高壓線作業(yè)機(jī)器人的磁懸浮系統(tǒng)原理性設(shè)計及仿真

周展帆，嚴(yán)宇，黃潤清，劉佳豪，徐顯金

高壓線作業(yè)機(jī)器人的磁懸浮系統(tǒng)原理性設(shè)計及仿真

周展帆1，嚴(yán)宇1，黃潤清1，劉佳豪2，徐顯金3

（1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司 檢修公司，國網(wǎng)湖南省電力有限公司變電智能運(yùn)檢實驗室，湖南 長沙 410000；2. 95997部隊，湖南 長沙 410000；3. 湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

針對高壓線巡檢機(jī)器人易打滑、易磨損以及爬坡慢等問題，提出一種磁力懸浮方法：利用磁懸浮裝置產(chǎn)生與重力大小相同、方向相反的安培力，使機(jī)器人懸浮在高壓線上，從而徹底消除打滑和磨損問題。通過對載流導(dǎo)線在高壓輸電線產(chǎn)生的磁場中受到的安培力進(jìn)行分析，提出一種全新的磁力懸浮方式；建立磁力懸浮的物理模型，分析懸浮力大小與模型相關(guān)尺寸的關(guān)系；利用COMSOL軟件對該模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，磁懸浮系統(tǒng)模型產(chǎn)生的磁懸浮力近似等于理論計算值，證明了所提磁懸浮系統(tǒng)原理性設(shè)計的正確性。

高壓線；磁懸浮；物理模型；巡檢機(jī)器人

0 引言

電力配送過程中容易受到自然和人為因素的影響，導(dǎo)致線路上金具及導(dǎo)線出現(xiàn)故障，因此輸電線路的日常巡檢與維護(hù)尤為重要。自20世紀(jì)80年代末，一些發(fā)達(dá)國家開始對高壓輸電線路巡檢機(jī)器人進(jìn)行研究。典型的代表是加拿大魁北克水電研究院研制的巡檢機(jī)器人LineScou[1-3]、LineRange[4]以及由東京大學(xué)、日本電力系統(tǒng)公司和關(guān)西電力公司三方合作研制的巡檢機(jī)器人Expliner[5]。國內(nèi)對高壓線巡檢機(jī)器人的研究起步較晚。武漢大學(xué)研究團(tuán)隊研制出一種沿著相線行駛的輪臂式巡檢機(jī)器人，能適應(yīng)220 kV單分裂線路和220～550 kV多分裂線路巡檢作業(yè)[5-12]。長沙理工大學(xué)與湖南電網(wǎng)公司合作研發(fā)了能對高壓輸電線金具進(jìn)行維修工作的多懸臂輪式檢修機(jī)器人[13-16]。

國內(nèi)外研發(fā)的高壓輸電線路巡檢機(jī)器人，多數(shù)采用電機(jī)驅(qū)動的多懸臂輪式機(jī)構(gòu)，當(dāng)線路積水、覆冰或者機(jī)器人處于上坡線路段時，行走輪與導(dǎo)線表面之間的靜摩擦力不足以克服重力而導(dǎo)致機(jī)器人打滑，打滑不僅影響機(jī)器人的作業(yè)效率、增大能耗，也會導(dǎo)致高壓輸電線路表面的嚴(yán)重磨損。打滑問題是輪式驅(qū)動巡檢機(jī)器人固有的問題。本文提出一種磁力懸浮方法，利用通電線圈在高壓導(dǎo)線周圍的環(huán)形磁場中受到的安培力，使機(jī)器人能懸浮于高壓線路上，通過實現(xiàn)無接觸、無摩擦進(jìn)而解決打滑和磨損問題。

1 磁力懸浮原理

1.1 磁力懸浮裝置模型

磁力懸浮裝置如圖1所示，將磁力懸浮裝置設(shè)計成上下左右均對稱，可滿足高壓線巡檢機(jī)器人遇到障礙時進(jìn)行開合運(yùn)動的要求。高壓線周圍會產(chǎn)生方向確定的環(huán)形磁場，合理布置線圈可以得到與重力方向相反的安培力，考慮到線圈中電流過小或者線圈匝數(shù)過少會導(dǎo)致安培力過小而不能實現(xiàn)克服自身重力。因此，磁芯材料選擇具有聚磁特性的強(qiáng)磁材料，可以有效增加豎直方向上的安培力大小，確保機(jī)器人可以懸浮在高壓線上?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用3D打印技術(shù)將線圈無縫地鑲嵌到強(qiáng)導(dǎo)磁材料中。

圖1 磁力懸浮裝置

圖2 磁力懸浮機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

1.2 磁力懸浮原理

如圖3所示，假設(shè)高壓直流輸電線的電流沿軸正方向，根據(jù)右手定則，得到其產(chǎn)生的磁場磁感應(yīng)線的方向。圖4為高壓直流輸電線產(chǎn)生的磁感應(yīng)線在平面的分布。在高壓輸電線附近有與其平行的載流導(dǎo)線，電流方向與高壓輸電線電流方向相反。根據(jù)左手定則，該載流導(dǎo)線的受力如圖4所示。

圖3 高壓輸電線磁感應(yīng)線方向

圖4 載流導(dǎo)線受力方向

根據(jù)安培定律：

可求載流導(dǎo)線所受的安培力。設(shè)高壓輸電線的電流為1，設(shè)載流導(dǎo)線的長為，通過導(dǎo)線的電流為2，載流導(dǎo)線到高壓輸電線中心的距離為0，載流導(dǎo)線的電流方向與磁感應(yīng)線的夾角為。因為磁感應(yīng)線垂直于線圈，故=90°，sin=1。

磁場強(qiáng)度：

式中：0為空氣磁導(dǎo)率（0=4π×10–7H/m）；r為強(qiáng)磁材料的磁導(dǎo)率。

可以求得安培力大?。?/p>

以xz軸為對稱平面，沿磁感應(yīng)線方向的高壓輸電線方向繞有一線圈，上下各有n邊平行于高壓輸電線。由于沿圓周方向的邊每一段電流元的方向均與磁感應(yīng)線的方向平行，即θ=0°，故沿圓周方向的導(dǎo)線不受力。因此得到簡化圖如圖5所示。

導(dǎo)線通入電流后，上下兩側(cè)平行于高壓輸電線的邊中電流方向相反，而受到的磁場方向相反，如圖6所示。設(shè)每相鄰兩根導(dǎo)線之間的夾角為，當(dāng)導(dǎo)線緊密排列時，根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到兩根相鄰導(dǎo)線之間的夾角與導(dǎo)線直徑以及圓的半徑0之間的關(guān)系：

式中：d為載流線圈的直徑。

設(shè)離軸垂直距離最小的導(dǎo)線與軸的 夾角為，第根導(dǎo)線與軸的夾角，相鄰兩根線圈之間的夾角為：

則巡檢機(jī)器人受到的懸浮力2N為：

因此可以求得載流導(dǎo)線在軸上的合力2N：

壓線磁懸浮機(jī)器人重力：

式中：1、2分別為機(jī)器人的外環(huán)和內(nèi)環(huán)半徑，如圖6所示。

實現(xiàn)機(jī)器人懸浮于高壓線上，即滿足：

化簡之后可得：

由上式可發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的長度對懸浮條件沒有影響。

2 磁懸浮模型仿真分析

2.1 磁懸浮物理模型

取高壓線電流1 000 A，高壓線截面確定為（0.02×0.02 π）m2，模型外徑10055 m，內(nèi)徑20045 m，模型長度為=0.03 m，載流線圈截面直徑=0.004 m，載流線圈內(nèi)電流不宜過大，通電線圈中電流大小為10 A。強(qiáng)導(dǎo)磁材料選擇MnZn鐵氧體，其相對磁導(dǎo)率可達(dá)到3 000 H/m，考慮經(jīng)濟(jì)問題，擬采用r=1 000 H/m

將磁力懸浮模型進(jìn)行必要的簡化以便進(jìn)行仿真計算。選取線圈=5和=21進(jìn)行仿真計算。其仿真模型簡化如圖7所示。

2.2 仿真分析

在COMSOL仿真軟件中，高壓線材料選擇Steel AISI 4340,線圈材料設(shè)置為soft iron (without losses)，軟磁材料設(shè)置為MnZn鐵氧體，物理場選擇為磁場（mf）；對磁芯、載流線圈、高壓線及內(nèi)空氣域采用自由四面體網(wǎng)格超細(xì)化劃分，剩余部分采用自由四面體網(wǎng)格較細(xì)化劃分，在高壓線邊界以及載流線圈邊界設(shè)置邊界層網(wǎng)格；確定線圈數(shù)為5、9、15和21并進(jìn)行仿真。在高壓電流（1 000 A）產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)磁場環(huán)境下，對磁力懸浮模型進(jìn)行求解計算，仿真模型在以及平面的截圖如圖8和圖9所示，其中圖8為界面磁通密度模（=21），圖9為模型電流密度模及其磁場密度模面箭頭。

圖8 界面磁通密度模（n=21）

由圖8中可以看出，軟磁材料對磁場有明顯的增強(qiáng)作用且高壓線的磁場與線圈的磁場發(fā)生了耦合；由圖9可以看出，面箭頭在線圈周圍分布密集（面箭頭走向為模型內(nèi)部電流的方向，疏密代表電流密度的大?。Ｕf明線圈匝數(shù)越多該處場強(qiáng)越大，產(chǎn)生的安培力越大。雖然仿真結(jié)果與理論結(jié)果之間存在誤差，但是誤差范圍在可接受范圍之內(nèi)，證明了該原理的正確性。在不同線圈條件下，在方向上的電磁力a與理論計算數(shù)值2N如表1所示。

表1 相應(yīng)線圈匝數(shù)的仿真數(shù)值與理論計算數(shù)值

由表1可知，隨著線圈數(shù)的增加，仿真數(shù)值和理論計算數(shù)值之間的誤差逐漸變大，其原因在于磁耦合效應(yīng)的存在，導(dǎo)致仿真數(shù)值偏小。

通過仿真值和理論值的對比，相同高壓線磁場環(huán)境下，線圈匝數(shù)的增多會造成更加嚴(yán)重的磁場耦合。研究線圈匝數(shù)最優(yōu)值有助于提高磁力懸浮裝置的穩(wěn)定性，可以適應(yīng)更加復(fù)雜的輸電線路環(huán)境。

3 結(jié)論

提出了一種磁力懸浮方法，旨在徹底解決高壓線巡檢機(jī)器人在巡檢過程中出現(xiàn)的打滑及磨損問題。根據(jù)提出的理論，展開了仿真驗證工作，并將其仿真值與理論值進(jìn)行了對比研究。由于磁耦合效應(yīng)，最終仿真值小于理論值，但仍可證明該理論方法是正確的。

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Principle Design and Simulation of Magnetic Levitation System for High-voltage Line Operation Robot

ZHOU Zhanfan1, YAN Yu1, HUANG Runqing1, LIU Jiahao2, XU Xianjin3

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company, Substation Intelligent Operation and Inspection Laboratory of State Grid Hunan Electric Power Co., Ltd., Changsha 410000, China; 2. 95997 Army, Changsha 410000, China; 3. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Aiming at solving the problems of high-voltage line inspection robots that are easy to slip, wear and climb slowly, a magnetic levitation method was proposed: a magnetic levitation device was used to generate an ampere force that was the same as the gravity and opposite direction to make the robot levitate on the high-voltage line, thereby completely eliminating slippage and wear problems. A new magnetic levitation method was proposed by analyzing the ampere force of current carrying conductor in the magnetic field generated by high voltage transmission line; the physical model of magnetic levitation was established, the relationship between the levitation force and the relevant size of the model was analyzed; and the COMSOL software was used to simulate the model. The results show that the magnetic levitation force generated by the magnetic levitation system model was approximately equal to the theoretical calculation value, which proves the correctness of the principle design of the magnetic levitation system proposed in this paper.

high-voltage line; magnetic levitation; physical model; the inspection robot

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.004

TM8

A

1672-0792(2021)08-0027-06

2021-04-29

周展帆（1993—），女，工程師，主要從事電力機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)開發(fā)；

嚴(yán) 宇（1986—），男，高級工程師，主要從事電力機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)；

黃潤清（1995—），男，助理工程師，主要從事變電一次設(shè)備檢修；

徐顯金（1971—），男，副教授，主要從事電力作業(yè)機(jī)器人研究。