用于微飛輪的永磁平面微電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
呂允春1,2，白越1，吳一輝1
(1 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
長(zhǎng)春130033；2中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京130039)
摘要：考慮到尺寸效應(yīng)對(duì)永磁電機(jī)磁、熱性能的影響，給出了一種用于微小動(dòng)量飛輪的無(wú)鐵
心無(wú)刷永磁平面微電機(jī)的多學(xué)科設(shè)計(jì)方法，即利用多學(xué)科優(yōu)化軟件iSIGHT之有限元分析軟件Ansys對(duì)電機(jī)進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，以電機(jī)質(zhì)量、氣隙磁密、繞組損耗為優(yōu)化目標(biāo)，以幾何尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等要求作為約束條件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，電機(jī)質(zhì)量減小了百分之28．03，氣隙磁密增加了百分之2．9，繞組損耗減小了百分之2．6，提高了設(shè)計(jì)效率，在永磁微電機(jī)的設(shè)計(jì)中具有現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：微飛輪；永磁電機(jī)；有限元法；多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化
0引 言
當(dāng)前微電子、微機(jī)械、新材料和新工藝等技術(shù)的研究和發(fā)展，正在使衛(wèi)星的尺寸越來(lái)越小，其中納型衛(wèi)星(≤10 kg)采用了新的設(shè)計(jì)思想和高新技術(shù)，技術(shù)集成度和功能密度大大提高，由于其技術(shù)新、研制快、投入少，改變了以往航天器體積大、成本高、研制周期長(zhǎng)的狀況，正逐漸成為當(dāng)今國(guó)際衛(wèi)星技術(shù)研究的熱點(diǎn)。與普通衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù)一樣，微型動(dòng)量輪／反作用輪系統(tǒng)也是微納衛(wèi)星****的姿態(tài)控制方案。微飛輪的關(guān)鍵器件是微電機(jī)。相對(duì)于靜電和壓電型的驅(qū)動(dòng)器，電磁型微電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、效率高、輸出功率大[1-2]。其工作原理和性能特點(diǎn)更適合作為納型衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件。
本文介紹了一種用于微小動(dòng)量飛輪的電磁型平面永磁微電機(jī)；說(shuō)明了其結(jié)構(gòu)及工作原理。由于微電機(jī)作為微飛輪姿態(tài)控制系統(tǒng)的核心部件，是一個(gè)集機(jī)械、電子、電磁、自動(dòng)控制于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。它其質(zhì)量、磁和熱性能直接影響系統(tǒng)的總體性能。因而對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。
1平面永磁微電機(jī)結(jié)構(gòu)
動(dòng)量飛輪的主要功能是通過(guò)轉(zhuǎn)子角動(dòng)量的變化與航天器進(jìn)行動(dòng)量交換來(lái)控制航天器的姿態(tài)。本文所研究的平面永磁微電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖l所示。采用包括若干個(gè)平面線圈的定子和提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的燒結(jié)釹鐵硼雙轉(zhuǎn)子組成的三明治結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)一體化多極軸向充磁，N、s交替成輻射狀均布于圓盤表面[3]。以端面驅(qū)動(dòng)方式代替內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，采用平面電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子直接作為微飛輪的輪體，不僅滿足了衛(wèi)星對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求，而且在與普通飛輪在相同重量、體積的前提下大大提高了電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩。
2平面永磁微電機(jī)系統(tǒng)建模與分析
2．1電磁場(chǎng)模型
平面電機(jī)的空載磁場(chǎng)是靜磁場(chǎng)，用單元邊法進(jìn)行計(jì)算。為簡(jiǎn)化模型，假設(shè)：①電機(jī)的永磁體軸向充磁后，被均勻磁化。電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，故假設(shè)永磁體磁化均勻，在氣隙中產(chǎn)生均勻的多級(jí)軸向磁場(chǎng)，進(jìn)而簡(jiǎn)化為對(duì)電機(jī)整體模型的1／6進(jìn)行分析。②忽略電樞反應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)的影響。③視其材料的磁性能與空氣相同。由于定子繞組無(wú)鐵心，銅導(dǎo)體直接印刷在pcb板上，銅和peb板都是非磁性材料，故計(jì)算時(shí)視其磁性能與空氣相同。
在假定條件下，將標(biāo)量磁勢(shì)滿足的偏微方程即拉普拉斯方程與邊界條件合在一起，構(gòu)
成了邊值問(wèn)題，即穩(wěn)定磁場(chǎng)求解問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。
式中，Ω為求解區(qū)域；F1為Dirichlet邊界條件；F2為Neumann邊界條件；Bn為磁通密度矢量的法向分量；μ為磁導(dǎo)率。
只要解出一個(gè)標(biāo)量φm,可以獲得磁場(chǎng)強(qiáng)度H的各個(gè)分量，進(jìn)而求出磁感應(yīng)強(qiáng)度。
2．2溫度場(chǎng)模型
電機(jī)在額定運(yùn)行狀況下，溫度場(chǎng)視為穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。為簡(jiǎn)化模型，在分析熱部分時(shí)進(jìn)行如下設(shè)
定 [2]：①電機(jī)的溫度分布沿圓周方向?qū)ΨQ。由于電機(jī)的周向幾何對(duì)稱性，故假設(shè)垂直于轉(zhuǎn)軸的同一截面上相應(yīng)各點(diǎn)處溫度分布及冷卻條件相同，進(jìn)而簡(jiǎn)化為對(duì)電機(jī)整體模型的l／6進(jìn)行分析。②電機(jī)的散熱介質(zhì)為靜止空氣。電機(jī)處于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力環(huán)境中，在其它條件相同的情況下，靜止的空氣環(huán)境比空氣流動(dòng)時(shí)的散熱條件差，在這種條件下得出的結(jié)論更具有普遍性和適應(yīng)性。③發(fā)熱源為定子繞組。電機(jī)定子無(wú)鐵心，所以無(wú)鐵芯損耗；電機(jī)半徑小， |
