基于ANSYS和iSIGHT的磁悬浮轴承结构优化设计_肖林京
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
［5 － 6 ］
导率； B e 表示单元的磁感应强度。 以上计算结果与试验结果非常吻合， 有足够 因此采用有限元法来仿真磁悬浮轴承 。 的正确性，
2
ANSYS 对磁悬浮轴承的建模和仿真
采用 APDL 语言编写并建立参数化模型， 使
得磁悬浮轴承的参数可以方便调整， 自动生成新 的模型， 为下一步 iSIGHT 的优化提供接口。 对于 8 极径向磁轴承（ 图 1 ） ， 当转子处于轴承 的几何中心时， 上磁极对线圈进行加载。 定子和 转子采用无取向硅钢 50W270 叠压而成， 其磁化曲 线如图 2 所示， 取饱和前允许的最大磁感应强度 B max = 0． 8 T， 线圈加载电流的大小由最大磁感应 强度 B max 决定。轴承的初始结构参数包括可变参 数和不变参 数。 可 变 参 数 为 线 圈 槽 的 槽 口 高 度 H1 = 1 mm， 槽口宽度 H3 = 2． 5 mm， 磁极高度 H2 = 10 mm， 磁极宽度 W1 = 10 mm； 不变参数为定子外 径 R = 65 mm， 定 子 内 径 R1 = 25 mm， 气隙 G =
收稿日期： 2011 － 09 － 06 ； 修回日期： 2011 － 10 － 17 作者简介： 肖林京（ 1966 —） ， 男， 山东沂水县人， 工学博士， 教授， 博士生导师。 主要研究方向为机电液一体化 、 磁悬 浮技术； 张绪帅（ 1987 —） ， 男， 山东曹县人， 硕士研究生， 主 要从事磁悬浮风力发电和磁悬浮飞轮储能等方面的研究 。 E － mail： zxshuai@ 126． com。
2 0． 3 mm， 电流密度 J d = 6 A / mm 。
（ 1） （ 2） （ 3）
式中： 为向量微分算子； H 为磁场强度矢量； J z 为 电流场密度矢量； B 为磁通密度矢量； μ 为磁导率。 引入矢量磁势 A， 使得 B= ×A 。 根据边界条件得 A z = A z0 = 0 （ 第一类边界） ， （ 4） （ 5）
图1
8 极磁悬浮轴承结构图
∫∫ H·dBdv ，
v
B
0
式中： W m 为系统的磁场能量； v 为单元体积。 经过 （ 7 ） 式可表示为 二维有限元离散化， F = － － － q s
N
∫∫ H·dBdS =
0
B
∑ ∫ B2e dS e = 1 q 2 μ e
Δe N
1
= （ 9）
图2
Design and Optimization of Magnetic Bearings Based on ANSYS and iSIGHT
XIAO Lin － jing，ZHANG Xu － shuai，CHANG Long，GUO Hai
（ College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590 ， China） Abstract： Taking octupole active radial magnetic bearing as an example，an integrated analytical method is proposed based on multidisciplinary optimization software iSIGHT and general finite element software ANSYS． First of all，in orcorresponding model is established based on ANSYS and the simulation is perder to obtain several bearing parameters， formed． Then，the model and parameters are integrated with iSIGHT，the model is optimized with NLPQL algorithm and the optimal size of the magnetic bearings under specified constraints is obtained． Key words： magnetic bearing； ANSYS； iSIGHT； multi － objective optimization； NLPQL； optimal size
1
磁悬浮轴承的电磁场分析
由于文中研究的主动磁悬浮轴承是利用电磁
· 6·
《轴承》 2012． №． 5
力实现转轴的悬浮， 因此在轴承的设计过程中， 电 磁力的计算过程尤为重要。 目前对磁悬浮轴承电 磁力计算主要有解析法和有限元法 。 1． 1 解析法 由于解析法中忽略了一些因素， 导致结果与 从而使得转子的受力特性 实际存在较大的误差， 和磁悬浮轴承的结构参数设计不够精确。 因而只 能作为辅助方法来参考计算。 1． 2 有限元法 磁轴承工作在静态工作点时， 可认为定子和 转子间为静态场， 列出电磁轴承系统的 Maxwell 方 程组为 × H = Jz ， ·B = 0 ， B = μH，
过程简单而高效。 在整个优化过程中， 由于采用 模块化的方法将 ANSYS 和 iSIGHT 结合， 建立了 一个参数可变的磁悬浮轴承模型， 并实现了从建 模到分析 及 优 化 的 自 动 化， 分 析 效 率 高， 简便快 捷， 能够满足当前对分析和优化的要求 。 文中以 8 极径向主动磁悬浮轴承为例， 采用 ANSYS 对磁悬浮轴承建模和仿真， 并在此基础上 将参数及模型集成到 iSIGHT 中， 对该模型进行了 多目标优化， 以得出该轴承结构的最优尺寸。
50W270 磁化曲线
（ B2 ∑ e） e = 1 q 行几何建模， 再经过网 格划分并求解后， 得到磁悬浮轴承的电磁场分布 如图 3 所示， 颜色越深代表磁感应强度越大。 从 磁感应强度最大 图中可以看出磁场分布不均匀， 的点出现在磁轭与磁极连接处。
主动磁悬浮轴承（ AMB ） 是利用电磁铁产生的 可调电磁力将高速转子无接触地悬浮于其轴心位 置的一种新型轴承。 与传统的机械轴承相比， 磁 高速度、 低功耗、 高精度和 轴承具有无接触摩擦、 无需润滑等优点， 广泛的应用于交通、 高速机床、 航空航天等工业领域
［1 － 2 ］
3 － 4］ 能的影响。文献［ 用有限元方法对磁轴承电 磁特性进行了分析。但是随着设计变量的增多和外 界因素的影响， 需要解决管理和数据协调上的许多问 题， 传统的建模和分析方法已满足不了要求。 在此， 采用能与有限元分析软件 ANSYS 无缝
A z = 0 （ 第二类边界） 。 （ 6） n 将（ 5 ） ～ （ 7 ） 式联立， 可以求出 A z 。 有限元法 就是把整个求解区域剖分成各个单元和节点， 用 上述方法求出各节点的矢量磁势 A 后， 由（ 4 ） 式求 出每个单元的磁感应强度 B 的值。此时的 B 考虑 了边缘效应和漏磁情况。 计算电磁力时可以通过对转子周围空气层的 力进行求和， 空气层单元 q 方向上力的基本公式 可以表示为 F= － Wm = W m ， q （ 7） （ 8）
图4
磁力线分布图
3
iSIGHT 优化分析
iSIGHT 是一套可以整合设计流程中所使用的
并且是一个能自动进行最优化 各项软件的工具， 设计的软件系统平台。 它融合了设计优化中需要 的 3 大主要功能： 自动化功能、 集成化功能和最优 化功能。iSIGHT 的这种特性使得产品的设计周期 缩短、 产品成本降低和品质提升。 传统的优化方 然后导入 法是利用建模工具建立所需要的模型， 分析软件， 进行产品分析。 而文中通过对 iSIGHT 和 ANSYS 的集成， 可以针对不同的问题， 且可以 从而通过智能化的探 任意嵌套和组合各种算法， 索， 选择新的设计出发点， 进而仿真和优化， 实现 过程的自动化。 在每次循环过程中， 可以实现实 而且设计的参数输入和输出可以在执行 时监控， 过程中显示， 方便控制。 3． 1 数学模型的建立 在此， 主要研究磁悬浮轴承在提供足够大的
e = 1， …， N； S 为离散的二维单 式中： e 为单位号， 元的面； Δ e 为单元的面积； μ e 表示单元相应的磁
肖林京， 等： 基于 ANSYS 和 iSIGHT 的磁悬浮轴承结构优化设计
· 7·
如何设计轴承的参数， 使得轴承能在满足约束的 条件下实现最优化， 节约成本。 对于文中模型可表示为 Minmize m（ X ） ， s． t． 0． 6 ≤B max （ X ） ≤0． 8 ， 70 N≤F yy （ X ） 0． 5 ≤H1 ≤1． 5 8． 0 ≤H ≤12 2 ， X= 1． 0 ≤H3 ≤3． 0 3． 5 ≤H4 ≤5． 5 式中： Minimize 代表向量的极小化， 也就是向量目 标函数组中各个目标函数都尽可能达到最小化。 s． t． 为约束条件。 即找到最优的 X 使得在满足约 束的条件下得到最小的质量。 3． 2 iSIGHT 和 ANSYS 的集成优化 ANSYS 通过 图 5 所示为 iSIGHT 优化流程图， 编程集成到 iSIGHT 中， 采用批处理方式运用脚本 命令驱动 ANSYS 软件进行分析， 然后读取输出文 件， 利用 iSIGHT 自 身 优 化 算 法 进 行 设 计 参 数 修 改， 修改后的设计变量返回分析的输入文件， 然后 再传递给 ANSYS 进行下一步运算。
图5 iSIGHT 优化流程图
本例 的 iSIGHT 主 要 包 括 以 下 几 个 文 件： input．txt， magneticbear．txt， bearanalysis．bat， isight． desc。各文件的主要功能和作用如下所述 。 （ 1 ） bearanalysis． bat 调用一个用 ANSYS 语言 编写的 APDL 文件， 用于从输入文件中读取磁悬 浮轴承的参数， 然后在 ANSYS 中进行模型的调用 和仿真； 同时将 ANSYS 计算结果写入到输入文件 input． txt 中， 以便 iSIGHT 下一次的优化调用； （ 2 ） input． txt， magneticbear． txt 为系统的输入 输出文件， 储存每次仿真的模型变量数值； （ 3 ） isight． desc 为 iSIGHT 工 程 文 件， 与 ANSYS 集成后生成， 是系统的执行文件。 ANSYS 集成到 iSIGHT 中的操作界面如图 6
［5 ］ 兼容的多学科优化设计软件 iSIGHT ， 可使设计
。 磁轴承性能的好坏虽
然与控制系统的设计密不可分， 但是机械结构选 择同样对其有着至关重要的影响。 磁轴承所能获 得的最大承载能力由所使用的磁性材料的最大磁 为了增加电磁轴承的承载力， 减小 通密度所决定， 起重量和尺寸， 有必要对磁轴承的结构进行合理 地分析与研究， 从而减少磁饱和现象对磁轴承性
图3
磁感应强度分布图
同时， 从图 4 可以看出， 磁悬浮轴承模型的磁 具有对称性， 力线大部分能按照预期的路线分布， 但是回路中也存在一定程度的漏磁现象， 因此有 限元法得到的气隙磁感应强度会比解析法偏小， 最终该分 析 模 型 得 到 的 最 大 磁 感 应 强 度 B max = Maxwell 力 F yy = 72． 165 7 N， 0． 827 8 T， 定子质量 m = 2． 724 1 kg。
ISSN1000 － 3762 CN41 － 1148 / TH
轴承 2012 年 5 期 Bearing 2012 ， No． 5
5 －8
基于 ANSYS 和 iSIGHT 的磁悬浮轴承结构优化设计
肖林京， 张绪帅， 常龙， 郭海
（ 山东科技大学 机械电子工程学院， 山东 青岛 266590 ）
摘要： 以 8 极径向主动磁悬浮轴承为例， 提出了一种使用多学科优化软件 iSIGHT 与通用有限元软件 ANSYS 集 成的分析方法。首先应用 ANSYS 建立相应的模型并对其进行仿真， 得出该轴承的一些参数， 在此基础上将参 数及模型集成到多学科优化软件 iSIGHT 中， 采用 NLPQL 算法对该模型进行多目标优化设计， 在指定的约束条 件下得出了磁悬浮轴承结构的最优尺寸 。 关键词： 磁悬浮轴承； ANSYS； iSIGHT； 多目标优化； NLPQL； 最优尺寸 中图分类号： TH133． 3 文献标志码： B 文章编号： 1000 － 3762 （ 2012 ） 05 － 0005 － 04
导率； B e 表示单元的磁感应强度。 以上计算结果与试验结果非常吻合， 有足够 因此采用有限元法来仿真磁悬浮轴承 。 的正确性，
2
ANSYS 对磁悬浮轴承的建模和仿真
采用 APDL 语言编写并建立参数化模型， 使
得磁悬浮轴承的参数可以方便调整， 自动生成新 的模型， 为下一步 iSIGHT 的优化提供接口。 对于 8 极径向磁轴承（ 图 1 ） ， 当转子处于轴承 的几何中心时， 上磁极对线圈进行加载。 定子和 转子采用无取向硅钢 50W270 叠压而成， 其磁化曲 线如图 2 所示， 取饱和前允许的最大磁感应强度 B max = 0． 8 T， 线圈加载电流的大小由最大磁感应 强度 B max 决定。轴承的初始结构参数包括可变参 数和不变参 数。 可 变 参 数 为 线 圈 槽 的 槽 口 高 度 H1 = 1 mm， 槽口宽度 H3 = 2． 5 mm， 磁极高度 H2 = 10 mm， 磁极宽度 W1 = 10 mm； 不变参数为定子外 径 R = 65 mm， 定 子 内 径 R1 = 25 mm， 气隙 G =
收稿日期： 2011 － 09 － 06 ； 修回日期： 2011 － 10 － 17 作者简介： 肖林京（ 1966 —） ， 男， 山东沂水县人， 工学博士， 教授， 博士生导师。 主要研究方向为机电液一体化 、 磁悬 浮技术； 张绪帅（ 1987 —） ， 男， 山东曹县人， 硕士研究生， 主 要从事磁悬浮风力发电和磁悬浮飞轮储能等方面的研究 。 E － mail： zxshuai@ 126． com。
2 0． 3 mm， 电流密度 J d = 6 A / mm 。
（ 1） （ 2） （ 3）
式中： 为向量微分算子； H 为磁场强度矢量； J z 为 电流场密度矢量； B 为磁通密度矢量； μ 为磁导率。 引入矢量磁势 A， 使得 B= ×A 。 根据边界条件得 A z = A z0 = 0 （ 第一类边界） ， （ 4） （ 5）
图1
8 极磁悬浮轴承结构图
∫∫ H·dBdv ，
v
B
0
式中： W m 为系统的磁场能量； v 为单元体积。 经过 （ 7 ） 式可表示为 二维有限元离散化， F = － － － q s
N
∫∫ H·dBdS =
0
B
∑ ∫ B2e dS e = 1 q 2 μ e
Δe N
1
= （ 9）
图2
Design and Optimization of Magnetic Bearings Based on ANSYS and iSIGHT
XIAO Lin － jing，ZHANG Xu － shuai，CHANG Long，GUO Hai
（ College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590 ， China） Abstract： Taking octupole active radial magnetic bearing as an example，an integrated analytical method is proposed based on multidisciplinary optimization software iSIGHT and general finite element software ANSYS． First of all，in orcorresponding model is established based on ANSYS and the simulation is perder to obtain several bearing parameters， formed． Then，the model and parameters are integrated with iSIGHT，the model is optimized with NLPQL algorithm and the optimal size of the magnetic bearings under specified constraints is obtained． Key words： magnetic bearing； ANSYS； iSIGHT； multi － objective optimization； NLPQL； optimal size
1
磁悬浮轴承的电磁场分析
由于文中研究的主动磁悬浮轴承是利用电磁
· 6·
《轴承》 2012． №． 5
力实现转轴的悬浮， 因此在轴承的设计过程中， 电 磁力的计算过程尤为重要。 目前对磁悬浮轴承电 磁力计算主要有解析法和有限元法 。 1． 1 解析法 由于解析法中忽略了一些因素， 导致结果与 从而使得转子的受力特性 实际存在较大的误差， 和磁悬浮轴承的结构参数设计不够精确。 因而只 能作为辅助方法来参考计算。 1． 2 有限元法 磁轴承工作在静态工作点时， 可认为定子和 转子间为静态场， 列出电磁轴承系统的 Maxwell 方 程组为 × H = Jz ， ·B = 0 ， B = μH，
过程简单而高效。 在整个优化过程中， 由于采用 模块化的方法将 ANSYS 和 iSIGHT 结合， 建立了 一个参数可变的磁悬浮轴承模型， 并实现了从建 模到分析 及 优 化 的 自 动 化， 分 析 效 率 高， 简便快 捷， 能够满足当前对分析和优化的要求 。 文中以 8 极径向主动磁悬浮轴承为例， 采用 ANSYS 对磁悬浮轴承建模和仿真， 并在此基础上 将参数及模型集成到 iSIGHT 中， 对该模型进行了 多目标优化， 以得出该轴承结构的最优尺寸。
50W270 磁化曲线
（ B2 ∑ e） e = 1 q 行几何建模， 再经过网 格划分并求解后， 得到磁悬浮轴承的电磁场分布 如图 3 所示， 颜色越深代表磁感应强度越大。 从 磁感应强度最大 图中可以看出磁场分布不均匀， 的点出现在磁轭与磁极连接处。
主动磁悬浮轴承（ AMB ） 是利用电磁铁产生的 可调电磁力将高速转子无接触地悬浮于其轴心位 置的一种新型轴承。 与传统的机械轴承相比， 磁 高速度、 低功耗、 高精度和 轴承具有无接触摩擦、 无需润滑等优点， 广泛的应用于交通、 高速机床、 航空航天等工业领域
［1 － 2 ］
3 － 4］ 能的影响。文献［ 用有限元方法对磁轴承电 磁特性进行了分析。但是随着设计变量的增多和外 界因素的影响， 需要解决管理和数据协调上的许多问 题， 传统的建模和分析方法已满足不了要求。 在此， 采用能与有限元分析软件 ANSYS 无缝
A z = 0 （ 第二类边界） 。 （ 6） n 将（ 5 ） ～ （ 7 ） 式联立， 可以求出 A z 。 有限元法 就是把整个求解区域剖分成各个单元和节点， 用 上述方法求出各节点的矢量磁势 A 后， 由（ 4 ） 式求 出每个单元的磁感应强度 B 的值。此时的 B 考虑 了边缘效应和漏磁情况。 计算电磁力时可以通过对转子周围空气层的 力进行求和， 空气层单元 q 方向上力的基本公式 可以表示为 F= － Wm = W m ， q （ 7） （ 8）
图4
磁力线分布图
3
iSIGHT 优化分析
iSIGHT 是一套可以整合设计流程中所使用的
并且是一个能自动进行最优化 各项软件的工具， 设计的软件系统平台。 它融合了设计优化中需要 的 3 大主要功能： 自动化功能、 集成化功能和最优 化功能。iSIGHT 的这种特性使得产品的设计周期 缩短、 产品成本降低和品质提升。 传统的优化方 然后导入 法是利用建模工具建立所需要的模型， 分析软件， 进行产品分析。 而文中通过对 iSIGHT 和 ANSYS 的集成， 可以针对不同的问题， 且可以 从而通过智能化的探 任意嵌套和组合各种算法， 索， 选择新的设计出发点， 进而仿真和优化， 实现 过程的自动化。 在每次循环过程中， 可以实现实 而且设计的参数输入和输出可以在执行 时监控， 过程中显示， 方便控制。 3． 1 数学模型的建立 在此， 主要研究磁悬浮轴承在提供足够大的
e = 1， …， N； S 为离散的二维单 式中： e 为单位号， 元的面； Δ e 为单元的面积； μ e 表示单元相应的磁
肖林京， 等： 基于 ANSYS 和 iSIGHT 的磁悬浮轴承结构优化设计
· 7·
如何设计轴承的参数， 使得轴承能在满足约束的 条件下实现最优化， 节约成本。 对于文中模型可表示为 Minmize m（ X ） ， s． t． 0． 6 ≤B max （ X ） ≤0． 8 ， 70 N≤F yy （ X ） 0． 5 ≤H1 ≤1． 5 8． 0 ≤H ≤12 2 ， X= 1． 0 ≤H3 ≤3． 0 3． 5 ≤H4 ≤5． 5 式中： Minimize 代表向量的极小化， 也就是向量目 标函数组中各个目标函数都尽可能达到最小化。 s． t． 为约束条件。 即找到最优的 X 使得在满足约 束的条件下得到最小的质量。 3． 2 iSIGHT 和 ANSYS 的集成优化 ANSYS 通过 图 5 所示为 iSIGHT 优化流程图， 编程集成到 iSIGHT 中， 采用批处理方式运用脚本 命令驱动 ANSYS 软件进行分析， 然后读取输出文 件， 利用 iSIGHT 自 身 优 化 算 法 进 行 设 计 参 数 修 改， 修改后的设计变量返回分析的输入文件， 然后 再传递给 ANSYS 进行下一步运算。
图5 iSIGHT 优化流程图
本例 的 iSIGHT 主 要 包 括 以 下 几 个 文 件： input．txt， magneticbear．txt， bearanalysis．bat， isight． desc。各文件的主要功能和作用如下所述 。 （ 1 ） bearanalysis． bat 调用一个用 ANSYS 语言 编写的 APDL 文件， 用于从输入文件中读取磁悬 浮轴承的参数， 然后在 ANSYS 中进行模型的调用 和仿真； 同时将 ANSYS 计算结果写入到输入文件 input． txt 中， 以便 iSIGHT 下一次的优化调用； （ 2 ） input． txt， magneticbear． txt 为系统的输入 输出文件， 储存每次仿真的模型变量数值； （ 3 ） isight． desc 为 iSIGHT 工 程 文 件， 与 ANSYS 集成后生成， 是系统的执行文件。 ANSYS 集成到 iSIGHT 中的操作界面如图 6
［5 ］ 兼容的多学科优化设计软件 iSIGHT ， 可使设计
。 磁轴承性能的好坏虽
然与控制系统的设计密不可分， 但是机械结构选 择同样对其有着至关重要的影响。 磁轴承所能获 得的最大承载能力由所使用的磁性材料的最大磁 为了增加电磁轴承的承载力， 减小 通密度所决定， 起重量和尺寸， 有必要对磁轴承的结构进行合理 地分析与研究， 从而减少磁饱和现象对磁轴承性
图3
磁感应强度分布图
同时， 从图 4 可以看出， 磁悬浮轴承模型的磁 具有对称性， 力线大部分能按照预期的路线分布， 但是回路中也存在一定程度的漏磁现象， 因此有 限元法得到的气隙磁感应强度会比解析法偏小， 最终该分 析 模 型 得 到 的 最 大 磁 感 应 强 度 B max = Maxwell 力 F yy = 72． 165 7 N， 0． 827 8 T， 定子质量 m = 2． 724 1 kg。
ISSN1000 － 3762 CN41 － 1148 / TH
轴承 2012 年 5 期 Bearing 2012 ， No． 5
5 －8
基于 ANSYS 和 iSIGHT 的磁悬浮轴承结构优化设计
肖林京， 张绪帅， 常龙， 郭海
（ 山东科技大学 机械电子工程学院， 山东 青岛 266590 ）
摘要： 以 8 极径向主动磁悬浮轴承为例， 提出了一种使用多学科优化软件 iSIGHT 与通用有限元软件 ANSYS 集 成的分析方法。首先应用 ANSYS 建立相应的模型并对其进行仿真， 得出该轴承的一些参数， 在此基础上将参 数及模型集成到多学科优化软件 iSIGHT 中， 采用 NLPQL 算法对该模型进行多目标优化设计， 在指定的约束条 件下得出了磁悬浮轴承结构的最优尺寸 。 关键词： 磁悬浮轴承； ANSYS； iSIGHT； 多目标优化； NLPQL； 最优尺寸 中图分类号： TH133． 3 文献标志码： B 文章编号： 1000 － 3762 （ 2012 ） 05 － 0005 － 04