ansys的新型变磁力吸附单元磁性能分析
摘 要磁吸附爬壁机器人作为爬壁机器人的一类，它一般属于作业型机器人。研究爬壁机器人主要是为了使其能够代替工人们危险作业。本课题是基于新型爬壁机器人磁吸附单元Halbach阵列的磁性能研究。基于永磁和软磁不同磁性材料的选择，利用ANSYS软件对新型磁吸附单元有限元建模。为了使新型变磁力吸附单元展现更好的优越性，通过有限元计算方法，进行了新型变磁力吸附单元与典型不同排列方式的永磁阵列比较和新型变磁力吸附单元与传统变磁力永磁吸附机构比较。在磁体的体积相等的情况下，比较空气气隙在相同和不同时其吸附力和卸载力的大小。研究结果表明在相同气隙下，新型变磁力吸附单元比典型和传统的吸附能力强，且容易脱离钢板；在不同气隙下，新型变磁力吸附单元的吸附力随气隙的变化曲线比传统和典型的平滑稳定。所以新型磁吸附爬壁机器人能安全稳定地吸附在墙壁上，且其运动能力更加灵活可靠。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 磁吸附爬壁机器人的发展概况 1
1.2.1 国外的发展概况 1
1.2.2 国内的发展概况 4
1.3 Halbach阵列的研究概况 5
1.4 本文研究的主要内容 6
2. 新型吸附单元工作原理及磁性能分析 7
2.1 磁性材料的选择 7
2.1.1 永磁材料选择 7
2.1.2 软磁材料的选择 9
2.2 新型吸附单元基本结构及其工作原理 9
2.3采用有限元法对新型吸附单元的磁性能分析 10
2.3.1 ANSYS简介 10
2.3.2 二维有限元建模 11
2.3.3 磁吸附力的计算 15
3. 与典型的不同排列方式的永磁吸附单元比较研究 19
3.1 典型不同排列方式的磁吸附机构的基本原理 19
3.1.1 a型磁路和b型磁路 19
3.1.2 c型磁路和d型磁路 21
3.2 典型的永磁阵列与新型磁吸附单元比较 23
4. 与传统变磁力吸附机构的永磁吸附单元比较研究 26
4.1 传统变磁吸附机构基本原理 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
> 4.1.1 e型磁路 26
4.1.2 f型磁路 27
4.1.3 g型磁路 28
4.2 吸附状态的比较情况 29
4.2.1 e型磁路 29
4.2.2 f型磁路 31
4.2.3 g型磁路 33
4.3 卸载状态的比较情况 35
4.3.1 e型磁路 35
4.3.2 f型磁路 37
4.3.3 g型磁路 38
5. 总结 40
参考文献 41
致谢 42
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
如今，世界上需靠海洋运输的最多的国家之一为中国。随着轮船的数量越来越多，在海上遇难的概率也逐渐增加。所以进行拖带救助在海难救助中是确保生命及财产一起获救的有效方法之一。所谓拖带技术，就是利用爬壁机器人的吸附原理把遇难的船只拖带到安全地带。
在爬壁机器人的领域中，绝大部分的运用都是为了某个特定的任务而设计的，比较单一，不能实现多功能的运用，浪费了许多资源。并且爬壁机器人在实际运用中有比较大的局限性，很难满足实际应用的要求，因此爬壁机器人需要更进一步开发和研究新型吸附技术。另外爬壁机器人应从简单化、小型化发展。很多机器人不仅体积大，而且吸附能力弱，使得吸附在钢板上时不稳定，很难脱离钢板。为了克服这一缺陷，本文研究了新型爬壁机器人，它的体积小、重量轻、吸附和卸载能力强、运动性能非常灵活且吸附在钢板上是比较稳定。与以前的磁吸附爬壁机器人相比较，提高了综合性能。
爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，能够在检测工业、核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船行业、电力行业等行业中得到广泛的运用，工作时提高效率，并且能代替人们做些危险性的工作。
1.2 磁吸附爬壁机器人的发展概况
1.2.1 国外的发展概况
机器人最早的是由日本研发出来的。西亮教授在1975年制作出车轮式磁吸附爬壁机器人，此爬壁机器人采用单吸盘结构，主要靠车轮子来向前爬行。这种磁吸附爬壁机器人可以用来进行检查和修理，且适用于各种被吸附单元正常工作，如图1.1所示。
在1984年，日本的内藤绅司等人研制出了另一种磁吸附爬壁机器人，为多足步行式，这种机器人有八只脚且选用的材料都是永磁体材料，它的直线行走和转向是通过内侧四只脚和外侧四只脚交替吸附在墙壁上来实现的。其缺点是行动比较缓慢，最大速度仅能达到100mm/s。如图1.2所示。
图1.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 图1.2 多足步行式磁吸附爬壁机器人
东京工业大学的学者们在1989年研究出了永磁吸附式爬壁机器人，并且制造成功了。这种机器人的磁吸附装置与钢板之间有个小的倾斜角度，这样其吸附力很大，每个吸附装置都分别由一个电机驱动，并且与壁面相互接触的吸附机构转动，爬壁机器人也就随着向前移动，如图1.3所示。
图1.3 永磁吸附式爬壁机器人
不久之后，日本研究出了具有内力补偿磁力吸附机构的爬壁机器人，此爬壁机器人是通过本身的六个磁力吸附机构产生较大的吸附力，同时也比较容易吸附和脱离墙壁。每3个磁力吸附机构分别形成AB两组，通过AB两组相互交挫的方式来实现机器人的前进和后退。此机器人的自身的重量为8000g，结构为，速度最大可达100mm/s。此机器人如图1.4所示。
随着日本在机器人领域的不断发展，1987年日本研究所研制出了履带式磁吸附爬壁机器人，其吸附单元是将永磁体镶在链条上形成磁性履带，同时履带上还装有多段刚性导杆，然后用导杆连接，这样使爬壁机器人无论在什么壁面上都能紧紧吸附。如图1.5所示。
图1.4 内力补偿磁力吸附机构的爬壁机器人 图1.5 履带式磁吸附机构的爬壁机器人
1990年，西班牙研制出了六足式爬壁机器人，此机器人为磁吸附机构。为了工业上的运用，所以其静载荷比较大。之后2005年，英国研制出了多足多吸盘式爬壁机器人“Robug IIs”，此机器人为高智能化，自由灵活，且具有自动寻迹功能。就是能自动从地面爬到墙壁上，如图1.6所示。
图1.6 爬壁机器人Robug IIs 图1.7 爬壁机器人Magnetic Crawler
随后，加拿大研制出了永磁履带式爬壁机器人“Magnetic Crawler”，此爬壁机器人尺寸为203×165×63mm，本身重量只有4500g，可以进入水中30m的地方工作，速度可达每分钟九米。机器人前后都有高清探头，可对物体进行检测，如图1.7所示。
国外磁吸附爬壁机器人的发展是由日本率先开发研究出车轮式磁吸附爬壁机器人，之后根据日本研制出的机器人的基础上美国、意大利、加拿大、中国香港和中国大陆等国家相继进一步完善了爬壁机器人的吸附装置及运动性能。并且爬壁机器人在许多领域内也得到了广泛的应该用，如：清洁、海难救助和工业的检测等行业中。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 磁吸附爬壁机器人的发展概况 1
1.2.1 国外的发展概况 1
1.2.2 国内的发展概况 4
1.3 Halbach阵列的研究概况 5
1.4 本文研究的主要内容 6
2. 新型吸附单元工作原理及磁性能分析 7
2.1 磁性材料的选择 7
2.1.1 永磁材料选择 7
2.1.2 软磁材料的选择 9
2.2 新型吸附单元基本结构及其工作原理 9
2.3采用有限元法对新型吸附单元的磁性能分析 10
2.3.1 ANSYS简介 10
2.3.2 二维有限元建模 11
2.3.3 磁吸附力的计算 15
3. 与典型的不同排列方式的永磁吸附单元比较研究 19
3.1 典型不同排列方式的磁吸附机构的基本原理 19
3.1.1 a型磁路和b型磁路 19
3.1.2 c型磁路和d型磁路 21
3.2 典型的永磁阵列与新型磁吸附单元比较 23
4. 与传统变磁力吸附机构的永磁吸附单元比较研究 26
4.1 传统变磁吸附机构基本原理 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
> 4.1.1 e型磁路 26
4.1.2 f型磁路 27
4.1.3 g型磁路 28
4.2 吸附状态的比较情况 29
4.2.1 e型磁路 29
4.2.2 f型磁路 31
4.2.3 g型磁路 33
4.3 卸载状态的比较情况 35
4.3.1 e型磁路 35
4.3.2 f型磁路 37
4.3.3 g型磁路 38
5. 总结 40
参考文献 41
致谢 42
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
如今，世界上需靠海洋运输的最多的国家之一为中国。随着轮船的数量越来越多，在海上遇难的概率也逐渐增加。所以进行拖带救助在海难救助中是确保生命及财产一起获救的有效方法之一。所谓拖带技术，就是利用爬壁机器人的吸附原理把遇难的船只拖带到安全地带。
在爬壁机器人的领域中，绝大部分的运用都是为了某个特定的任务而设计的，比较单一，不能实现多功能的运用，浪费了许多资源。并且爬壁机器人在实际运用中有比较大的局限性，很难满足实际应用的要求，因此爬壁机器人需要更进一步开发和研究新型吸附技术。另外爬壁机器人应从简单化、小型化发展。很多机器人不仅体积大，而且吸附能力弱，使得吸附在钢板上时不稳定，很难脱离钢板。为了克服这一缺陷，本文研究了新型爬壁机器人，它的体积小、重量轻、吸附和卸载能力强、运动性能非常灵活且吸附在钢板上是比较稳定。与以前的磁吸附爬壁机器人相比较，提高了综合性能。
爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，能够在检测工业、核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船行业、电力行业等行业中得到广泛的运用，工作时提高效率，并且能代替人们做些危险性的工作。
1.2 磁吸附爬壁机器人的发展概况
1.2.1 国外的发展概况
机器人最早的是由日本研发出来的。西亮教授在1975年制作出车轮式磁吸附爬壁机器人，此爬壁机器人采用单吸盘结构，主要靠车轮子来向前爬行。这种磁吸附爬壁机器人可以用来进行检查和修理，且适用于各种被吸附单元正常工作，如图1.1所示。
在1984年，日本的内藤绅司等人研制出了另一种磁吸附爬壁机器人，为多足步行式，这种机器人有八只脚且选用的材料都是永磁体材料，它的直线行走和转向是通过内侧四只脚和外侧四只脚交替吸附在墙壁上来实现的。其缺点是行动比较缓慢，最大速度仅能达到100mm/s。如图1.2所示。
图1.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 图1.2 多足步行式磁吸附爬壁机器人
东京工业大学的学者们在1989年研究出了永磁吸附式爬壁机器人，并且制造成功了。这种机器人的磁吸附装置与钢板之间有个小的倾斜角度，这样其吸附力很大，每个吸附装置都分别由一个电机驱动，并且与壁面相互接触的吸附机构转动，爬壁机器人也就随着向前移动，如图1.3所示。
图1.3 永磁吸附式爬壁机器人
不久之后，日本研究出了具有内力补偿磁力吸附机构的爬壁机器人，此爬壁机器人是通过本身的六个磁力吸附机构产生较大的吸附力，同时也比较容易吸附和脱离墙壁。每3个磁力吸附机构分别形成AB两组，通过AB两组相互交挫的方式来实现机器人的前进和后退。此机器人的自身的重量为8000g，结构为，速度最大可达100mm/s。此机器人如图1.4所示。
随着日本在机器人领域的不断发展，1987年日本研究所研制出了履带式磁吸附爬壁机器人，其吸附单元是将永磁体镶在链条上形成磁性履带，同时履带上还装有多段刚性导杆，然后用导杆连接，这样使爬壁机器人无论在什么壁面上都能紧紧吸附。如图1.5所示。
图1.4 内力补偿磁力吸附机构的爬壁机器人 图1.5 履带式磁吸附机构的爬壁机器人
1990年，西班牙研制出了六足式爬壁机器人，此机器人为磁吸附机构。为了工业上的运用，所以其静载荷比较大。之后2005年，英国研制出了多足多吸盘式爬壁机器人“Robug IIs”，此机器人为高智能化，自由灵活，且具有自动寻迹功能。就是能自动从地面爬到墙壁上，如图1.6所示。
图1.6 爬壁机器人Robug IIs 图1.7 爬壁机器人Magnetic Crawler
随后，加拿大研制出了永磁履带式爬壁机器人“Magnetic Crawler”，此爬壁机器人尺寸为203×165×63mm，本身重量只有4500g，可以进入水中30m的地方工作，速度可达每分钟九米。机器人前后都有高清探头，可对物体进行检测，如图1.7所示。
国外磁吸附爬壁机器人的发展是由日本率先开发研究出车轮式磁吸附爬壁机器人，之后根据日本研制出的机器人的基础上美国、意大利、加拿大、中国香港和中国大陆等国家相继进一步完善了爬壁机器人的吸附装置及运动性能。并且爬壁机器人在许多领域内也得到了广泛的应该用，如：清洁、海难救助和工业的检测等行业中。
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