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      爬壁機器人永磁吸附輪的磁路及結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

      2019-07-08 08:49:28陳彥臻胡以懷袁春旺胡光忠李方玉
      制造業(yè)自動化 2019年6期
      關(guān)鍵詞:吸附力磁路磁通

      陳彥臻,胡以懷,袁春旺,胡光忠,李方玉

      (上海海事大學 商船學院,上海 201306)

      0 引言

      目前,大部分的爬壁機器人采用傳統(tǒng)的永磁吸附方式依附在壁面上行走作業(yè)。永磁吸附不需要額外提供能量,也不會因系統(tǒng)故障而脫離,吸附非??煽俊3R姷囊苿訖C構(gòu)是將永磁體和履帶相結(jié)合,磁極與接觸壁面直接接觸,氣隙很小,即永磁吸附力受氣隙因素的影響很小,吸附面積大、吸附力強,且吸附穩(wěn)定,但是移動方面靈活性明顯降低,與壁面脫離較困難[1]??紤]壁面作業(yè)對機動性的需求,采用永磁輪設(shè)計方案,保證足夠的移動性能。由于輪式接觸面積減少,吸附力會明顯降低,為了能提供合適的吸附力,這就需要對磁輪的磁場進行研究分析。合適的磁路設(shè)計,能夠盡可能最大限度地利用永磁體,使最小體積的永磁體產(chǎn)生最大數(shù)值的吸附力,所以磁路的設(shè)計是整個永磁吸附輪的設(shè)計重點。

      本文提出一種改進的混合型環(huán)狀對稱磁路,與傳統(tǒng)的徑向、軸向兩種同向排列磁路對比,明顯提高了吸附力。隨后,分析了幾何參數(shù)對磁場吸附的影響,根據(jù)變化趨勢確定了該磁輪模型的最佳尺寸。

      1 理論模型

      根據(jù)麥克斯韋方程組和邊界條件,可將磁場模型簡化為[2]:

      式中:Az為簡化成A;Ω為整個求解域;Γ1為與磁力線重合的邊界;Γ2為對稱的邊界;L’為不同介質(zhì)間的交界線;L為有永磁束縛電流存在的界限。

      根據(jù)Maxwell張力法磁吸附力的大小為[3]:

      對于該圓環(huán)型永磁體的壁面吸附模型如圖1所示。

      圖1 環(huán)形永磁體吸附模型

      A部分的吸附力FA求解公式:

      B部分的吸附力在計算時,與A部分只是在氣隙高度不同,可得吸附力FB的計算公式:

      整個永磁體求總吸附力F為:

      2 磁路設(shè)計

      本文采用永磁輪吸附的2D模型,將永磁吸附輪沿軸向剖開,整個吸附力轉(zhuǎn)化為由高度H不同,距工作壁面不同間隙δ的永磁體共同作用而成。三種根據(jù)傳統(tǒng)磁路模型[4]改進的方案如圖所。其中A型磁路采用徑向充磁方式,兩個永磁體直接采用隔磁材料,一般選用鋁塊隔開相互之間的磁力線的分布,迫使磁力線由永磁體發(fā)出通過中間的導磁材料,到達另外的永磁體。B型磁路采用軸向充磁的方式,兩邊的永磁體的磁性是同方向的,上下中心部分為隔磁鐵,軸向兩塊永磁體中間為隔磁材料,保證永磁體的磁路盡可能多的通過工作間隙。C型磁路采用軸向充磁方式,上下中心部分為隔磁材料,軸向兩塊永磁體之間為導磁材料,但是兩個永磁體充磁的方向是相反的,它是在A型與B型磁路的基礎(chǔ)上改進得來的混合型環(huán)狀對稱磁路。

      圖2 磁路模型

      3 磁路靜磁場仿真分析

      3.1 模型及材料定義

      該環(huán)形永磁體的厚度為15mm,內(nèi)徑為10mm,外徑為40mm。選定N35釹鐵硼永磁體,本身磁能積和矯頑力較大,并且價格低廉,其性能參數(shù)如表1所示。中間隔磁或者導磁材料的厚度為10mm,內(nèi)外徑與永磁體的一致。隔磁材料為常用的鋁塊,隔磁效果好,易加工。導磁材料選用牌號為steel-1008的鋼材。軛鐵的厚度設(shè)定為5mm;吸附磁性壁面設(shè)定為長400mm,厚度10mm,且磁性壁面選用相同牌號的導磁鋼材來代替。工作間隙暫定5mm,永磁輪外壁有2~3mm的減震橡膠預計空間,減少壁面粗糙度的影響。

      由于NdFeb系列永磁材料的B-H曲線趨近與直線,故其相對磁導率為:

      3.2 仿真結(jié)果分析

      通過磁力線分布圖發(fā)現(xiàn):A型磁路(圖3)的最大磁力為1.58×10-2Wb/m分別分布在兩側(cè)永磁體與軛鐵接觸區(qū)域,而在工作間隙處,磁力在1.4341×10-3Wb/m~7.1984×10-3Wb/m之間;磁通密度最大處全部都分布在兩側(cè)軛鐵處,達到2.1608T,而在永磁輪與壁面接觸的區(qū)域,工作間隙內(nèi)最大值僅為6.4182×10-1T,壁面鋼板與永磁輪接觸面的位置處,最大值也不過8.9854×10-1T。永磁輪在Y軸方向的吸附力為30.57kN。B型磁路(圖4)的最大磁力為2.22×10-2Wb/m分布在永磁體對應的接觸區(qū)域、永磁體內(nèi)部、工作間隙和鋼壁表面;磁通密度最大處分布在兩側(cè)軛鐵及永磁輪對應的壁面處,達到2.0305T,在永磁輪的軛鐵與工作間隙接觸的區(qū)域內(nèi),也達到最大值,永磁體之間的隔磁塊對應的工作間隙處則是磁通密度最低的部位。永磁輪整體在Y軸方向的吸附力為31.82kN。C型磁路(圖5)的最大磁力為1.1657×10-2Wb/m,磁力最大的兩處分布在兩塊永磁體對應的壁面鋼板接觸區(qū)域內(nèi)、永磁體、工作間隙和船舶鋼壁表面,各自沿著這個路徑形成一個完整的磁回路;磁通密度最大處分布在導磁體與工作間隙接觸的位置,達到1.7223T,在永磁輪與工作間隙接觸的區(qū)域內(nèi),磁通密度也是非常均勻,數(shù)值偏高的。永磁輪整體在Y軸方向的吸附力為42.16kN。

      對比表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),B模型中的磁力最大值、鋼板處磁力最大值、磁密最大值和鋼板處磁密最大值,都要大于A型磁路和C型磁路,但是整個永磁輪在Y軸的吸附力卻是C型磁路最強,比A型、B型分別提高了37%和32%。雖然A、B型磁路在磁力最大值、磁密最大值都大于C型磁路,但是具體到工作區(qū)域,明顯可以看出,C型磁路的磁力線密集區(qū)、磁力較大值都集中在工作區(qū)域,并且在工作區(qū)域磁密也是最平穩(wěn)的。相鄰永磁體的兩磁極因為是同極性,不能通過導磁材料完成磁場回路,只能再次通過工作間隙、船舶壁面到達永磁體的另一極,故丙型磁路將使磁回路盡可能多的通過工作間隙,使永磁體盡可能的在工作區(qū)域發(fā)揮能量。反觀A型和B型磁路,A型磁路有很大一部分都被兩側(cè)軛鐵短路,損失了很大一部分磁能積,而B型磁路,有一部分在軛鐵與工作間隙處損耗。綜上所述,C型磁路在壁面法線方向能提供最大的吸附力,具有明顯的優(yōu)勢。

      圖3 A型磁路分析圖

      表1 N35釹鐵硼永磁的參數(shù)表

      圖4 B型磁路分析圖

      圖5 C型磁路分析圖

      表2 三種磁路模型數(shù)據(jù)對比表

      4 吸附磁輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化

      由上述的理論式(3)、式(4)可知,永磁體的內(nèi)、外徑大小,寬度,中間導磁和兩側(cè)軛鐵的寬度都會對工作氣隙的磁場產(chǎn)生影響,從而影響吸附輪吸附力。為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸附力的影響,并且考慮到輪子的整體尺寸,初始取永磁體外徑R=30mm,內(nèi)徑r=15mm,寬度A=10mm,導磁寬度B=10mm,軛鐵寬度D=5mm,氣隙高度L=5mm。

      4.1 永磁體寬度對吸附力的影響

      取永磁體外徑R=30mm,內(nèi)徑r=15mm,導磁寬度B=10mm,軛鐵寬度D=5mm,氣隙高度L=5mm,建立優(yōu)化掃描參數(shù)變量A,設(shè)置其取值范圍5mm~25mm,等間隔取1mm。分析后觀察吸附力隨永磁寬度的變化曲線,如圖6所示。

      圖6 吸附力隨永磁寬度的變化曲線

      隨著永磁寬度的增大,吸附力也加速增大。但是增加速率在16mm之后開始逐漸降低,并且在22mm之后逐漸趨于平穩(wěn)。磁路的磁力線主要經(jīng)過軛鐵,透過工作間隙,進入壁面,然后回到導磁,形成閉合回路。剛開始隨著永磁寬度的逐漸增大,導磁與軛鐵內(nèi)的磁通急劇增大,氣隙內(nèi)的磁密增大,吸附力快速上升,當隨著導磁與軛鐵內(nèi)的磁通逐步接近飽和,吸附力緩慢增加,此時只是一味的增大永磁寬度已經(jīng)不能有效的快速的增大吸附力,使永磁體的利用率降低??紤]到永磁輪的尺寸不易過大,并且滿足基本的吸附力要求,所以考慮設(shè)定永磁寬度A=10mm,使吸附輪的寬度控制在50mm之內(nèi)。

      4.2 永磁體內(nèi)徑對吸附力的影響

      取永磁體外徑R=30mm,寬度A=10mm,導磁寬度B=10mm,軛鐵寬度D=5mm,氣隙高度L=5mm,建立優(yōu)化掃描參數(shù)變量r,設(shè)置其取值范圍為5mm~25mm,等間隔為1mm。分析后觀察的吸附力隨著永磁內(nèi)徑r的變化,如圖7所示。

      圖7 吸附力隨永磁內(nèi)徑的變化曲線

      隨著永磁內(nèi)徑的增大,永磁體的體積減小,剛開始由于導磁與軛鐵的磁通飽和,當體積減小時,磁通會產(chǎn)生波動,導致吸附力的上下浮動,但是整體是緩慢降低的,并且在r=10mm之后,磁通已經(jīng)不再飽和,急劇下降,結(jié)果導致吸附力也快速的降低。所以永磁的體積大小是影響吸附力的一個重要因素,考慮到輪轂中間還有軸孔,要盡可能的預留出一定的空間給機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。本文選定永磁內(nèi)徑r=10mm。

      4.3 導磁寬度對吸附力的影響

      取永磁體外徑R=30mm,內(nèi)徑r=10mm,寬度A=10mm,軛鐵寬度D=5mm,氣隙高度L=5mm,建立優(yōu)化掃描參數(shù)變量B,設(shè)置其取值范圍為0mm~20mm,等間隔為1mm。分析后觀察的吸附力隨著導磁寬度B的變化,如圖8所示。

      當導磁寬度為0mm時,由于兩塊永磁的極性是相反的,將導致永磁直接短路,吸附力幾乎為0,隨著導磁寬度逐漸增加,直到寬度增加到20mm之前,短路的磁通逐漸降低,大部分從導磁進入工作氣隙,吸附力也快速的上升,當導磁寬度繼續(xù)增加時,氣隙內(nèi)的磁感應強度慢慢分布均勻,當導磁與軛鐵內(nèi)的磁通接近飽和時,吸附力緩慢上升,逐步趨于穩(wěn)定。

      圖8 吸附力隨導磁寬度的變化曲線

      綜上所述,同樣的永磁體,磁通密度將在工作間隙處達到最佳,吸附力增加到最大,發(fā)揮出永磁體最大性能。在考慮吸附力的同時,也考慮到吸附輪的尺寸大小滿足設(shè)計要求,所以當B=20mm,A=10mm時,選擇永磁體外徑R=30mm,內(nèi)徑r=10mm。改進后永磁輪的結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。

      圖9 優(yōu)化后永磁輪結(jié)構(gòu)圖

      5 結(jié)束語

      1)本文提出的一種永磁輪的結(jié)構(gòu)方案,改進了混合型環(huán)狀對稱磁路排列模型,采用軸向相反的充磁方式使吸附力得到了極大的提高。

      2)將改進的C型磁路與傳統(tǒng)的A、B型磁路對比,分別提高了37%和32%,改進的效果十分明顯,說明該磁路設(shè)計高效合理。

      3)最后,確定永磁體外徑R=30mm,內(nèi)徑r=10mm,寬度A=10mm,導磁寬度B=20mm,軛鐵寬度D=5mm,氣隙高度L=5mm的結(jié)構(gòu)尺寸方案,為后期的研究優(yōu)化提供了理論指導。

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