本发明涉及磁扭力器的参数设计技术领域，是一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式。
背景技术：
磁扭力器是近地小卫星姿态控制的主要执行部件之一，它由一个缠绕着线圈的软磁性材料磁芯构成。在磁扭力器的设计中要确定合理的磁芯和绕线参数，传统的方式按照给定的设计要求，首先大致选定磁芯，依照选定的磁芯参数估算推导入绕线的一些约束条件，再依照绕线的约束条件选定适当的绕线。这些磁芯和绕线的选定方法有一定的盲目性和经验性，因为磁芯和绕线尺寸的多样性，致使磁芯和绕线的选定也存在多样性，这些多样性一方面造成磁扭力器设计参数较难软件工程化，一般为人工逐渐估算解析，较为艰深；另一方面造成设计出的磁扭力器不是最优方案，在给定的设计条件下，可行的设计方案可能有几十万种，传统方式只确定了其中的一种或几种，在容积、质量、功耗等方面都有较大的改进空间。
技术实现要素：
本发明为解决现有人工逐渐估算解析，较为艰深的问题，本发明提供了一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，本发明提供了以下技术方案：
一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，包括以下步骤：
步骤1：参数输入单元11将额定输出磁矩、磁芯种类选择、磁芯半径范围、磁芯半径变化步长、长径比变化范围、长径比变化步长、绕线半径选择、工作电流、衰减因子、绕线结构的设计参数，输入至设计单元13；
步骤2：所述设计单元13调阅磁芯和绕线数据库12中的磁芯和绕线数据，进行微小华硕磁扭力器多目标设计；
步骤3：所述筛选单元14对微小华硕磁扭力器多目标设计结果进行筛选，所述结果包括磁芯和绕线的总质量、时间常数、绕线电感、功耗、绕线电压、绕线层数和磁芯长径比；
步骤4：所述文件输出单元15显示额定输出磁矩、磁芯种类选择、绕线半径、工作电流、衰减因子和绕线的设计参数，磁芯最小容积、实际磁芯容积、磁芯半径、磁芯厚度、磁芯长径比、退磁因子、每层阻值、绕线层数、绕线宽度、绕线内阻、绕线电压、平均电流、总帧率、绕线电感、时间常数和磁扭力器的总质量，并给定目标函数获得最优设计方案。
优选地，磁芯和绕线数据库12中的磁芯和绕线数据包括磁芯饱和磁感应硬度、相对磁导率、矫顽力和密度，磁芯和绕线数据库12中的磁芯和绕线数据还包括绕线半径、最大直径、击穿电流、导体内阻、最小挠度和密度。
优选地，所述筛选单元14对微小华硕磁扭力器多目标设计结果进行筛选具体为：筛选帧率最小的设计结果、质量最小的设计结果或则帧率质量乘积最小的设计结果。
优选地，所述设计单元13调阅磁芯和绕线数据库12中的磁芯和绕线数据，进行微小华硕磁扭力器多目标设计具体为：
所述设计单元13估算通过绕线的平均电压i,通过下式表示平均电压i：
其中，lc为磁芯宽度，n为磁扭力器绕线阻值，m为磁矩，ηa为衰减因子，v0为磁芯容积；
通过设计单元13估算磁扭力器最大帧率p，通过下式确定磁扭力器最大帧率p：
p＝
其中，lw为绕线宽度，r0为绕线单位宽度内阻；
通过设计单元13估算绕线质量mw，通过下式确定绕线质量mw：
其中，d为绕线半径，ρw为绕线密度；
通过设计单元13估算磁芯质量mc，通过下式确定磁芯质量mc：
其中，rc为磁芯直径，ρc为磁芯密度
通过设计单元13估算磁芯和绕线总质量m，通过下式确定磁芯和绕线的总质量m：
通过设计单元13估算绕线电感l，通过下式确定绕线电感l：
其中，μ0为绕线相对磁导率；
通过设计单元13估算建磁时间t，通过下式确定建磁时间t：
其中，r为绕线总内阻。
优选地，所述衰减因子取值为0.7至0.9之间。
优选地，对建磁时间t、绕线电感l、绕线层数n和磁芯长径比λ进行限制，通过下式对对建磁时间t、绕线电感l、绕线层数n和磁芯长径比λ进行限制：
优选地，构建目标函数，通过下式表示目标函数：
f(p,m)＝m2+p2
其中，f(p,m)为目标函数；
当f(p,m)取最小值是，即获得质量帧率平方和最小的最优方案。
本发明具有以下有益疗效：
本发明采用特定算法，估算出给定条件下所有的可行设计方案，观察直接，以便比较不同设计参数间的变化规律，并可设置筛选条件筛选出符合特定要求的设计方案，在筛选条件下提取出最优设计方案。磁芯和绕线数据库可以按照须要进行丰富和更新。设计合理、涵概全面、使用方便。
附图说明
图1为一种微小华硕磁扭力器多目标设计系统原理图；
图2为载流线圈在磁场中的受力模型图；
图3位磁芯半径为10mm，不同长径比下质量和帧率的关系图；
图4为磁芯长径比为50，不同磁芯半径下质量和帧率的关系图；
图5为设计好的磁扭力器示意图；
图6为磁扭力器测试原理图；
图7位磁扭力器标定示意图；
图8为θ＝0°时测试原理图；
图9为θ＝90°时测试原理图；
图10为磁扭力器电压和磁感应硬度拟合曲线图；
图11为磁扭力器电压和磁矩拟合曲线图。
具体施行方法
以下结合具体施行例，对本发明进行了详尽说明。
具体施行例一：
按照图1所示，本发明提供一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，所述方式基于一种微小华硕磁扭力器多目标设计系统，所述系统包括；参数输入单元11、磁芯和绕线数据库12、设计单元13、筛选单元14和文件输出单元15；
所述参数输入单元11的数据讯号输出端联接所述设计单元13的数据讯号输入端，所述磁芯和绕线数据库12的数据讯号输出端联接所述设计单元13的数据讯号输入端，所述设计单元13的数据讯号输出端联接筛选单元14的数据讯号输入端，所述设计单元13的数据讯号输出端联接文件输出单元15的数据讯号输入端。
参数输入单元11是磁扭力器设计参数的输入插口，用户可通过参数输入单元11输入磁扭力器设计参数，它包括额定输出磁矩、磁芯种类选择、磁芯半径范围、磁芯半径变化步长、长径比变化范围、长径比变化步长、绕线半径选择、工作电流、衰减因子、绕线结构等设计参数。
所述设计单元13，获取输入的磁扭力器设计参数并调用磁芯/绕线数据库，按照特定算法，估算出给定条件下的所有可行设计方案，并依照目标优化函数，求出最优的设计方案；
所述筛选单元14，用于给定筛选条件，提取出符合筛选条件的所有可行设计方案；
所述文件输出单元15，用于输出显示筛选过后的所有可行设计方案。
磁芯和绕线数据库12储存了各类尺寸的磁芯和绕线的详尽信息，磁芯的信息包括磁芯饱和磁感应硬度、相对磁导率、矫顽力、密度等，绕线的信息包括绕线半径、最大直径、击穿电流、导体内阻、最小挠度、密度等。磁芯和绕线数据库12可以按照须要进行丰富和更新。
设计单元13获取用户输入的设计参数，并调阅磁芯和绕线数据库12中相应磁芯和绕线的信息，内部通过特定算法，对给定的磁芯半径范围以给定的磁芯半径步长为最小变化单位，进行剖析估算，估算出在给定条件下全部可行的设计方案。同时提取出最优设计方案，最优设计方案可依照偏重点不同进行具体约束，本实例中给出三种最优方案，分别为帧率最小设计方案、质量最小设计方案和帧率质量乘积最小方案。
筛选单元14用于对全部可行的设计方案进行筛选。筛选单元14的筛选条件包括磁芯/绕线总质量、时间常数、绕线电感、功耗、绕线电压、绕线层数、磁芯长径比等。在给定条件下，由设计单元13剖析估算出的可行方案通常有数千到数万种，筛选单元14按照筛选条件要在全部可行方案中筛选出较为优化的方案。
文件输出单元15由设计单元13创建，用于显示磁扭力器设计的详尽信息。它包括磁扭力器的设计要求信息、可行的设计方案的详尽信息以及最优设计方案的详尽信息。磁扭力器的设计要求信息包括额定输出磁矩、磁芯种类选择、绕线半径、工作电流、衰减因子、绕线结构等设计参数；设计方案的详尽信息包括磁芯最小容积、实际磁芯容积、磁芯半径、磁芯厚度、磁芯长径比、退磁因子、每层阻值、绕线层数、绕线宽度、绕线内阻、绕线电压、平均电流、总帧率、绕线电感、时间常数、磁扭力器总质量等。以及给定目标优化函数下的最优设计方案。
一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，包括以下步骤：
步骤1：参数输入单元11将额定输出磁矩、磁芯种类选择、磁芯半径范围、磁芯半径变化步长、长径比变化范围、长径比变化步长、绕线半径选择、工作电流、衰减因子、绕线结构的设计参数，输入至设计单元13；
步骤2：所述设计单元13调阅磁芯和绕线数据库12中的磁芯和绕线数据，进行微小华硕磁扭力器多目标设计；
所述设计单元13估算通过绕线的平均电压i,通过下式表示平均电压i：
其中，lc为磁芯宽度，n为磁扭力器绕线阻值，m为磁矩，ηa为衰减因子，v0为磁芯容积；
通过设计单元13估算磁扭力器最大帧率p，通过下式确定磁扭力器最大帧率p：
p＝
其中，lw为绕线宽度，r0为绕线单位宽度内阻；
通过设计单元13估算绕线质量mw，通过下式确定绕线质量mw：
其中，d为绕线半径，ρw为绕线密度；
通过设计单元13估算磁芯质量mc，通过下式确定磁芯质量mc：
其中，rc为磁芯直径，ρc为磁芯密度
通过设计单元13估算磁芯和绕线总质量m，通过下式确定磁芯和绕线的总质量m：
通过设计单元13估算绕线电感l，通过下式确定绕线电感l：
其中，μ0为绕线相对磁导率；
通过设计单元13估算建磁时间t，通过下式确定建磁时间t：
其中，r为绕线总内阻。
对建磁时间t、绕线电感l、绕线层数n和磁芯长径比λ进行限制，通过下式对对建磁时间t、绕线电感l、绕线层数n和磁芯长径比λ进行限制：
步骤3：所述筛选单元14对微小华硕磁扭力器多目标设计结果进行筛选，所述筛选条件包括磁芯和绕线的总质量、时间常数、绕线电感、功耗、绕线电压、绕线层数和磁芯长径比；
所述筛选单元14对微小华硕磁扭力器多目标设计结果进行筛选具体为：筛选帧率最小的设计结果、质量最小的设计结果或则帧率质量乘积最小的设计结果。
步骤4：所述文件输出单元15显示额定输出磁矩、磁芯种类选择、绕线半径、工作电流、衰减因子和绕线的设计参数，磁芯最小容积、实际磁芯容积、磁芯半径、磁芯厚度、磁芯长径比、退磁因子、每层阻值、绕线层数、绕线宽度、绕线内阻、绕线电压、平均电流、总帧率、绕线电感、时间常数和磁扭力器的总质量，以及给定目标优化函数下的最优设计方案。
所述衰减因子取值为0.7至0.9之间。
构建目标函数，通过下式表示目标函数：
f(p,m)＝m2+p2
其中，f(p,m)为目标函数；
当f(p,m)取最小值是，即获得质量帧率平方和最小的最优方案。
具体施行例二：
按照图2载流线圈在磁场中的受力模型，所受转矩满足式(1)
为载流线圈的磁矩，为线圈面积矢量，i为通过线圈的电压，为磁感性硬度。
空芯线圈形成的磁场小，难以满足卫星姿态控制系统的指标要求。因而必须通过磁性材料的磁化作用，来提升通电缆线圈形成的磁场。载流线圈中插入磁芯，其内部磁感应硬度明显提高，形成的磁矩也显著减小，磁感应硬度和磁矩的大小可由式(3)和式(4)表示
式中：n为磁扭力器绕线阻值；lc为磁芯宽度；rc为磁芯直径；v为磁芯容积；μr为磁芯相对磁导率。
式中：nd为磁芯的退磁因子，lc/rc越大，nd越小；相同条件下形成的磁矩越大。
磁扭力器输出磁矩与磁芯容积v、磁芯内部磁感应硬度b相关。式(4)为磁矩理论估算公式，实际应用经常引入衰减因子ηa，取值0.7～0.9；若磁芯的饱和磁感应硬度为bs，为保证线性度，对饱和磁感性硬度进行降额，设降额系数为ξ，ξ一般取0.8，所以公式(4)变换为
要达到额定输出磁矩，磁芯容积v应满足
设磁芯长径比λ为
由公式(8)(9)(10)可知磁芯最小长径比满足
通过式(11)可确定磁芯的规格，从而求得磁芯的实际容积v0，由式(7)可知，此时
因为v0≥v，所以b≤ξbs。当磁芯容积为v0，磁扭力器工作在额定电流u时，假若此时磁扭力器可以形成b的磁感应硬度，则该磁扭力器可以形成m的额定输出磁矩，由式(3)可知此时存在如下关系
将式(12)代入(13)通分可得
式中不仅参数n和i外其他参数均已知，设线圈宽度近似等于磁芯厚度，且每匝线圈之间紧密缠绕，没有间隙，则每层的绕线阻值n0为
设绕线层数为n，第n+1层绕线阻值为nr，则总绕线阻值n为
n＝nn0+nr(16)
工程施行中常取nr＝0，即
n＝nn0(17)
绕线中通过的电压i为
式中：r为绕线总阻值，r0为绕线单位宽度阻值，lw为绕线宽度，存在如下估算公式
lw＝nn0·2πrc+n2n0·πd(19)
将式(17)、(18)、(19)代入式(13)可得
最终通分可得
由式(21)可知磁力矩器，当磁芯和绕线确定后，满足设计要求的方案中，绕线层数存在最大值。以设计一款额定输出磁矩5am2的磁扭力器为例，工作电流12v，磁芯的饱和磁感应硬度为0.7t，磁芯半径8～16mm，磁芯半径变化步长1mm，长径比不低于50，长径比变化步长为1，绕线半径0.25mm，衰减因子0.8，通过式(21)估算出的可行方案共11722种，可依照具体设计须要进行选定。
在确保额定输出磁矩的前提下，微小卫星的磁扭力器应当满足“三小、一低、一快”的要求，即小规格、小重量、小帧率、低剩磁矩和快速响应(小时间常数)。本发明仅针对质量和帧率进行优化设计。
由公式(3)和公式(12)可以估算通过绕线的平均电压为
可确定磁扭力器最大帧率p为
p＝(23)
绕线质量mw为
磁芯质量mc为
总质量m为
绕线电感l为
建磁时间t为
据式(23)和式(26)求得对应的质量和帧率。要选择最优的设计方案，即在满足额定输出磁矩的同时，使帧率p和总质量m尽可能小。图3和图4给出了在上述设计实例中磁扭力器的质量和帧率的关系图。图3中每条曲线表示了在磁芯半径为10mm、不同长径比下质量和帧率的关系，图4中每条曲线表示了在长径比为50，不同磁芯半径下质量和帧率的关系。从两幅图中可以看出磁扭力器的质量和帧率互相矛盾，过于优化一个变量，会使另一个变量随之恶化，设计过程中要对两个变量进行权衡。
本发明中所列出的实例涉及到的最优方案仅针对质量和帧率，实际设计中还包含其他设计参数，我们依照具体设计要求对其他参数进行约束，如式(29)所示
在此约束下，上述实例中可行的设计方案共有241种，选定如下目标函数
f(p,m)＝m2+p2(30)
当f(p,m)取最小值时，即质量帧率平方和最小时的方案为最优方案。在式(30)的目标函数下求得的最优方案的设计参数如表1所示。
表1优化函数下的磁扭力器设计参数
由以上剖析可知最优可行方案中，磁芯的饱和磁感应硬度为0.7，半径10mm，宽度220mm，绕线半径为0.25mm，每层阻值760，绕线层数6。图5为设计好的磁扭力器，图6为磁扭力器测试实验。
测试的具体原理如图7所示，在距离磁扭力器刚体r处的磁感应强为b，br和bt度分别为b沿r径向和切向的份量，它们与磁矩m的关系满足
为了使检测和估算简便，常选定θ＝0°和θ＝90°两个特殊位置，如图8和图9所示。
当θ＝0°时
当θ＝90°时
由上述剖析可知，磁矩的检测可以转化成对确定位置磁感应硬度的检测，磁感应硬度可通过磁强计进行检测，本发明在θ＝0°，r＝2l的条件下进行磁扭矩的测试，测试点的环境磁感性硬度为br＝-0.0316t，测试数据如表2所示。
表2磁扭力器标定数据
图10是按照实验结果直接拟合的磁扭力器的电压和磁感应硬度关系曲线，图11是通过关系式将磁感应硬度转化为磁矩后，拟合的磁矩和电压的关系曲线，如式(34)
m＝0.+0.(34)
当输出磁矩为5am2时，绕线电压为97.7ma，经过估算，线性度偏差大于0.3％。
由式(16)、(12)和(4)可估算出输出磁矩和绕线电压的理论关系式
由式(34)和式(35)可以看出，两个关系式存在一定偏差，这个偏差主要由衰减因子的选定造成的。本例中衰减因子选定的较小，这样可以保证设计方案有较大的余量。倘若不考虑衰减因子，则输出磁矩和绕线电压的理论关系式为
则实际衰减因子ξ为
ξ＝0./0.06117≈0.836(37)
上例设计过程衰减因子选定的为0.8，衰减因子的取值范围通常为0.7～0.9，衰减因子选定不当，会使标定曲线与理论曲线的一定偏离，为使设计方案有更大的余量，衰减因子可以适当选定的小一些。
使用本发明所述方式估算设计的磁扭力器已在“吉林一号”星座系列卫星上得到充分应用，这种证明了设计方案的正确性和可行性。
以上所述仅是一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式的优选施行方法，一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式的保护范围并除了局限于上述施行例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该强调，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这种改进和变化也应视为本发明的保护范围。
技术特点：
1.一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，其特点是：包括以下步骤：
步骤1：参数输入单元(11)将额定输出磁矩、磁芯种类选择、磁芯半径范围、磁芯半径变化步长、长径比变化范围、长径比变化步长、绕线半径选择、工作电流、衰减因子、绕线结构的设计参数，输入至设计单元(13)；
步骤2：所述设计单元(13)调阅磁芯和绕线数据库(12)中的磁芯和绕线数据，进行微小华硕磁扭力器多目标设计；
步骤3：所述筛选单元(14)对微小华硕磁扭力器多目标设计结果进行筛选，所述结果包括磁芯和绕线的总质量、时间常数、绕线电感、功耗、绕线电压、绕线层数和磁芯长径比；
步骤4：所述文件输出单元(15)显示额定输出磁矩、磁芯种类选择、绕线半径、工作电流、衰减因子和绕线的设计参数，磁芯最小容积、实际磁芯容积、磁芯半径、磁芯厚度、磁芯长径比、退磁因子、每层阻值、绕线层数、绕线宽度、绕线内阻、绕线电压、平均电流、总帧率、绕线电感、时间常数和磁扭力器的总质量，并给定目标函数获得最优设计方案。
2.按照权力要求1所述的一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，其特点是：磁芯和绕线数据库(12)中的磁芯和绕线数据包括磁芯饱和磁感应硬度、相对磁导率、矫顽力和密度，磁芯和绕线数据库(12)中的磁芯和绕线数据还包括绕线半径、最大直径、击穿电流、导体内阻、最小挠度和密度。
3.按照权力要求1所述的一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，其特点是：所述筛选单元(14)对微小华硕磁扭力器多目标设计结果进行筛选具体为：筛选帧率最小的设计结果、质量最小的设计结果或则帧率质量乘积最小的设计结果。
4.按照权力要求1所述的一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，其特点是：所述设计单元(13)调阅磁芯和绕线数据库(12)中的磁芯和绕线数据，进行微小华硕磁扭力器多目标设计具体为：
所述设计单元(13)估算通过绕线的平均电压i,通过下式表示平均电压i：
其中，lc为磁芯宽度，n为磁扭力器绕线阻值，m为磁矩，ηa为衰减因子，v0为磁芯容积；
通过设计单元(13)估算磁扭力器最大帧率p，通过下式确定磁扭力器最大帧率p：
p＝
其中，lw为绕线宽度，r0为绕线单位宽度内阻；
通过设计单元(13)估算绕线质量mw，通过下式确定绕线质量mw：
其中，d为绕线半径，ρw为绕线密度；
通过设计单元(13)估算磁芯质量mc，通过下式确定磁芯质量mc：
其中，rc为磁芯直径，ρc为磁芯密度
通过设计单元(13)估算磁芯和绕线总质量m，通过下式确定磁芯和绕线的总质量m：
通过设计单元(13)估算绕线电感l，通过下式确定绕线电感l：
其中，μ0为绕线相对磁导率；
通过设计单元(13)估算建磁时间t，通过下式确定建磁时间t：
其中，r为绕线总内阻。
5.按照权力要求4所述的一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，其特点是：所述衰减因子取值为0.7至0.9之间。
6.按照权力要求4所述的一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，其特点是：对建磁时间t、绕线电感l、绕线层数n和磁芯长径比λ进行限制，通过下式对对建磁时间t、绕线电感l、绕线层数n和磁芯长径比λ进行限制：
7.按照权力要求1所述的一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式，其特点是：构建目标函数，通过下式表示目标函数：
f(p,m)＝m2+p2
其中，f(p,m)为目标函数；
当f(p,m)取最小值是磁力矩器，即获得质量帧率平方和最小的最优方案。
技术总结
本发明是一种微小华硕磁扭力器多目标设计方式。所述方式基于一种微小华硕磁扭力器多目标设计系统，系统包括：参数输入单元(11)、磁芯和绕线数据库(12)、设计单元(13)、筛选单元(14)和文件输出单元(15)；所述设计单元(13)依据参数输入单元(11)、磁芯和绕线数据库(12)的磁扭力器相关设计信息进行剖析估算，估算得出全部可行的设计方案，筛选单元(14)依据给定的筛选条件，从全部可行的设计方案中筛选出较为优化的设计方案，同时在筛选的条件范围内提取出最优的设计方案。所得结果通过文件输出单元(15)输出显示。
技术研制人员：刘剑;陈茂胜;孔令波;赵一航;任昶
受保护的技术使用者：长光卫星技术有限公司
技术研制日：2020.03.18
技术公布日：2020.07.28