[发明专利]可重复电磁锁紧装置电磁铁的设计方法

说明书

技术领域

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

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。

发明内容

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。

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：

步骤1，设定设计变量电磁铁内径r_ei、电磁铁外径r_eo、线圈内径r_ci、线圈外径r_co、电磁铁长度l_e、线圈长度l_c、导磁环长度l_m、磁钢长度l_p、吸盘长度l_s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η、执行锁紧最大功耗P_lmax、执行锁紧最大磁密B_clmax和锁紧启动力f_cl，并将计算出的各数据保存至执行锁紧计算结果文件；