兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (1): 40-50.doi: 10.12382/bgxb.2022.0756
所属专题: 特种车辆理论与技术
颜建虎1, 李彪1, 时岩2,*(), 张凌宇2, 衡培然1
收稿日期:
2022-08-30
上线日期:
2022-12-21
通讯作者:
基金资助:
YAN Jianhu1, LI Biao1, SHI Yan2,*(), ZHANG Lingyu2, HENG Peiran1
Received:
2022-08-30
Online:
2022-12-21
摘要:
针对直线电机式电磁主动悬架推力波动大、推力密度低的问题,提出一种非均匀齿结构的Halbach圆筒型永磁直线电机。利用解析法对该电机的边端力模型进行推导,并进一步分析非均匀边端齿结构对电机输出性能的影响。根据分析结果选取边端齿的轴向长度和径向削短高度、永磁体高度和径向充磁的长度、内部齿的长度5个参数作为优化因子,以电机输出推力最大和推力波动最小为优化目标进行田口法和响应面法优化,得到参数的最优值。试制了原理样机并搭建了实验平台,对电机进行空载与负载实验,验证了所提结构及其设计优化方法的有效性。
中图分类号:
颜建虎, 李彪, 时岩, 张凌宇, 衡培然. 主动悬架用非均匀齿圆筒型永磁直线电机多目标分层优化设计[J]. 兵工学报, 2023, 44(1): 40-50.
YAN Jianhu, LI Biao, SHI Yan, ZHANG Lingyu, HENG Peiran. Multi-objective Stratified Optimization Design of Tubular Permanent Magnet Linear Motors with Nonuniform Teeth for Active Suspension[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(1): 40-50.
参数 | 数值 |
---|---|
额定电磁推力/N | 220 |
最大电磁推力/N | 650 |
最大行程/mm | ±20 |
最大安装长度/mm | 150 |
最大直径/mm | 80 |
表1 TPLM设计目标
Table 1 Design objectives of TPLM
参数 | 数值 |
---|---|
额定电磁推力/N | 220 |
最大电磁推力/N | 650 |
最大行程/mm | ±20 |
最大安装长度/mm | 150 |
最大直径/mm | 80 |
电机参数 | 数值 | 电机参数 | 数值 |
---|---|---|---|
极对数p | 5 | 气隙直径Dδ/mm | 40 |
极距τp/mm | 10 | 初级轭高Hy/mm | 3 |
气隙δ/mm | 1 | 内部齿长Lt/mm | 2.9 |
绕组匝数N | 56 | 永磁体长Lm/mm | 5 |
频率f/Hz | 60 | 永磁体高Hm/mm | 3.5 |
初级长度Lp/mm | 100 | 边端齿高Hb/mm | 18 |
次级长度Ls/mm | 140 | 边端齿长Lb/mm | 2.9 |
表2 初始模型的主要参数
Table 2 Main parameters of the preliminary design model
电机参数 | 数值 | 电机参数 | 数值 |
---|---|---|---|
极对数p | 5 | 气隙直径Dδ/mm | 40 |
极距τp/mm | 10 | 初级轭高Hy/mm | 3 |
气隙δ/mm | 1 | 内部齿长Lt/mm | 2.9 |
绕组匝数N | 56 | 永磁体长Lm/mm | 5 |
频率f/Hz | 60 | 永磁体高Hm/mm | 3.5 |
初级长度Lp/mm | 100 | 边端齿高Hb/mm | 18 |
次级长度Ls/mm | 140 | 边端齿长Lb/mm | 2.9 |
参数 | 取值范围/ mm | 水平 | |||
---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | ||
Lt | 2.9~3.2 | 2.9 | 3.0 | 3.1 | 3.2 |
Lb | 2.8~3.4 | 2.8 | 3.0 | 3.2 | 3.4 |
He | 1.0~4.0 | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 |
Hm | 3.0~6.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | 6.0 |
Lm | 5.5~7.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | 7.0 |
表3 田口法参数及水平
Table 3 Parameters and levels of Taguchi method
参数 | 取值范围/ mm | 水平 | |||
---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | ||
Lt | 2.9~3.2 | 2.9 | 3.0 | 3.1 | 3.2 |
Lb | 2.8~3.4 | 2.8 | 3.0 | 3.2 | 3.4 |
He | 1.0~4.0 | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 |
Hm | 3.0~6.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | 6.0 |
Lm | 5.5~7.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | 7.0 |
实验编号 | Lt | Lb | He | Hm | Lm | R1/N | R2/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 585.4 | 7.58 |
2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 649.5 | 5.93 |
3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 682.4 | 6.83 |
4 | 1 | 4 | 4 | 4 | 4 | 694.2 | 10.43 |
5 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 687.1 | 6.67 |
6 | 2 | 2 | 1 | 4 | 3 | 711.0 | 6.37 |
7 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 603.0 | 6.38 |
8 | 2 | 4 | 3 | 2 | 1 | 652.7 | 5.38 |
9 | 3 | 1 | 3 | 4 | 2 | 725.7 | 8.89 |
10 | 3 | 2 | 4 | 3 | 1 | 698.9 | 9.72 |
11 | 3 | 3 | 1 | 2 | 4 | 666.3 | 7.16 |
12 | 3 | 4 | 2 | 1 | 3 | 617.6 | 3.82 |
13 | 4 | 1 | 4 | 2 | 3 | 676.0 | 8.80 |
14 | 4 | 2 | 3 | 1 | 4 | 627.8 | 5.32 |
15 | 4 | 3 | 2 | 4 | 1 | 735.8 | 5.71 |
16 | 4 | 4 | 1 | 3 | 2 | 710.2 | 7.39 |
表4 田口法实验及其结果
Table 4 Taguchi experiments and results
实验编号 | Lt | Lb | He | Hm | Lm | R1/N | R2/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 585.4 | 7.58 |
2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 649.5 | 5.93 |
3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 682.4 | 6.83 |
4 | 1 | 4 | 4 | 4 | 4 | 694.2 | 10.43 |
5 | 2 | 1 | 2 | 3 | 4 | 687.1 | 6.67 |
6 | 2 | 2 | 1 | 4 | 3 | 711.0 | 6.37 |
7 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 603.0 | 6.38 |
8 | 2 | 4 | 3 | 2 | 1 | 652.7 | 5.38 |
9 | 3 | 1 | 3 | 4 | 2 | 725.7 | 8.89 |
10 | 3 | 2 | 4 | 3 | 1 | 698.9 | 9.72 |
11 | 3 | 3 | 1 | 2 | 4 | 666.3 | 7.16 |
12 | 3 | 4 | 2 | 1 | 3 | 617.6 | 3.82 |
13 | 4 | 1 | 4 | 2 | 3 | 676.0 | 8.80 |
14 | 4 | 2 | 3 | 1 | 4 | 627.8 | 5.32 |
15 | 4 | 3 | 2 | 4 | 1 | 735.8 | 5.71 |
16 | 4 | 4 | 1 | 3 | 2 | 710.2 | 7.39 |
优化目标 | Lt | Lb | He | Hm | Lm | |
---|---|---|---|---|---|---|
R1 | 方差 | 2764.9 | 41.6 | 70.9 | 26612.6 | 47.3 |
方差比重/% | 9.36 | 0.14 | 0.24 | 90.10 | 0.16 | |
R2 | 方差 | 12.5 | 12.4 | 30.0 | 17.9 | 9.2 |
方差比重/% | 15.24 | 15.12 | 36.59 | 21.86 | 11.19 |
表5 田口法实验结果分析
Table 5 Experimental results using Taguchi method
优化目标 | Lt | Lb | He | Hm | Lm | |
---|---|---|---|---|---|---|
R1 | 方差 | 2764.9 | 41.6 | 70.9 | 26612.6 | 47.3 |
方差比重/% | 9.36 | 0.14 | 0.24 | 90.10 | 0.16 | |
R2 | 方差 | 12.5 | 12.4 | 30.0 | 17.9 | 9.2 |
方差比重/% | 15.24 | 15.12 | 36.59 | 21.86 | 11.19 |
参数 | 水平 | ||
---|---|---|---|
-1 | 0 | 1 | |
Lt | 2.9 | 3.0 | 3.1 |
Lb | 3.0 | 3.2 | 3.4 |
He | 1.0 | 2.0 | 3.0 |
Hm | 3.0 | 4.0 | 5.0 |
Lm | 6.0 | 6.5 | 7.0 |
表6 响应面法参数及水平
Table 6 Parameters and levels of RSM
参数 | 水平 | ||
---|---|---|---|
-1 | 0 | 1 | |
Lt | 2.9 | 3.0 | 3.1 |
Lb | 3.0 | 3.2 | 3.4 |
He | 1.0 | 2.0 | 3.0 |
Hm | 3.0 | 4.0 | 5.0 |
Lm | 6.0 | 6.5 | 7.0 |
实验编号 | Lt/mm | Lb/mm | He/mm | Hm/mm | Lm/mm | Fe/N | Fa/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | -1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 651.95 | 5.22 |
2 | 1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 668.96 | 5.13 |
3 | -1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 651.95 | 5.07 |
4 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 669.05 | 4.72 |
5 | 0 | 0 | -1 | -1 | 0 | 609.28 | 4.52 |
︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ |
38 | 0 | 1 | 0 | -1 | 0 | 610.63 | 3.89 |
39 | 0 | -1 | 0 | 1 | 0 | 691.93 | 5.90 |
40 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 692.05 | 5.45 |
41 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 660.76 | 4.59 |
表7 响应面法实验及其结果
Table 7 RSM experiments and results
实验编号 | Lt/mm | Lb/mm | He/mm | Hm/mm | Lm/mm | Fe/N | Fa/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | -1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 651.95 | 5.22 |
2 | 1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 668.96 | 5.13 |
3 | -1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 651.95 | 5.07 |
4 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 669.05 | 4.72 |
5 | 0 | 0 | -1 | -1 | 0 | 609.28 | 4.52 |
︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ | ︙ |
38 | 0 | 1 | 0 | -1 | 0 | 610.63 | 3.89 |
39 | 0 | -1 | 0 | 1 | 0 | 691.93 | 5.90 |
40 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 692.05 | 5.45 |
41 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 660.76 | 4.59 |
参数 | 初始值/mm | 优化值/mm |
---|---|---|
Lt | 2.9 | 3.1 |
Lb | 2.9 | 3.3 |
He | 0 | 2.0 |
Hm | 3.5 | 4.2 |
Lm | 5.0 | 6.4 |
表8 优化前后参数对比
Table 8 Comparison of parameters before and after optimization
参数 | 初始值/mm | 优化值/mm |
---|---|---|
Lt | 2.9 | 3.1 |
Lb | 2.9 | 3.3 |
He | 0 | 2.0 |
Hm | 3.5 | 4.2 |
Lm | 5.0 | 6.4 |
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