磁保持型航天电磁继电器性能提升与质量一致性设计_陈昊.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211217磁保持型航天电磁继电器性能提升与质量一致性设计陈昊叶雪荣梁慧敏翟国富（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001）摘要磁保持航天电磁继电器具有灵敏度高、发热小、功耗低、体积小等优点，广泛应用于运载火箭、卫星和空间站等航天装备，其性能与质量一致性直接影响航天装备的研发与服役进程，因此性能提升与质量一致性优化引起了广泛的关注。磁保持航天电磁继电器性能参数的计算精度和多性能互相制约下的寻优迭代效率，是影响磁保持航天电磁继电器优化效果的重要因素。该文针对最为典型、复杂的双磁钢差动式产品性能特征存在过零点、计算精度低、寻优收敛性差且效率低等特点，提出一种可适用于各类磁保持航天电磁继电器建模与迭代寻优的设计方法，即基于斯通纳-沃尔法斯模型和 Preisach 模型得到的非线性永磁体局部磁滞曲线，进而建立继电器虚拟样机模型，实现该继电器性能参数的准确计算。基于虚拟样机模型，使用模糊混沌展开得到代理模型的基函数，使用径向基函数方法修正实测结果与基函数计算结果之间的误差，建立性能特征代理模型，实现该磁保持航天电磁继电器性能参数的精确高效计算。在此基础上，揭示磁保持航天电磁继电器设计参数与性能特征之间的作用规律，改进差分进化算法，形成自适应最优种群迭代策略，提升寻优效率和寻优稳健性。以双磁钢差动式磁保持航天电磁继电器为例，验证所提方法的有效性。关键词：磁保持航天电磁继电器虚拟样机代理模型多目标寻优中图分类号：TM581.30引言磁保持航天电磁继电器（Magnetic LatchingAerospace Electromagnetic Relay,MLAER）是一种典型的机电类元器件，具有灵敏度高、输入输出比大、发热小、抗干扰能力强、功耗低和体积小等一系列固态电子器件不可替代的优点，广泛应用于长征、神舟系列运载火箭和嫦娥系列飞船、高分系列卫星等航天装备的自动控制系统1-2。然而，MLAER 目前仍然是所有航天装备用电子元器件门类中质量与可靠性最差的器件。据统计，近 15 年共发生元器件性能与可靠性问题导致的装备延期与服役故障高达数百项，电磁继电器占比超过一半，MLAER 排序第一，因此 MLAER 性能提升与质量一致性设计问题引起了广泛的关注3-4。磁保持航天电磁继电器作为机-电-磁-热多物理场耦合作用的机电类元器件，其性能特征的准确计算是开展性能提升与质量一致性设计的重要基础与前提。基于有限元技术的虚拟样机仿真模型是一种常用的方法5-7，现有虚拟样机方法忽略了非线性永磁体充退磁过程中工作点和磁滞回线的变化，MLAER 的计算结果与设计差距较大。此外，其更大问题是存在严重的计算灾，难以直接应用于需要大量样本计算的质量一致性优化。为了提高 MLAER 的计算效率，学者们提出等效磁路模型8-9，这种方法在一定程度上解决了计算效率的问题，但由于漏磁通、漏磁导及磁饱和程度难以精确评估，故计算精度难以满足需求。针对虚拟样机计算效率低和磁路法精度差的问题，学者们提出了代理模型方法10-14，响应面代理模型虽然建模简单但计算强非线性性能特征时误差较大。径向国家自然科学基金资助项目（51177056）。收稿日期 2021-08-05改稿日期 2021-11-26第 38 卷第 4 期陈昊等磁保持型航天电磁继电器性能提升与质量一致性设计1077基代理模型具有较强的高维非线性拟合和局部逼近能力，不会出现局部极小问题，但其对样本数量和样本数据质量要求较高。克里金代理模型在相同样本数据点下可显著提升高维非线性性能特征的建模精度，但其对样本数据的有效性非常敏感，易在局部产生较大误差。更重要的是，上述代理模型降低性能特征计算对硬件的需求，提高了计算效率，但这些代理模型大都以虚拟样机计算结果为基准进行建模，虚拟样机计算本身在计算 MLAER 时便存在计算精度差的问题，依赖样本质量的径向基和克里金方法无法从本质上提升性能特征的计算精度。代理模型提高了 MLAER 的计算效率，但在性能优化与质量一致性设计上需要解决 MLAER 衔铁中位、动作电压参数、动作时间参数、力学性能、热学性能、电寿命等多目标特征之间相互制约。因此学者们提出了一些多目标智能寻优方法15-17，这些智能寻优方法虽然进一步提高了 MLAER 的寻优效率并在一定程度上实现了多目标综合优化，但只是在海量方案中随机遴选满足预设要求的设计方案，并不清楚设计参数组合与 MLAER 性能特征之间的作用机制，寻优迭代较为盲目、耗时较长且迭代收敛鲁棒性不佳。本文充分考虑非线性各向异性永磁体充退磁过程中的局部磁滞效应，基于斯通纳-沃尔法斯模型18和 Preisach 模型19，建立 MLAER 局部磁滞模型，进而建立可准确计算其静、动态特征的虚拟样机模型；在此基础上，借鉴模糊混沌展开替代建模方法适用于强非线性、径向基函数替代建模方法逼近能力强的特点，将样机实测结果引入替代建模，较好地解决了虚拟样机计算速度慢、容易不收敛及替代模型精度低的问题。在此基础上，明确 MLAER 设计参数与性能特征之间的作用规律，并通过改进差分进化多目标寻优算法，进一步提高质量一致性设计的迭代寻优速度、收敛性和鲁棒性，从而实现多目标优化设计，提升综合性能，改善质量一致性。以双磁钢差动式 MLAER 为例进行消除衔铁中位、降低动作电压、提升电寿命和提高质量一致性等优化设计，验证本文方法的有效性。1磁保持型航天电磁继电器性能提升与质量一致性设计方法1.1MLAER 性能提升与质量一致性设计概述本文针对 MLAER 存在非线性和输出过零特性导致虚拟样机收敛性差、计算精度差、衔铁中位、动作电压高及电寿命低等问题，提出一种适用性强、可用于各类电磁继电器寻优过程的质量特征计算和一致性多目标设计方法。分析 MLAER 中非线性各向异性永磁体的实际工作点，基于实际工作点使用S-W 模型计算得到永磁体的磁偶极子的矢量化信息，将矢量化信息代入 Preisach 模型计算得到永磁体局部磁滞回线模型。将局部磁滞回线代入 Flux 电磁系统样机模型，计算得到 MLAER 电磁吸力（矩）和磁链，在 Ansys 中建立触簧系统柔性运动多体的柔性体机构，在 Adams 中建立触簧系统机械反力（矩）计算模型，在 Matlab/Simulink 通过数据接口将吸力（矩）传递给动力学软件开展动作过程分析，同时动力学软件将求得的衔铁（角）位移等动力学参量反馈给 Matlab/Simulink，最终建立 MLAER 虚拟样机模型。制作半开放式实物样机，实测继电器动作电压、吸合时间、释放时间等性能参数，对比验证虚拟机样机计算精度。随后在继电器各个参数设计允许范围内使用均匀抽样设计生成样本点，虚拟样机模型计算得到各个样机的性能特征，利用模糊混沌展开代理建模方法得到各个设计参数和性能特征之间的数学关联关系作为代理模型的基函数。模糊混沌展开得到的基函数模型与实物样机之间往往存在一定偏差，使用最速曲率方法计算性能参数误差较大的位置，以其对应的设计参数为基准，制造相应的实物样机。并以实物样机实测结果与模糊混沌展开基函数计算结果的差值作为插值节点，使用径向基函数方法得到误差补偿函数，模糊混沌展开基函数与径向基误差补偿函数组成本文的 MLAER 性能特征代理模型。代理模型的建立提高了 MLAER 的性能特征计算与分析的精度和效率，由于质量一致性设计需要的大量样本及多目标之间的相互制约，完成性能提升和质量一致性设计仍需花费较多的时间和占用大量的计算资源。以吸反力配合特征和分段动能为内核，分析 MLAER 性能特征和质量一致性的形成机制，据此建立可同步解决衔铁中位、动作电压超差、电寿命不足和质量一致性问题的多目标优化模型。与此同时，为了进一步提高迭代优化过程的效率，本文改进多目标差分进化算法，采用多种群策略、自适应种群权重以及小生境思想，使其更为适合MLAER 优化，避免寻优迭代过程陷入局部最优，保证性能提升与质量一致性设计的精度和效率。本文所提方法的总体流程如图 1 所示。1078电 工 技 术 学 报2023 年 2 月图 1优化方法总体流程Fig.1Processes of the design optimization method1.2虚拟样机建模方法1.2.1非线性各向异性永磁体工作点分析永磁体工作点迁移模型示意图如图 2 所示。当非线性各向异性永磁体充磁饱合时，其工作点位于Q0处，在退磁外磁场作用下，其工作点沿去磁曲线迁移，此时永磁体在继电器中工作点将会迁移至Q1处，也即充磁时永磁体工作点沿图 2 中回复线进行迁移（绿色线条所示）。同理，退磁时永磁体工作点将会顺着第二象限的去磁曲线迁移。若对永磁体进行非饱和退磁，假设退磁到外磁场强度为 H 轴下方H2处，此时，永磁体的工作点将沿图 2 中非饱合退磁磁滞回线进行迁移（蓝色线条所示），使用仿射变图 2永磁体工作点迁移模型示意图Fig.2The schematic diagram of the permanent magnetworking point migration model换可以计算得到不饱合退磁时的永磁体工作点Q2。1.2.2非线性各向异性永磁体局部磁滞回线计算由 S-W 方法可知16，单轴单畴磁性微粒的磁特性可表示为2v0sincos()SEKM H=-（1）式中，E 为单轴单畴磁性微粒的自由能密度；vK、SM、H 分别为单轴单畴磁性微粒的各向异性磁系数、工作点2SQ=对应的磁化强度及外加磁场的场强；为外加磁场与易磁化方向的夹角；为工作点对应的磁化强度与易磁化方向的夹角。由式（1）可知，工作点2SQ=对应的磁偶极子矢量方向可由式（2）求得。u0u2 sincossin()02SEKHMK=-=|（2）在永磁体工作点对应的磁性微粒磁偶极子矢量方向已知的前提下，使用改进 Preisach 模型可知19，永磁体宏观磁感应强度 B(H)为()(,)d d(,)d dSSSSB HBB +-=-（3）其中satsat0(,)(,)HH -|=-|或或其他式中，Hsat为饱和磁场强度；二元函数(,)为偶极子正向翻转阈值和负向翻转阈值的分布密度。由式（3）可知，永磁体的局部磁滞回线表示为第 38 卷第 4 期陈昊等磁保持型航天电磁继电器性能提升与质量一致性设计1079()111121uddu,du1111d,dd1111()()()()2()()()2()()()()()2()()tH BH BBHB HBHBHBHBHBHBFHF HHHBHBHBHBF HFHHH-=+|=-+-|=+-+-|（4）式中，Bt(H)为极限磁化曲线；Bd(H)为下降支；Bu(H)上升支；B1和 H1为偶极子反转点坐标；11u,()H BBH为起始于(H2,Q2)上升支局部磁滞回线；11d,()H BBH为起始于(H2,Q2)下降支局部磁滞回线。1.2.3MLER 虚拟样机模型建立应用三维建模软件 UG、SOLIDWORKS 等建立继电器三维零件模型（衔铁、轭铁、铁心、静触点、动簧片等）以及装配样机模型。在有限元分析软件Flux 建立 MLAER 的电磁吸力特性计算模型，对模型中衔铁与轭铁缝隙处进行细分网，空气球内部其他部分进行粗分网，充退磁后的永磁体赋予 1.2.2 节计算得到的局部磁滞回线，铁磁材料赋予相应的软磁材料磁化曲线，在立方体边界设置磁感应线在边界区域与立方体边界平行，即将矢量磁位设置为常数 0，计算衔铁长、衔铁宽、衔铁厚度、轭铁厚度、永磁体长、永磁体厚度及永磁体剩磁与电磁吸力之间的关系，实现电磁吸力特征（电磁吸力、磁链等）的准确计算。在 Ansys 软件中建立触簧系统动簧片柔性多体模型，将柔性多体模型导入运动分析软件Adams 中，设置静触点直径、动簧片厚度、动簧片长度、动簧片宽