基于Halbach陣列的爬壁機(jī)器人磁吸附研究*

劉 峰，鐘舜聰,3*，伏喜斌，陳 曼，徐宗煌，黃學(xué)斌

(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；2.廈門市特種設(shè)備檢測(cè)院，福建 廈門 361000；3.上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引 言

爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，不僅能夠在地面上移動(dòng)，還可以在傾斜或垂直的壁面上運(yùn)動(dòng)并完成預(yù)定的工作和任務(wù)[1-2]。針對(duì)大型油罐、船舶等鐵磁性表面的清潔、檢測(cè)等工作，往往使用磁吸附爬壁機(jī)器人進(jìn)行操作，永磁吸附因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、吸附力大、無需消耗能量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在該類爬壁機(jī)器人上。目前研究較多的磁吸附爬壁機(jī)器人是永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人。對(duì)比非接觸式磁吸附爬壁機(jī)器人，這種爬壁機(jī)器人將永磁體嵌入在履帶中，具有吸附面積大、吸附穩(wěn)定、壁面適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

為最大限度發(fā)揮磁性材料性能，提高吸附效率，需要對(duì)吸附裝置的磁路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。桂仲成等[4]設(shè)計(jì)了一種非接觸式的吸附單元，吸附單元由一塊軛鐵和若干塊永磁鐵組成，軛鐵用于引導(dǎo)磁感線，能夠提供較強(qiáng)的吸附力；但該結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量較大的軛鐵，導(dǎo)致吸附效率較低。胡紹杰[5]、黃忠等人[6]采用兩塊永磁體加軛鐵的組合方式設(shè)計(jì)了磁吸附單元，中間加入了隔磁材料增加吸附效率，并將吸附單元整合進(jìn)履帶中，使吸附更加穩(wěn)定；但還是存在吸附力較弱的問題。陳勇[7]、沈青青等人[8]將Halbach永磁陣列運(yùn)用到非接觸式磁吸附爬壁機(jī)器人中，磁能利用率較前面的吸附單元有較大提高；但非接觸式爬壁機(jī)器人對(duì)壁面形狀適應(yīng)能力較差，只適合小型輕載爬壁機(jī)器人。閆晨飛等人[9]研究了一種變磁化方向磁體組合的永磁吸附裝置，該裝置由若干個(gè)磁化方向不同的永磁體緊密排列而成，這些永磁體的磁化方向首尾相連構(gòu)成了環(huán)形；相較采用Halbach陣列排布的永磁吸附單元，吸附力得到了進(jìn)一步提高，但由于該裝置的磁體磁化方向較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難。

結(jié)合接觸式永磁履帶爬壁機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)和Halbach磁能利用率大的特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)新型的履帶式爬壁機(jī)器人永磁吸附單元，采用Ansoft Maxwell對(duì)吸附單元磁感應(yīng)強(qiáng)度和吸附力進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁吸附性能的影響，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提升吸附效率。

1 磁吸附單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Halbach永磁體陣列最早由美國的Klaus Halbach教授提出，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在電機(jī)設(shè)計(jì)中，它是指將不同充磁方向的永磁體按照一定規(guī)律排列，能夠在磁體的一側(cè)匯聚磁力線，使該側(cè)表現(xiàn)出強(qiáng)磁性，另一側(cè)為弱磁性[10]。

筆者設(shè)計(jì)了新型的磁吸附單元，如圖1所示。

圖1 新型磁吸附單元

圖1中，新型的磁吸附單元由連接板、軛鐵、Halbach永磁體陣列和套殼等結(jié)構(gòu)組成，其中的Halbach永磁體陣列和軛鐵組成吸附模塊，產(chǎn)生吸附力。磁吸附單元固定在鏈節(jié)上，各個(gè)鏈節(jié)連接磁吸附單元形成磁吸附履帶后提供爬壁機(jī)器人所需的吸附力。由于磁鐵屬于脆性材料，抗沖擊性能較差，故采用鋁制的連接板和套殼保護(hù)內(nèi)部的永磁體陣列，避免磁體和吸附壁面直接接觸，減少運(yùn)動(dòng)過程對(duì)磁體的沖擊。在傳統(tǒng)Halbach陣列的基礎(chǔ)上，在弱磁側(cè)加入了軛鐵，能夠引導(dǎo)弱磁側(cè)的磁感線，減少磁場(chǎng)外泄，進(jìn)一步增大強(qiáng)磁側(cè)磁性。

永磁材料采用稀土永磁材料釹鐵硼(NdFeB)。釹鐵硼具有矯頑力Hc大、剩磁Br大、磁滯回線所包圍的面積大的特點(diǎn)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性，且磁性較為穩(wěn)定。選用NdFeB系列中的N35作為永磁材料。

NdFeBN35性能參數(shù)[11]如表1所示。

表1 NdFeB N35性能參數(shù)

軛鐵主要起引導(dǎo)磁感線的作用，故應(yīng)具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、較大的磁導(dǎo)率和較小的矯頑力，本研究選取Q235鋼作為軛鐵材料。

2 吸附力有限元模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 有限元模擬仿真

鋁的相對(duì)磁導(dǎo)率和空氣近似相等，故在進(jìn)行有限元模擬時(shí)，筆者將磁吸附單元外部起保護(hù)和固定作用的鋁套殼等結(jié)構(gòu)省略，建立了吸附力分析模型，如圖2所示。

圖2 吸附力分析模型

圖2中，吸附力分析模型內(nèi)的永磁體陣列由5個(gè)正方體磁體組成，按照Halbach陣列進(jìn)行排列，各磁體的磁化方向從左至右依次沿+z、+y、-z、-y和+z方向，尺寸均為10 mm×10 mm×10 mm。磁體陣列和壁面之間存在一定高度的空氣間隙，厚度為2 mm。壁面材料為Q235鋼，尺寸為60 mm×140 mm×10 mm。

筆者使用Ansoft Maxwell創(chuàng)建三維模型，添加材料參數(shù)，設(shè)置邊界條件和計(jì)算方法，對(duì)該模型進(jìn)行磁路仿真，得到中間截面的有限元模擬結(jié)果圖，如圖3所示。

圖3 中間截面的有限元模擬結(jié)果圖

由圖3可以看出：(1)磁化方向垂直于壁面的磁體產(chǎn)生的磁感線，通過空氣氣隙進(jìn)入壁面再回到磁體，產(chǎn)生吸附力；磁化方向平行于壁面的磁體主要起到引導(dǎo)磁感線向平行壁面方向匯聚的作用，使磁感線在靠近壁面一側(cè)形成回路，從而加大強(qiáng)磁側(cè)的吸附力；

(2)空氣氣隙和壁面中的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)于弱磁側(cè)較強(qiáng)，但弱磁側(cè)附近的空氣中仍存在一定的磁場(chǎng)泄漏。為解決這一問題，在傳統(tǒng)的Halbach陣列基礎(chǔ)上加入軛鐵，引導(dǎo)磁感線，減少磁場(chǎng)泄漏。其中，軛鐵尺寸為50 mm×10 mm×3 mm。

對(duì)新的模型進(jìn)行有限元仿真，得到加入軛鐵后的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，如圖4所示。

圖4 加入軛鐵后的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

從圖4中可以看出，在軛鐵的引導(dǎo)下，Halbach陣列上部的漏磁場(chǎng)經(jīng)過軛鐵引導(dǎo)，重新進(jìn)入磁體中，弱磁側(cè)的磁場(chǎng)泄漏明顯減少。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元模擬的正確性，筆者設(shè)計(jì)了磁吸附力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 磁吸附力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在圖5中，為避免磁體因存在間隙而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差，在磁體裝夾裝置側(cè)邊加入了螺栓，從永磁體陣列兩邊夾緊，使磁體緊密接觸；將實(shí)驗(yàn)裝置安裝在拉力機(jī)上，改變氣隙厚度大小，測(cè)量不同氣隙厚度下的吸附力大小。

通過改變氣隙厚度，計(jì)算吸附力大小，吸附力的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸附力模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖6可以看出：(1)模擬仿真和實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的吸附力隨著空氣氣隙厚度的增大都呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，并且減小的趨勢(shì)逐漸減緩；兩組數(shù)據(jù)基本吻合，有較好的一致性，能夠驗(yàn)證有限元模擬的準(zhǔn)確性；

(2)在氣隙厚度較小時(shí)，模擬結(jié)果略大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)值，存在一定偏差，主要原因可能是實(shí)驗(yàn)采用的永磁體不是標(biāo)準(zhǔn)的立方體，存在圓角，會(huì)降低吸附力；同時(shí)，由于外部固定裝置的加工和裝配原因，實(shí)驗(yàn)過程中不能保證吸附單元內(nèi)永磁體陣列底面和壁面完全平行；

(3)當(dāng)氣隙厚度大于7 mm時(shí)，此時(shí)吸附力較小，均在10 N以下，且實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)值略大于模擬結(jié)果，其原因可能是在進(jìn)行吸附力實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)吸附距離增大到一定數(shù)值后，磁體產(chǎn)生的吸附力較小，拉力機(jī)上臂提升過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果間產(chǎn)生較大偏差。

3 磁吸附單元結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

筆者提出的新型吸附結(jié)構(gòu)單元中，吸附單元及尺寸參數(shù)如圖7所示。

圖7中，吸附單元由外部的固定結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的吸附模塊組成，其中，吸附模塊包含了Halbach永磁體陣列和軛鐵，Halbach永磁體陣列為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。吸附單元的吸附力主要由其中的吸附模塊提供。

為探究吸附模塊各結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)吸附力和吸附效率的影響，筆者采用控制變量法，在保證其他尺寸不變的情況下，對(duì)某一尺寸進(jìn)行分析，探究其大小對(duì)吸附力的影響情況。

各尺寸初始值如表2所示。

圖7 吸附單元及尺寸參數(shù)a1-磁體A1的寬度；a2-磁體A2的寬度；a3-磁體A3的寬度；h-磁體的高度；b-磁體的厚度；t-軛鐵的高度

尺寸a1a2a3hbt初始值/mm10101010103

吸附單元優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使吸附單元的吸附效率最大，其優(yōu)化準(zhǔn)則即是在一定的空氣氣隙厚度下，使吸附單元單位重量產(chǎn)生的吸附力最大化。

定義單位重量吸附力λ為：

(1)

式中：λ—單位重量吸附力，N/kg；Fm—吸附單元在一定氣隙厚度下產(chǎn)生的吸附力，N；G—吸附單元重量，kg。

為使吸附效率最大，則λ應(yīng)取得最大值。

筆者采用Ansoft Maxwell中的參數(shù)化掃描模塊，對(duì)吸附模塊各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)化掃描分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 參數(shù)化掃描分析結(jié)果

如圖8(a)所示，在磁體A1的寬度a1由0開始變大到30 mm過程中，吸附力隨之增大，近似呈線性關(guān)系，吸附力Fm由55 N增長(zhǎng)至120 N。單位重量吸附力λ在磁體A1的寬度a1=20 mm時(shí)到達(dá)最大值為939 N/kg，然后呈緩慢下降趨勢(shì)。由此可知，磁體A1的寬度對(duì)吸附力大小影響較大，但單位重量吸附力存在最大值。結(jié)果表明：磁化方向垂直于吸附壁面的磁體，其主要作用是產(chǎn)生吸附力，其寬度對(duì)吸附力和吸附效率影響較大，寬度越大，提供的吸附力越大，但寬度超過一定的值后，吸附效率增長(zhǎng)較慢或緩慢下降。

如圖8(b)所示，在磁體A2的寬度a2從0變化到10 mm的過程中，吸附力從40 N變?yōu)?5 N，隨后保持不變。單位重量吸附力λ在a2=6 mm時(shí)到達(dá)峰值，并隨著a2繼續(xù)增大而急劇下降。由此可見，磁體A2的寬度a2存在一個(gè)臨界值，超過此值后吸附力趨于最大值，單位重量吸附力則會(huì)迅速下降?？梢缘贸鼋Y(jié)論：磁化方向平行于吸附壁面的磁體的主要作用是引導(dǎo)磁感線轉(zhuǎn)向平行壁面方向，當(dāng)其寬度增大到某一臨界值后，引導(dǎo)的磁感線趨于飽和，寬度繼續(xù)增大后對(duì)吸附力大小影響較小，反而導(dǎo)致單位重量吸附力變小，吸附效率下降。

如圖8(c)所示，隨著磁體A3的寬度a3增大，吸附力近似呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，單位重量吸附力達(dá)到最大值后緩慢下降。其對(duì)吸附力和單位重量吸附力的影響與磁體A1類似，作為磁化方向垂直于吸附壁面的磁體，主要作用是產(chǎn)生吸附力，其寬度越大，吸附力越大，吸附效率越高。

如圖8(d)所示，隨著磁體高度h的增加，吸附力在h=13 mm后增長(zhǎng)速率開始放緩，吸附力趨于最大值，單位重量吸附力λ在h=10 mm時(shí)達(dá)到最大值873 N/kg，而后逐漸下降。由此可見，磁體高度也存在一個(gè)臨界值，超過此值后，進(jìn)入壁面的磁感線數(shù)量趨于飽和，導(dǎo)致吸附力趨于某一最大值，單位重量吸附力隨著磁體高度h的增大、吸附單元重量的增加，會(huì)逐漸減小，吸附效率降低。

如圖8(e)所示，隨著磁體厚度b的增加，吸附力和單位重量吸附力都呈上升趨勢(shì)，但單位重量吸附力的上升速率逐漸放緩。磁體厚度b對(duì)吸附力Fm和單位重量吸附力λ的影響都較大，與吸附力近似成正比關(guān)系。

如圖8(f)所示，隨著軛鐵高度t的增大，吸附力緩慢增加，t達(dá)到2 mm后，吸附力逐漸穩(wěn)定在90 N附近，單位重量吸附力逐漸減小?？梢钥闯?，軛鐵高度t增大到一定數(shù)值后，導(dǎo)通的磁感線飽和，吸附力達(dá)到最大值，且和其他參數(shù)相比，軛鐵高度t對(duì)吸附力的提升貢獻(xiàn)較小，故軛鐵高度t的值不能太大，否則影響吸附效率。

為使吸附效率最大，針對(duì)上述各結(jié)構(gòu)外形尺寸分析結(jié)果，筆者選取最優(yōu)的尺寸，代入到有限元模型中，分析其在空氣氣隙厚度為2 mm的情況下吸附力Fm和單位重量吸附力λ的大小。

優(yōu)化前后各尺寸及計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3結(jié)果顯示：優(yōu)化后單位重量吸附力值由881 N/kg提升至1 413 N/kg，提升率為60.45%，吸附效率得到了較大提高。

4 結(jié)束語

針對(duì)履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，筆者設(shè)計(jì)了新型的磁吸附單元，采用Halbach永磁陣列排布永磁體，配合軛鐵減少磁泄漏，增大了吸附力。對(duì)磁吸附單元中吸附模塊的多個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)磁化方向垂直于吸附壁面的磁體主要起產(chǎn)生吸附力的作用，其寬度對(duì)吸附力和吸附效率均有較大貢獻(xiàn)；

(2)磁化方向平行于吸附壁面的磁體主要起引導(dǎo)磁感線的作用，其寬度超過某一值后，引導(dǎo)的磁感線趨于飽和，吸附力趨于最大值，繼續(xù)增大其寬度會(huì)導(dǎo)致吸附效率下降；

(3)磁體陣列的厚度越大，其吸附力和吸附效率也越大。磁體高度大于一定的值后，吸附力增長(zhǎng)緩慢，吸附效率下降。軛鐵對(duì)吸附力有較小提升。

結(jié)合以上結(jié)論，筆者針對(duì)吸附效率進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，模擬結(jié)果顯示，磁吸附效率得到了較大提高。