一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法与流程

技术特征：
1.一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：电磁式自动平衡是基于永磁自锁和电磁驱动原理的变质量分布式自动平衡，电磁式自动平衡执行器通常为电磁平衡头；电磁平衡头由动环和静环两部分组成，根据励磁线圈与配重盘的相对位置可分为内励磁平衡头、外励磁平衡头和侧励磁平衡头，励磁线圈位于配重盘径向内侧为内励磁平衡头，励磁线圈位于配重盘径向外侧为外励磁平衡头，励磁线圈位于配重盘轴向两侧为侧励磁平衡头；所述电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法包含电磁仿真和结构设计；所述的电磁仿真基于maxwell软件，针对侧励磁环与永久磁铁厚度、齿数与齿长、永久磁铁形状和安匝数等结构参数，通过仿真分析得出在满足配重盘自锁和驱动功能的前提下电磁平衡头相关结构的最小轴向厚度和最小径向厚度；所述的结构设计基于电磁仿真的结果，通过采用重量更小的陶瓷轴承和中空结构，使用装配工具替代挡板和螺钉对分体式配重盘的装配，从而最大限度地降低电磁平衡头整体的重量，实现电磁自动平衡装置轻量化；所述电磁式自动平衡装置轻量化设计内容包括：1)动环相关参数电磁仿真轻量化：建立永久磁铁和两侧侧励磁环的有限元模型、确定轴向气隙，利用电磁仿真技术手段，比较分析得出自锁力矩最大时励磁环厚度、永久磁铁厚度、永久磁铁形状、齿数、齿长以及相邻永久磁铁的自锁力矩两步曲线，从而在保证自锁力矩足够大的前提下，尽量减小励磁环和配重盘的厚度，从而降低电磁平衡头动环的质量；2)静环相关参数电磁仿真轻量化：基于1)有限元模型的基础上，增加线圈支架和线圈的有限元模型，利用电磁仿真技术手段，比较分析得出满足配重盘驱动要求前提下的最小线圈安匝数，从而减小线圈支架的轴向厚度和径向厚度，实现电磁平衡头静环的质量降低；3)装配结构轻量化：采用小型轻质的陶瓷轴承替代传统大型钢质的深沟球轴承，减小轴承在电磁平衡头的质量占比；使用装配工具替代挡板和螺钉对分体式配重盘的装配；采用永久磁铁同时实现配重和自锁的功能，减小永久磁铁的个数，从而实现电磁式自动平衡装置轻量化。2.根据权利要求1所述的一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：首先根据安装空间确定电磁式自动平衡装置的尺寸边界，初步在maxwell软件中建立永久磁铁、中间侧励磁环和左右侧励磁环的有限元模型，改变励磁环厚度、永久磁铁厚度、永久磁铁形状、齿数和齿长等结构参数，通过电磁仿真比较分析得出自锁力矩最大时上述结构参数的最优数值；在获得结构参数的最优数值基础上，增加线圈和线圈支架的有限元模型，通过电磁仿真比较分析得出满足分体式配重盘驱动要求的最小的线圈安匝数；其次，基于电磁仿真结论，在三维建模软件建立电磁平衡头模型，检查电磁平衡头总体结构有无干涉，线圈安装是否有足够空间，若不满足，重新调整设计电磁平衡头相关结构尺寸并再次进行电磁仿真；若满足，则核算分体式配重盘的偏心半径和偏心质量，进而获得单盘的平衡能力，比较该平衡能力和预期平衡能力，若该平衡能力没有达到预期要求，则重新调整设计分体式配重盘的结构尺寸，直至平衡能力达到预期要求；至此，电磁仿真使装置轻量化结束；最后，新增装配结构使装置轻量化，采用多个小型轻质的陶瓷轴承替代传统大型钢质的深沟球轴承起到支撑作用，使用装配工具替代挡板和螺钉对分体式配重盘的装配。3.根据权利要求2所述的一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：采用永久磁铁同时实现配重和自锁的功能，减小永久磁铁的个数，尽可能采用轻质中空的结构来减小电磁平衡头的质量。
4.根据权利要求2所述的一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：电磁仿真计算借助三维建模软件creo和电磁分析软件maxwell；首先，根据安装空间确定电磁式自动平衡装置的尺寸边界，初步在maxwell软件中建立动环磁路部分即永久磁铁、中间侧励磁环和左右侧励磁环的有限元模型；第二，定义各部分材料，给定永久磁铁的充磁方向；第三，添加激励和求解设定，求解设定是电磁仿真的关键，影响着电磁仿真结果的精度，需要设置激励源与边界条件定义及加载和求解选项参数；第四，进行分析自检，自检通过后开始迭代求解计算；最后，进行后处理分析，后处理分析是对电磁仿真的检验，反映求解结果的的准确性；每次求解完成后，首先要观察解的情况，其中关键是观察的数据是否收敛，数据收敛之后才可记录，以上5步即为一次完整的电磁仿真过程；涉及自锁力矩相关参数的仿真计算，软件设置步骤与上述大体相同，不同之处在于需要在建模时改变相关参数，如励磁环厚度、永久磁铁厚度、永久磁铁形状、齿数和齿长等；涉及驱动力矩相关参数的仿真计算，软件设置步骤与上述大体相同，不同之处在于需要建模时增加静环磁路部分的模型，添加激励时改变相关参数。5.根据权利要求2所述的一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：在对电磁平衡头的自锁力矩进行仿真计算时，需要先获得横坐标为角度，纵坐标为力矩大小的相邻永磁体旋转步进2步的曲线，得到单步周期中自锁力矩最大的位置；在此位置的基础上，建模时改变影响自锁力矩相关结构参数如励磁环厚度、永久磁铁厚度、永久磁铁形状、齿数和齿长，保证自锁力矩尽可能大的前提下，减小相关结构的轴向尺寸，通过仿真计算分析得出相关结构参数的最优数值，从而在减小电磁平衡头重量的同时实现配重盘的稳定自锁。6.根据权利要求2所述的一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：在对电磁平衡头的驱动力矩进行仿真计算和校核时，需要核算线圈支架中线圈的安装空间是否足够；先统计不同漆包线线径下的线圈支架可缠绕的漆包线匝数，再参考漆包线规格表中不同线径的最大安全电流容量，二者相乘得出线圈支架中可缠绕的线圈安匝数；如果由该线圈安匝数激励的驱动力矩大于分体式配重盘的偏心力矩，则电磁仿真使装置轻量化基本完成，反之，则需要重新调整设计线圈支架的尺寸，再次进行电磁仿真，直至线圈支架可组装的线圈安匝数激励的驱动力矩大于分体式配重盘的偏心力矩，从而在满足配重盘步进驱动的同时减小电磁平衡头的重量。7.根据权利要求2所述的一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：在核算电磁平衡头的平衡能力时，需要在三维建模软件中建立分体式配重盘的模型，在分体式配重盘上装配不同大小的钨铜锁片和不同个数、方位的永久磁铁，获得电磁平衡头的平衡能力的区间，同时保证该区间的最小平衡能力大于预定平衡能力。8.根据权利要求2所述的一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，其特征在于：电磁平衡头采用轻质的装配结构；采用多个小型轻质的陶瓷轴承替代传统大型钢质的深沟球轴承起到支撑作用，降低轴承在电磁平衡头的重量占比；使用锁片和螺钉组成装配工具替代挡板和螺钉对分体式配重盘的装配；由于电磁仿真时自锁力矩足够大，永久磁铁不用装配满即可实现稳定自锁，且永久磁铁同时实现配重和自锁的功能，故可减小永久磁铁的个数和钨铜锁片的大小，实现使用轻质化结构减小电磁平衡头的重量。

技术总结
本发明公开了一种电磁式自动平衡装置的轻量化设计方法，属于旋转机械电磁式自动平衡领域，本设计方法主要通过结构设计和电磁仿真相结合的方式优化平衡头结构并减小其质量。本发明的优势在于结构设计和电磁仿真相结合，首先根据安装空间确定电磁式自动平衡装置的尺寸边界，在电磁仿真软件中初步建立有限元模型；其次针对励磁环厚度、永久磁铁厚度、齿数与齿长、永久磁铁形状和安匝数等结构参数进行电磁仿真，在满足配重盘自锁和驱动功能的前提下，减小电磁式自动平衡装置相关结构的轴向和径向厚度；最后基于电磁仿真结果，辅助以结构设计实现电磁式自动平衡装置轻量化。设计实现电磁式自动平衡装置轻量化。设计实现电磁式自动平衡装置轻量化。


技术研发人员：陈立芳 周书华 郭仪翔
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2021.07.19
技术公布日：2021/11/28