一种多层螺线管模型的设计方法与流程

本发明涉及螺线管模型，更具体地，涉及一种多层螺线管模型的设计方法。

背景技术：

1、在物理学中，螺线管一般认为是单层空心或内部有金属芯的基本结构，广泛用于电磁领域。在卫星技术领域，尤其在中低轨道空间，绝大多数卫星都配备一套非常重要的执行机构——磁力矩器，它是卫星姿态控制的主要执行部件之一，也是可靠度最高的部件。磁力矩器产生磁矩与所处的地磁场相互作用产生磁力矩，用于卫星姿态控制，通常与其他角动量交换装置(如飞轮)配合使用，卸载过饱和角动量。

2、目前，依据单层螺线管的设计原理无法最优化的完成星上磁力矩器的多目标设计要求，现有技术中都存在某种不足，专利文献cn 111460634a(申请号：202010194224.6)中公开了一种微小微星磁力矩器多目标设计方法，该设计方法虽阐述较为全面，但是并未推导出最重要的磁矩模型，使用精度较低而且解算过程很繁琐，cn 112926268a(申请号：202110261950.x)公开了一种用于扁平式结构卫星的磁力矩器的设计方法及磁力矩器组，针对扁平式应用场景规划了相应的设计程序，但仍存在使用精度较低的问题，且现有的螺线管三维模型可适用的范围普遍较小。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多层螺线管模型的设计方法以解决现有技术中螺线管模型适用范围小，使用精度低，求解过程较为复杂的问题。

2、为了达到上述目的中的一个或几个，本发明采用下述技术方案：

3、本发明提供一种多层螺线管模型的设计方法，所述设计方法包括：

4、建立多层螺线管的构型图；

5、基于所述多层螺线管的构型图分别建立磁矩数学模型、功耗数学模型、质量数学模型；

6、通过所述磁矩数学模型、功耗数学模型和质量数学模型描述多层螺线管的三维数学模型。

7、可选地，所述多层螺线管的构型图包括第一构型图和第二构型图，基于所述构型图选取用于推导所述磁矩数学模型、功耗数学模型和质量数学模型的模型参数，所述模型参数作为描述所述磁矩数学模型、功耗数学模型和质量数学模型的自变量。

8、可选地，若所述构型图为第一构型图，则选取l、r1、n1和rw1作为所述模型参数；

9、其中l为磁芯长度，r1为磁芯半径，n1为线圈往返绕制次数，rw1为漆包线内半径。

10、可选地，根据选取的模型参数推导线圈的总长度lw1

11、

12、式(1)中t1为漆包线外径与内径之比；

13、根据公式(1)得出的线圈总长度lw1推导线圈总电阻r1

14、

15、式(2)中，ρ1为漆包线电阻率；

16、根据所述线圈总电阻r1和施加在线圈两端的电压u1推导线圈中通过的电流i1

17、

18、式(3)中，u1为线圈供电电压；

19、根据所述线圈的总长度lw1电阻r1和电流i1推导磁矩数学模型m1

20、

21、式(4)中，μr为相对磁导率，

22、可选地，根据施加在线圈两端的所述电压u1与线圈总电阻r1，得到功耗数学模型表达式

23、

24、可选地，根据所述磁芯长度l和半径r1推导磁芯质量m1

25、m1＝πσclr12(6)

26、公式(6)中，σc为磁芯的质量密度；

27、根据所述线圈总长度lw1推导线圈质量m2

28、m2＝πσw1lw1(t1rw1)2＝2π2n1lσw1t1rw1(2n1t1rw1+r1)  (7)

29、公式(7)中，σw1为线圈的质量密度；

30、根据所述磁芯质量m1和线圈质量m2建立质量数学模型表达式

31、

32、可选地，若所述构型图为第二构型图，则选取l、w、r2和rw2作为所述模型参数；

33、其中，l为矩形线圈内圈的宽度，w为排线宽度，r2为矩形线圈的倒圆角半径，rw2为漆包线内半径。

34、可选地，根据选取的所述模型参数推导线圈的总长度lw2

35、

36、式(8)中，n2为线圈往返绕制次数，t2为漆包线外径与内径之比；

37、根据公式(8)得出的矩形线圈总长度lw2推导线圈总电阻r2

38、

39、式(9)中，ρ2为漆包线电阻率；

40、根据所述矩形线圈总电阻r2和施加在矩形线圈两端的电压u2推导矩形线圈中通过的电流i2

41、

42、式(10)中，u2为矩形线圈供电电压；

43、根据平面几何原理推导平均截面积s2；

44、s2＝(l+4n2t2rw2)2-(4-π)(r2+2n2t2rw2)2(11)

45、根据电流i2和平均截面积s2推导磁矩数学模型表达式

46、

47、式(12)中，为单层绕制匝数。

48、可选地，根据施加在矩形线圈两端的电压u2与线圈总电阻r2，推导功耗数学模型表达式

49、

50、可选的，根据矩形线圈总长度lw2推导质量数学模型表达式

51、m4＝πσw2lw2(t2rw2)2＝2πσw2wn2t2rw2[π[r2+t2rw2+(n2-1)t2rw2]+2(l-2r2)](14)

52、式(14)中，σw2为漆包线的质量密度。

53、本发明的有益效果如下：

54、与现有技术相比较，本发明提供了一种多层螺线管模型的设计方法，综合考虑了实际工程应用与加工等约束情况，可依据不同技术要求给出相关指标的约束方程，本多层螺线管模型的设计方法可将磁芯更换为多种不同铁磁质材料不仅适用于第一构型图样式的求解，也适用于第二构型图样式的求解适用范围更广，其与现有模型相比精度更高，更贴合实际情况，求解更加方便。

技术特征：

1.一种多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

2.根据权利要求1所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，所述多层螺线管的构型图包括第一构型图和第二构型图，基于所述构型图选取用于推导所述磁矩数学模型、功耗数学模型和质量数学模型的模型参数，所述模型参数作为描述所述磁矩数学模型、功耗数学模型和质量数学模型的自变量。

3.根据权利要求2所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，若所述构型图为第一构型图，则选取l、r1、n1和rw1作为所述模型参数；

4.根据权利要求3所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，根据选取的模型参数推导线圈的总长度lw1

5.根据权利要求4所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，根据施加在线圈两端的所述电压u1与线圈总电阻r1，得到功耗数学模型表达式

6.根据权利要求4所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，根据所述磁芯长度l和半径r1推导磁芯质量m1

7.根据权利要求2所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，若所述构型图为第二构型图，则选取l、w、r2和rw2作为所述模型参数；

8.根据权利要求7所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，根据选取的所述模型参数推导线圈的总长度lw2

9.根据权利要求8所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，根据施加在矩形线圈两端的电压u2与线圈总电阻r2，推导功耗数学模型表达式

10.根据权利要求8所述的多层螺线管模型的设计方法，其特征在于，根据矩形线圈总长度lw2推导质量数学模型表达式

技术总结
本发明公开一种多层螺线管模型的设计方法，所述设计方法包括：建立多层螺线管的构型图，基于所述多层螺线管的构型图分别建立磁力矩器的磁矩数学模型、功耗数学模型、质量数学模型，通过所述磁矩数学模型、功耗数学模型和质量数学模型描述多层螺线管的三维数学模型。本发明解决了现有技术中螺线管模型在实际使用中精度低，求解过程较为复杂的问题。

技术研发人员：付志明,孙鹏飞,辛星,郭聪
受保护的技术使用者：航天科工空间工程发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13