向，控制其上升高度和运动速度。实现成圈、集圈和浮线的“三工位”编织。

其中，电磁装置包括：

多层绕制的励磁线圈，作为驱动器件。

驱动永磁结构的永磁织针。

设置在工位位置的传感器，接受永磁织针是否到达指定位置的信号。

控制器，用于给出驱动电流大小、脉冲频率、启停关断占空比信号，驱动永磁织针进行编织运动，同时开始定时检测传感器的反馈信号，识别织针当前三工位工作运行状态。

如图2(a)所示为励磁线圈和永磁织针之间的结构关系图，其中：圆心O为电磁线圈的磁场中心，r₁为电磁线圈内径，r₂为电磁线圈外径，h为励磁线圈高度。电磁体作为驱动器件，驱动基于永磁体结构的织针，织针在电磁力驱动下，进行织针轨迹的上下位移运动，实现“三工位”的编织过程，图2(b)为电磁线圈在轴向空间P点产生的磁感强度示意。

励磁线圈与永磁织针均为圆柱形，竖直方向轴线重合。励磁线圈中的电流大小为I，将电流等效为侧面均匀分布的电流。设定励磁线圈驱动电流的大小，将电流等效为侧面均匀分布的电流。

电流元在轴线P点上产生的磁感应强度dB为：

在x轴方向找到dl关于x轴对称的一个电流元Idl，由对称性可知，在P点产生的dB在竖直方向大小相等方向相同，水平x方向大小相等方向相反，相互抵消：

对于单匝线圈，P点处的磁感强度为：

这里，μ₀为真空磁导率。

在本发明实施例中，对于单匝多层线圈，在磁场中心O处，x＝0，计算垂直方向中心磁感应强度：从x＝0处，线圈半径从内径r₁延伸到外径r₂，因此需要对多层线圈进行积分：

由于本发明使用的励磁线圈有内径和外径的区别，同时是多层绕制，因此需要对多层多匝的励磁线圈进行计算。用数值计算方法求解多层多匝励磁磁场积分的问题，将变步长多重积分计算方法引入到磁场数值计算中，对励磁线圈做二重积分，先积分电磁线圈内径至外径，再积分整个电磁线圈高度，得到总的电磁线圈在轴线P点产生的磁感强度。

在励磁线圈轴向上方空间的1mm处，励磁线圈磁感强度为：

在励磁线圈轴向上方空间的2mm处，励磁线圈磁感强度为：

在励磁线圈轴向上方空间的3mm处，励磁线圈磁感强度为：

............。

同时，激励磁场的作用下，永磁织针在励磁线圈的磁场中，产生磁化，生成内禀磁感应强度，在均匀磁介质表明出现磁化电流，与激励磁场形成相互作用，B＝B_激励磁场+B_内禀磁感，共同驱动永磁织针的“三工位”编织效果。需要计算耦合永磁织针内禀磁感应强度，试验采用汝铁硼作为磁介质，参数表如下：

表1永磁材料特性参数表

由本构方程，永磁织针的内禀磁场B_内禀磁场＝μ₀(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，μ₀为真空磁导率。

宏观上看，物质的磁化就是在外源磁场作用下，物质内部产生了等效的净磁距，因而产生了宏观的附加磁场，并叠加在外源磁场上，因此磁化强度：

即单位体积内分子磁矩的矢量和。

基于永磁材料中的安培环路定律可表示为：

式中I是自由电流，

的旋度源始自由电流密度。

对于磁导率为_μ，半径为l的圆柱形永磁织针，其轴线处的电流为I，则：

基于本构方程：

同时：

因此：

对于钕铁硼材料的织针来说，磁化率χ_m为1.03约等于1。

图3是本发明实施例提供的永磁织针磁化示意图。

下面结合电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统为一种非接触式永磁织针“三工位”磁悬浮编织全仿真应用平台，包括磁场仿真分析模块、耦合磁场计算模块和“三工位”驱动控制模块。

所述磁场仿真分析模块，用于建立包括电磁—永磁耦合系统的磁场模型。

耦合磁场计算模块，用于对励磁线圈结构参数、励磁线圈材料参数进行设置，电流激励条件下的励磁线圈静态磁场计算、计算耦合磁场下钕铁硼材料的永磁织针内禀磁场强度，运动过程中场域分布变化以及对永磁织针的结构参数、材料参数、运动参数进行优化。

三工位织针控制模块，用于控制织针的运动特性和性能参数，对耦合磁场进行分析及优化，建立最优驱动控制织针参数及模型，对织针三工位编织高度、频率、稳定性、精密性进行控制，对工作寿命进行预测；反向分析励磁线圈静态磁场，对永磁织针的实际结构及实际尺寸进行优化。

还用于驱动永磁织针进行三工位编织工作，同时识别所述三工位位置信息，根据位置信息获得永磁织针的位置，根据位置信息控制永磁织针输出电流的大小、频率、启停电流占空比，并进一步优化励磁线圈的结构参数；通过工位信息查询预设数据库，若在指定时间检测到低电平，则表示永磁织针到达正常工位，工作正常；若在指定时间检测到高电平，则表示永磁织针未到达正常工位，工作不正常，需要校正和重新设置工作模式，激励线圈结构、材料参数，励磁线圈电流大小、频率需要优化，从而获得永磁织针的整体编织效果。

若永磁织针工作未在指定时间到达指定工位，则发出控制指令，调整激励电流大小、频率及启停时刻占空比，校正工位；同时与预设工位数据进行差值比较，对永磁织针的结构参数、材料参数进行复核，重新计算励磁线圈激励电流的加速起始时刻和减速停止占空比，优化工位编织工作。

所述耦合磁场计算模块包括多层多匝励磁线圈的静态计算模块、多层多匝励磁线圈的动态计算模块。

多层多匝励磁线圈的静态计算模块用于整个织针中磁场静态计算。

多层多匝励磁线圈的动态计算模块，用于计算整个织针运动过程中参量的变化以及场域分布的动态，并进行励磁线圈绕制寻优。

所述多层多匝励磁线圈的静态计算模块、多层多匝励磁线圈的动态计算模块通过多层多匝励磁线圈的静态计算模块所属的静态计算模型，以及多层多匝励磁线圈的动态计算模块的动态驱动织针模型和优化设计模型均连接至磁场仿真分析模块。

所述磁场仿真分析模块包括：参数设置模块、结果输出模块、特性分析模块和功能选择模块。

所述参数设置模块对励磁线圈结构参数、材料参数、激励参数和优化参数进行设置。

所述结果输出模块用于输出永磁织针工位运动特性和性能参数。

所述特性分析模块用于分析影响永磁织针编织的参数和稳定性分析。

所述功能选择模块用于对磁场静态计算、永磁织针动态特性以及优化设计进行选择。

所述三工位织针控制模块包含LED光电检测模块、光电接收转换器及控制器。

LED光电检测模块用于发送和接收光信号，将接收到的检测信号通过光电接收转换器转换成电信号发送给所述控制器。

所述光电接收转换器还用于在永磁织针编织过程中，检测织针是否在指定时间到达工位，若到达，则转换成低电平电信号发送给所述控制器，若未到达，则将高电平电信号发送给所述控制器。

通过所述计算方法设计系统，建立包括磁场系统、磁力系统、驱动机构的永磁织针“三工位”运动模型。

所述三维运动模型通过耦合磁场计算模块包含的电磁场计算模块、力场计算模块的耦合计算，形成永磁织针的“三工位”运动编织模型。

所述“三工位”织针控制模块包括对多层多匝励磁线圈的静态计算模块、计算整个织针运动过程中参量的变化以及场域分布的动态计算和励磁线圈绕制进行寻优设计，通过所属的静态计算模型、动态驱动织针模型和优化设计模型连接至仿真平台。

所述仿真平台经选择励磁线圈的电流控制连接至电磁系统，所述仿真平台经磁场计算模块连接至仿真系统，所述仿真模块通过与织针“三工位”动态编织联合仿真，设计励磁线圈优化设计模块，通过所述智能励磁线圈优化设计模块给所述电磁系统供电。

所述仿真平台包括参数设置模块、结果输出模块、特性分析模块和功能选择模块。

所述参数设置模块对励磁线圈结构参数、材料参数、激励参数和优化参数进行设置。

所述结果输出模块用于输出永磁织针工位运动特性和性能参数。

所述特性分析模块用于分析影响永磁织针编织的参数和稳定性分析。

所述功能选择模块用于对磁场静态计算、永磁织针动态特性以及优化设计进行选择。

下面结合电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法包括：

步骤一，根据几何特性进行励磁线圈的参数设计。

步骤二，根据磁场仿真磁感应强度，建立励磁线圈—永磁耦合磁场计算模型。

步骤三，建立励磁线圈—永磁织针耦合磁场参数变化模型，设置耦合磁场仿真模型的优化目标和优化方法。

步骤四，从仿真结果中根据优化目标确认控制参数，建立磁场控制永磁织针三工位工作模式，形成工作程序。

步骤一励磁线圈的参数设计中，包括励磁线圈的线圈绕组、线圈内径、外径、线径、高度、匝数和通风结构的设计。

步骤二中，由于磁悬浮系统存在强烈的非线性，对于电流和驱动的关系，很难用明确的数学函数进行表达。传统方法一般采用有限元分析，但有限元计算时间长，耗用计算机内存，同时有限元软件不提供二次开发包，无法和本发明设计的仿真软件进行接口，因此需要自行探索耦合磁场计算方法，描述驱动过程磁场变化及永磁织针加速度、速度、工位的实时过程，分析编织效果。

其中，基于电磁—永磁耦合的场路耦合计算方法，包括：

(1)根据电磁线圈的结构及主要尺寸，建立静态三维瞬态磁场数学模型。

(2)根据永磁织针实际结构及实际尺寸，建立永磁织针磁化后的内禀磁场的三维磁场数学模型。

建立激励磁场的磁场数学模型，励磁线圈的结构包括：线圈绕组、线圈内径、外径、线径、高度、匝数和通风结构。

(3)建立磁化后的内禀磁场数学模型：

永磁织针的内禀磁场B_内禀磁场＝μ₀(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，μ₀为真空磁导率。对于磁导率为μ，半径为l的圆柱形永磁织针，其轴线处的电流为I，则：

同时：

因此：

对于钕铁硼材料的织针来说，磁化率χ_m为1.03约等于1。

(4)建立场路模型，与激励磁场形成相互作用，B＝B_激励磁场+B_内禀磁感，共同驱动永磁织针的“三工位”编织效果。根据激励输入电流的变化和阻抗分析，建立实际永磁织针驱动力学计算模型，计算时可忽略线圈端部磁漏。

步骤三中，在解永磁织针动态力学方程时，采用静态磁场、耦合磁场方程以及执行织针的牛顿力学运动方程的联立求解。

在解动态方程时，采用静态磁场、电路方程以及驱动织针力学方程的联立求解。实际过程暂不考虑气隙中扩散磁通以及漏磁，对电路方程以及驱动织针的“三工位”动力学模型进行迭代计算，充分发挥联立计算求解的特点。基于初始条件，采用磁路法计算励磁电流、磁链以及电磁驱动通过微分法求解对应的电流i与磁力F，提供永磁织针“三工位”动力学模型计算中。

计算流程中，为了求得良好的近似，需要将时间参数设置为时间微分单元，针对每一时间段进行小的永磁织针动态过程计算。首先计算初始状态电磁力，将该电磁力作为驱动载荷，通过动力学模型，计算得到下一个时刻的位移、速度、加速度等运动参数；将得到的运动参数返回到动态过程中，再计算下一个时刻的磁场驱动；通过反复迭代交互，得到整个永磁织针动态过程，迭代过程如图4所示。

具体包括：

首先设置磁悬浮织针初始位置，永磁织针受到的励磁线圈电流的驱动，即将开始触发工位编织，根据磁链、电流等参数，计算当前时刻电磁力，并将该电磁力和加速度作为载荷加载到永磁织针“三工位”运动模型中，计算得到下一单元时刻的位移、速度、加速度等运动参数。

判断结束的标志是永磁织针是否到达最高编织工位形成编织动作，若未结束，则将运动参数返回电磁力和场计算模型中，通过反复迭代交互，可得到永磁织针“三工位”运动过程；通过该模型可以计算磁链、电流、励磁线圈内径、外径、线径等参数，计算励磁线圈磁场分布强度，提取永磁织针在任意工位的位移、速度、加速度等参数，对编织工位及场强信号进行仿真分析。

在本发明实施中，通过电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统优化设定磁场参数，查询设定磁场参数及磁感应强度，获得当前最优驱动参数，基于驱动参数，“三工位”驱动控制模块给出控制指令，包括驱动电流大小、脉冲频率、启停加减速时刻，对励磁线圈进行激励，驱动织针实现“三工位”的编织效果，通过传感器定时检测工位编织效果，若完成编织效果良好，则继续后续工作。否则，三工位”驱动控制模块重新选择最优驱动参数，给出控制指令，进行“三工位”的重新设计。

步骤四中，具体包括：

1)通过电磁力和场计算模型计算磁链、电流、励磁线圈内径、外径、线径参数，计算励磁线圈磁场分布强度，提取永磁织针在任意工位的位移、速度、加速度参数，对编织工位及场强信号进行仿真分析。

2)获取永磁织针在任意工位的位移、速度、加速度参数后，查询设定磁场参数及磁感应强度，获得当前最优驱动参数。

3)基于当前最优驱动参数，三工位驱动控制模块给出驱动电流大小、脉冲频率、启停加减速时刻控制指令，对励磁线圈进行激励，驱动织针实现三工位的编织。

并通过传感器定时检测工位编织效果，若完成编织效果良好，则继续后续工作；否则，三工位驱动控制模块重新选择当前最优驱动参数，给出控制指令，进行三工位的重新设计。

在本发明实施例中，图5是本发明实施例提供的不同励磁线圈材料、结构下的激励磁场分布图。

图中：(a)励磁线圈内径为4mm，外径为7.5mm，高度为12mm，激励电流为400毫安生成的磁感应强度；(b)励磁线圈内径为4mm，外径为10mm，高度为8mm，激励电流为400毫安生成的磁感应强度；(c)励磁线圈内径为4mm，外径为8mm，高度为8mm，激励电流为605毫安生成的磁感应强度。

图6是本发明实施例提供的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统应用效果。图中：a、应用场景一；b、应用场景二。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法，其特征在于，所述电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法包括以下步骤：

步骤一，根据几何特性进行励磁线圈的参数设计；

步骤二，根据磁场仿真磁感应强度，建立励磁线圈—永磁耦合磁场计算模型；

步骤三，建立励磁线圈—永磁织针耦合磁场参数变化模型，设置耦合磁场仿真模型的优化目标和优化方法；

步骤四，从仿真结果中根据优化目标确认控制参数，建立磁场控制永磁织针三工位工作模式，形成工作程序。

2.如权利要求1所述的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法，其特征在于，步骤一励磁线圈的参数设计中，包括励磁线圈的线圈绕组、线圈内径、外径、线径、高度、匝数和通风结构的设计。

3.如权利要求1所述的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法，其特征在于，

步骤二，根据磁场仿真磁感应强度，建立励磁线圈—永磁耦合磁场计算模型的方法包括：

(1)根据电磁线圈的结构及主要尺寸，建立静态三维瞬态磁场数学模型；

(2)根据永磁织针实际结构及实际尺寸，建立永磁织针磁化后的内禀磁场的三维磁场数学模型；

建立激励磁场的磁场数学模型；

(3)建立磁化后的内禀磁场数学模型：

永磁织针的内禀磁场B_内禀磁场＝μ₀(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，μ₀为真空磁导率；对于磁导率为μ，半径为l的圆柱形永磁织针，轴线处的电流为I，则：

同时：

对于钕铁硼材料的织针，磁化率χ_m为1.03；

(4)建立场路模型，与激励磁场形成相互作用，B＝B_激励磁场+B_内禀磁感，共同驱动永磁织针的三工位编织；根据激励输入电流的变化和阻抗分析，建立实际永磁织针驱动力学计算模型，计算时忽略线圈端部磁漏。

4.如权利要求1所述的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法，其特征在于，

步骤三建立励磁线圈—永磁织针耦合磁场参数变化模型，设置耦合磁场仿真模型的优化目标和优化方法中，在解永磁织针动态力学方程时，采用静态磁场、耦合磁场方程以及执行织针的牛顿力学运动方程的联立求解；

具体包括：

计算初始状态电磁力，将该电磁力作为驱动载荷，通过动力学模型，计算得到下一个时刻的位移、速度、加速度运动参数；将得到的运动参数返回到动态过程中，再计算下一个时刻的磁场驱动；

通过反复迭代交互，得到整个永磁织针动态过程。

5.如权利要求4所述的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法，其特征在于，迭代交互的方法具体包括：

设置磁悬浮织针初始位置，永磁织针受到的励磁线圈电流的驱动，即将开始触发工位编织，根据磁链、电流参数，计算当前时刻电磁力，并将该电磁力和加速度作为载荷加载到永磁织针三工位运动模型中，计算得到下一单元时刻的位移、速度、加速度运动参数；

判断结束的标志是永磁织针是否到达最高编织工位形成编织动作，若未结束，则将运动参数返回电磁力和场计算模型中，通过反复迭代交互，得到永磁织针三工位运动过程。

6.如权利要求1所述的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法，其特征在于，步骤四从仿真结果中根据优化目标确认控制参数，建立磁场控制永磁织针三工位工作模式，形成工作程序中，具体包括：

1)通过电磁力和场计算模型计算磁链、电流、励磁线圈内径、外径、线径参数，计算励磁线圈磁场分布强度，提取永磁织针在任意工位的位移、速度、加速度参数，对编织工位及场强信号进行仿真分析；

2)获取永磁织针在任意工位的位移、速度、加速度参数后，查询设定磁场参数及磁感应强度，获得当前最优驱动参数

3)基于当前最优驱动参数，三工位驱动控制模块给出驱动电流大小、脉冲频率、启停加减速时刻控制指令，对励磁线圈进行激励，驱动织针实现三工位的编织；

并通过传感器定时检测工位编织效果，若完成编织效果良好，则继续后续工作；否则，三工位驱动控制模块重新选择当前最优驱动参数，给出控制指令，进行三工位的重新设计。

7.一种实施权利要求1所述电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统，其特征在于，所述电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统包括磁场仿真分析模块、耦合磁场计算模块和三工位驱动控制模块；

所述磁场仿真分析模块，用于建立包括电磁—永磁耦合系统的磁场模型；

耦合磁场计算模块，用于对励磁线圈结构参数、励磁线圈材料参数进行设置，电流激励条件下的励磁线圈静态磁场计算、计算耦合磁场下钕铁硼材料的永磁织针内禀磁场强度，运动过程中场域分布变化以及对永磁织针的结构参数、材料参数、运动参数进行优化；

三工位织针控制模块，用于控制织针的运动特性和性能参数，对耦合磁场进行分析及优化，建立最优驱动控制织针参数及模型，对织针三工位编织高度、频率、稳定性、精密性进行控制，对工作寿命进行预测；反向分析励磁线圈静态磁场，对永磁织针的实际结构及实际尺寸进行优化；

还用于驱动永磁织针进行三工位编织工作，同时识别所述三工位位置信息，根据位置信息获得永磁织针的位置，根据位置信息控制永磁织针输出电流的大小、频率、启停电流占空比，并进一步优化励磁线圈的结构参数；通过工位信息查询预设数据库，若在指定时间检测到低电平，则表示永磁织针到达正常工位，工作正常；若在指定时间检测到高电平，则表示永磁织针未到达正常工位，工作不正常，需要校正和重新设置工作模式，激励线圈结构、材料参数，励磁线圈电流大小、频率需要优化，从而获得永磁织针的整体编织效果；

若永磁织针工作未在指定时间到达指定工位，则发出控制指令，调整激励电流大小、频率及启停时刻占空比，校正工位；同时与预设工位数据进行差值比较，对永磁织针的结构参数、材料参数进行复核，重新计算励磁线圈激励电流的加速起始时刻和减速停止占空比，优化工位编织工作。

8.如权利要求7所述的电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真系统，其特征在于，所述耦合磁场计算模块包括多层多匝励磁线圈的静态计算模块、多层多匝励磁线圈的动态计算模块；

多层多匝励磁线圈的静态计算模块用于整个织针中磁场静态计算；

多层多匝励磁线圈的动态计算模块，用于计算整个织针运动过程中参量的变化以及场域分布的动态，并进行励磁线圈绕制寻优；

所述多层多匝励磁线圈的静态计算模块、多层多匝励磁线圈的动态计算模块通过多层多匝励磁线圈的静态计算模块所属的静态计算模型，以及多层多匝励磁线圈的动态计算模块的动态驱动织针模型和优化设计模型均连接至磁场仿真分析模块；

所述磁场仿真分析模块包括：参数设置模块、结果输出模块、特性分析模块和功能选择模块；

所述参数设置模块对励磁线圈结构参数、材料参数、激励参数和优化参数进行设置；

所述结果输出模块用于输出永磁织针工位运动特性和性能参数；

所述特性分析模块用于分析影响永磁织针编织的参数和稳定性分析；

所述功能选择模块用于对磁场静态计算、永磁织针动态特性以及优化设计进行选择；

所述三工位织针控制模块包含LED光电检测模块、光电接收转换器及控制器；

LED光电检测模块用于发送和接收光信号，将接收到的检测信号通过光电接收转换器转换成电信号发送给所述控制器；

所述光电接收转换器还用于在永磁织针编织过程中，检测织针是否在指定时间到达工位，若到达，则转换成低电平电信号发送给所述控制器，若未到达，则将高电平电信号发送给所述控制器。

9.一种实施权利要求1所述电磁-永磁耦合驱动织针磁场仿真方法的磁悬浮式驱动织针装置，其特征在于，所述磁悬浮式驱动织针装置利用电磁－永磁耦合驱动模式，利用电磁永磁理论，通过电磁装置与永磁体产生吸引力和排斥力控制织针径向往复运动；通过改变电磁装置中加载电流的大小、方向、方式参数，改变织针的受力大小与方向，控制上升高度和运动速度，实现成圈、集圈和浮线的三工位编织。

10.如权利要求9所述的磁悬浮式驱动织针装置，其特征在于，电磁装置包括：

多层绕制的励磁线圈，作为驱动器件；

驱动永磁结构的永磁织针；

设置在工位位置的传感器，接受永磁织针是否到达指定位置的信号；

控制器，用于给出驱动电流大小、脉冲频率、启停关断占空比信号，驱动永磁织针进行编织运动，同时开始定时检测传感器的反馈信号，识别织针当前三工位工作运行状态。

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