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一种四稳态数字电磁执行器阵列设计及磁场模拟分析

呼延鹏飞 代海风 胥光申

呼延鹏飞, 代海风, 胥光申. 一种四稳态数字电磁执行器阵列设计及磁场模拟分析[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(4): 508-515. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190186
引用本文: 呼延鹏飞, 代海风, 胥光申. 一种四稳态数字电磁执行器阵列设计及磁场模拟分析[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(4): 508-515. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190186
Huyan Pengfei, Dai Haifeng, Xu Guangshen. Design and Simulation Analysis of Magnetic Field of a Four-stable State Digital Electromagnetic Actuator Array[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(4): 508-515. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190186
Citation: Huyan Pengfei, Dai Haifeng, Xu Guangshen. Design and Simulation Analysis of Magnetic Field of a Four-stable State Digital Electromagnetic Actuator Array[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(4): 508-515. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190186

一种四稳态数字电磁执行器阵列设计及磁场模拟分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190186
基金项目: 

陕西省教育厅科研计划项目 19JK0366

详细信息
    作者简介:

    呼延鹏飞(1987-), 讲师, 研究方向为微数字执行器和电磁驱动, hypftiger@126.com

    通讯作者:

    胥光申, 教授, 硕士生导师, xugs988@126.com

  • 中图分类号: TP271.4

Design and Simulation Analysis of Magnetic Field of a Four-stable State Digital Electromagnetic Actuator Array

  • 摘要: 为了消除模拟执行器中安装反馈传感器造成的空间局限性对系统紧凑性设计需求带来负面影响和多磁体环境下空间静磁力耦合计算复杂等问题,应用电磁驱动原理设计并静态模拟分析了一种新型四稳态数字电磁执行器阵列,绘制阵列结构的磁通密度空间分布图,并基于Furlani空间磁感应方程进行阵列系统空间磁场建模,提出了新型多磁体间快速静磁耦合计算方法(单重叠加法)。模拟对比结果表明,单重叠加法的模型(即Matlab模型)与系统校验模型(即Radia模型)相比,单磁体所受静磁合力最大误差仅为2.94%;与传统计算方法(多重叠加法)相比,单重叠加法计算效率提高约65.82%,有较好的准确性和高效性;执行器阵列空间磁通密度分布具有均匀性、一致性和独立性。
  • 图  1  执行器单元结构设计示意图

    图  2  执行器阵列结构设计示意图

    图  3  薄板平面运动的驱动策略

    图  4  拖板3个方向运动示意图

    图  5  Radia中执行器阵列的快速视图

    图  6  磁铁的空间坐标

    图  7  计算外部总磁通密度

    图  8  计算静磁力的磁铁和坐标系统

    图  9  Matlab模型中PM位置和坐标

    图  10  执行器阵列磁通密度的三维分布图

    图  11  执行器阵列磁通密度的三维分布侧视图

    图  12  执行器阵列磁通密度的三维分布俯视图

    表  1  执行器单元设计参数

    磁铁种类 尺寸参数 磁化强度
    MPM 1.33 mm×1.33 mm×2 mm 1.33 T
    FPM 2.5 mm×2.5 mm×1.25 mm 0.6 T
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    表  2  Mathematica模拟结果的ITF

    执行器 x方向力/N y方向力/N 合力/N
    1 -1.08×10-5 1.08×10-5 1.53×10-5
    2 1.08×10-5 -1.08×10-5 1.53×10-5
    3 -1.08×10-5 1.08×10-5 1.53×10-5
    4 1.08×10-5 -1.08×10-5 1.53×10-5
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    表  3  Mathematica模拟结果的ATF

    执行器 x方向力/N y方向力/N 合力/N
    1 -1.65×10-3 -1.72×10-3 2.41×10-3
    2 -1.72×10-3 -1.65×10-3 2.41×10-3
    3 -1.65×10-3 -1.72×10-3 2.41×10-3
    4 -1.72×10-3 -1.65×10-3 2.41×10-3
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    表  4  Mathematica模拟结果的TOF

    执行器 1 2 3 4
    TOF/N 2.38×10-3 2.38×10-3 2.38×10-3 2.38×10-3
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    表  5  Matlab模拟结果的ITF

    执行器 x方向力/N y方向力/N 合力/N
    1 -1.08×10-5 1.08×10-5 1.53×10-5
    2 1.08×10-5 -1.08×10-5 1.53×10-5
    3 -1.08×10-5 1.08×10-5 1.53×10-5
    4 1.08×10-5 -1.08×10-5 1.53×10-5
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    表  6  Matlab模拟结果的ATF

    执行器 x方向力/N y方向力/N 合力/N
    1 -1.63×10-3 -1.72×10-3 2.37×10-3
    2 -1.72×10-3 -1.72×10-3 2.43×10-3
    3 -1.63×10-3 -1.63×10-3 2.31×10-3
    4 -1.72×10-3 -1.63×10-3 2.37×10-3
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    表  7  Matlab模拟结果的TOF

    执行器 1 2 3 4
    TOF/N 2.37×10-3 2.43×10-3 2.31×10-3 2.37×10-3
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    表  8  Mathematica和Matlab模拟结果中ITF误差

    执行器 x方向力/N y方向力/N 合力/N
    1 0 0 0
    2 0 0 0
    3 0 0 0
    4 0 0 0
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    表  9  Mathematica和Matlab中模拟结果ATF误差

    执行器 x方向力/N y方向力/N 合力/N
    1 2×10-5 0 4×10-5
    2 0 7×10-5 2×10-5
    3 2×10-5 0 1×10-4
    4 0 2×10-5 4×10-5
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    表  10  Mathematica和Matlab模拟结果中TOF误差

    执行器 误差值/N 误差/%
    1 1×10-5 0.42
    2 5×10-5 2.52
    3 7×10-5 2.94
    4 1×10-5 0.42
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    表  11  模拟运行环境配置

    类别 型号
    处理器 英特尔第四代酷睿i5-4200M
    内存 8 GB
    主硬盘 闪迪SDSSDA120G
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    表  12  运行时间对比表

    多重叠加法 单重叠加法 运行时间差值
    7.9 s 2.7 s 5.2 s
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  • 收稿日期:  2019-04-09
  • 刊出日期:  2020-04-05

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