基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法，包括以下步骤：选定品质特性、确定控制因素、建立正交表、品质特性分析、确定最优方案及仿真验证。本发明专利技术采用Maxwell有限元仿真平台为田口法正交试验表的建立提供数据来源，结果准确，为均值分析及方差分析提供有效依据。本发明专利技术采用上述基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法，优化后的力矩器在保证工作气隙磁场强度的条件下，工作气隙磁场轴向极差以及端点极差大幅度降低，气隙磁场均匀性明显提升，增大了磁钢的磁能利用率。对比传统全因子试验法验证方法，减少了试验次数，可节约大量验证时间，提高实验效率，快速准确的得到力矩器结构的最优设计。速准确的得到力矩器结构的最优设计。速准确的得到力矩器结构的最优设计。

【技术实现步骤摘要】
基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法


[0001]本专利技术涉及一种加速度计力矩器设计技术，尤其涉及一种基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法。

技术介绍

[0002]力矩器作为石英挠性加速度计的基本元件之一，为加速度计反馈线圈提供稳定的磁场，其产生磁场的能力直接决定加速度计的性能优劣。力矩器主要由磁钢、磁极片、轭铁以及磁极片等结构组成。磁钢高度、磁极片长度、线圈气隙轭铁厚度、轭铁底部开孔大小、补偿环高度以及补偿环厚度等结构尺寸对线圈工作气隙磁场的强度与均匀性均有影响。故在力矩器结构多参数优化设计时，通常采用以下方法：
[0003]基于试误法的力矩器结构优化设计是实验者通过不断地尝试与错误，从而在一定的情景与反应之间建立联系。因此，试误法过度依赖实验者的经验，不具备系统性，消耗大量时间也可能得不到最优设计。
[0004]基于一次一因子试验法的力矩器结构优化设计是通过控制变量的手段，在一个时间段内只改变其中一个影响因子，其它影响因子保持不变。但是被改变的影响因子会随时间发生变化，难以确定优化结果是因为时间形成还是被改变的影响因子形成，所确定的优化操作常常并不准确，因人而异，导致引入大量工作，消耗大量时间。
[0005]基于全因子法的力矩器结构优化设计需考虑所有可能的影响因子的排列组合，所需大量实验测试佐证，虽最终可得到最优结果，但若考虑的因素和各因素的取值较多，排列组合试验数量较多，会消耗大量的试验时间，导致效率降低。
[0006]由于力矩器结构精密、微小且复杂，以上方法均不能满足高效快速的力矩器结构优化设计要求。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法，通过正交试验可获得每次试验下系统各品质特性结果，再根据均值和方差对比得到衡量品质特性相对于目标值优劣的程度，即可获得线圈工作气隙磁场强度与均匀性结果最佳时各元件结构参数的取值组合，基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法，可节约大量验证时间，快速准确的得到力矩器结构的最优设计。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法，包括以下步骤：
[0009]S1、选定品质特性：
[0010]由于在保证反馈磁场强度的条件下，以提升力矩器反馈线圈工作气隙磁场的均匀性为力矩器结构设计目标，故选择线圈中心位置气隙磁场轴向极差ΔB
R
、端点极差ΔB
D
以及线圈所受安培力F作为评价均匀性的品质特性；
[0011]S2、确定控制因素及因素水平：
[0012]根据力矩器结构特性，选定对气隙磁场的均匀性和强度都有关系的5个结构参数为控制因素：磁钢的长度L
m
、组成工作气隙处轭铁的厚度D
e
、补偿环高度L
b
、补偿环厚度D
b
和轭铁底部开孔半径r6；结合线圈结构，确定各控制因数的优化范围，从而确定各控制因素的水平取值；
[0013]S3、建立正交表：
[0014]由S2步骤，对于加速度计磁场均匀性及强度的控制因素共选取5个因素，每个因素取4个水平，建立L
16
54正交表，共16次试验；
[0015]S4、获取品质特性：
[0016]利用Maxwell有限元磁场仿真平台得到品质特性结果；
[0017]S5、品质特性分析：
[0018]对正交试验表进行均值分析和方差分析；
[0019]S6、根据步骤S5的分析结果确定最优方案：
[0020]根据均值分析结果以及方差分析结果对比得到衡量品质特性相对于目标值优劣的程度，最终获得线圈工作气隙磁场强度与均匀性结果最优时，各控制因素的取值组合；
[0021]S7、验证：
[0022]建立力矩器三维模型，采用Maxwell有限元磁场仿真平台进行仿真验证。
[0023]相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]1、采用Maxwell有限元仿真平台为田口法正交试验表的建立提供数据来源，为均值方差分析提供依据：
[0025]根据各影响因素不同水平建立正交试验表，以Maxwell有限元静磁场仿真软件为试验平台，以每次仿真试验所获得的加速度计力矩器品质特性为优化依据，对力矩器结构参数进行优化，结果准确，可为均值方差分析提供有效依据。
[0026]2、采用基于田口法的多参数力矩器优化设计方法，有效提高了力矩器工作气隙均匀性：
[0027]在保证气隙磁场强度的条件下，提升工作气隙磁场均匀性为优化目的，针对石英挠性加速计力矩器进行结构优化设计。采用基于田口法的多参数分析法，对力矩器多个结构参数同时进行优化，并以得到的最优结果建立力矩器三维模型，并通过Maxwell有限元分析软件进行验证，通过对比优化前与优化后的力矩器模型可知，工作气隙磁场轴向极差以及端点极差大幅度降低，有效提升工作气隙磁场的均匀性，增大了磁钢的磁能利用率。
[0028]且基于田口法的多参数力矩器分析法选取5因素4水平，只需16次试验，相比于全因子试验法验证共需1024次试验，可大幅度节约时间，提高实验效率。
[0029]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的流程框图；
[0031]图2为本专利技术的各因素不同水平对线圈受力的影响分析图；
[0032]图3为本专利技术的各因素不同水平对磁场端点极差影响分析图；
[0033]图4为本专利技术的各因素不同水平对磁场轴向极差影响分析图；
[0034]图5为优化前后力矩器截面磁场分布图对比图；
[0035]图6为优化前后轴向磁感应强度曲线对比图。
具体实施方式
[0036]以下将结合附图对本专利技术作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不限于本实施例。
[0037]基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法，包括以下步骤：
[0038]S1、选定品质特性：
[0039]由于在保证反馈磁场强度的条件下，以提升力矩器反馈线圈工作气隙磁场的均匀性为力矩器结构设计目标，故选择线圈中心位置气隙磁场轴向极差ΔB
R
、端点极差ΔB
D
以及线圈所受安培力F作为评价均匀性的品质特性；
[0040]S2、确定控制因素：
[0041]根据力矩器结构特性，选定对气隙磁场的均匀性和强度都有关系的5个结构参数为控制因素：磁钢的长度L
m
、组成工作气隙处轭铁的厚度D
e
、补偿环高度L
b
、补偿环厚度D
b
和轭铁底部开孔半径r6；结合线圈尺寸结构，确定各控制因数的优化范围，从而确定各控制因素的水平取值，如表1所示。
[0042]表1为正交本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于田口法多参数分析的力矩器结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、选定品质特性：由于在保证反馈磁场强度的条件下，以提升力矩器反馈线圈工作气隙磁场的均匀性为力矩器结构设计目标，故选择线圈中心位置气隙磁场轴向极差ΔB
R
、端点极差ΔB
D
以及线圈所受安培力F作为评价均匀性的品质特性；S2、确定控制因素及因素水平：根据力矩器结构特性，选定对气隙磁场的均匀性和强度都有关系的5个结构参数为控制因素：磁钢的长度L
m
、组成工作气隙处轭铁的厚度D
e
、补偿环高度L
b
、补偿环厚度D
b
和轭铁底部开孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉龙俊，许哲，张春熹，黄琬莹，马孟奇，宋来亮，
申请(专利权)人：上海机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：