Halbach阵列磁吸附单元结构参数优化设计
Halbach阵列磁吸附单元结构参数优化设计[20200419155532]
摘 要
目前，永磁吸附爬壁机器人已被广泛应用于诸多行业，其核心部件是永磁吸附单元，永磁吸附单元无需外能，吸附能力强。为了进一步提高永磁吸附爬壁机器人的吸附性能，本文针对新型Halbach阵列永磁吸附单元，运用ANSYS10.0有限元仿真软件建立了永磁吸附单元的二维有限元磁场模型。采用改变参数变量法研究了磁吸附单元的结构参数对其磁性能的影响，并对结构参数进行了优化，使爬壁机器人在工作状态时最大吸附力增大，吸附的可靠性增强；在非工作状态时最小吸附力减小，卸载的能力提高。通过优化前后理论数据的对比，表明优化后的磁吸附性能比优化前更加优越，在一定程度上解决了吸附力大而卸载难及永磁利用率不高两大问题。
在永磁吸附机构经优化后的基础上，为了研究阵列结构的稳定性，利用有限元仿真软件建立了磁块间留有小气隙的二维及三维磁场模型，分析了永磁体与永磁体及永磁体与软铁之间在x、y和z方向的作用力，通过对结构参数的调节，使各个磁块全部吸附在软铁上，有效地解决了永磁机构安装和固定难的问题。
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关键字:Halbach阵列ANSYS磁场分析爬壁机器人
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2磁吸附爬壁机器人及其吸附单元国内外现状 1
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 4
1.3 Halbach阵列的研究现状 4
1.4论文的主要内容 5
2.磁吸附单元的有限元分析 7
2.1 Halbach型永磁吸附机构原理 7
2.2磁吸附单元的有限元分析 7
2.2.1磁场有限元数学模型 8
2.2.2磁吸附力的计算 9
2.3 ANSYS有限元求解和结果分析 9
2.3.1创建物理环境 10
2.3.2建立模型、赋予特性、划分网格 10
2.3.3求解和结果分析 11
2.4本章小结 14
3.结构参数的影响及优化 15
3.1优化目标 15
3.2单个结构参数对磁性能的影响 15
3.2.1水平磁化磁体长度对磁性能的影响 15
3.2.2垂直磁化磁体长度对磁性能的影响 16
3.2.3垂直磁化磁体高度对磁性能的影响 17
3.2.4阵列两侧铁轭宽度与弱磁侧铁轭高度 18
3.3各个参数间的相互影响 19
3.4优化前后对比 20
3.5本章小结 23
4.永磁吸附机构稳定性 24
4.1二维磁吸附机构稳定性分析 24
4.1.1稳定性的提出 24
4.1.2二维稳定性分析 25
4.2三维磁吸附机构稳定性分析 26
4.2.1三维磁场模型与网格划分 26
4.2.2求解和结果查看 27
4.2.3三维稳定性分析 29
4.3本章小结 29
5.总结与展望 30
5.1总结 30
5.2展望 30
参考文献 31
致谢 32
1.绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着国家经济的发展，拔地而起的高层建筑使得城市面貌焕然一新，同时也出现了许多高空作业的难题，比如建筑施工、抢险救灾、清洗玻璃等，其中一部分还是由人工完成的，这样不仅增加了劳动强度，效率也不高，同时还存在着安全隐患。经过几十年的发展，有关爬壁机器人的技术取得了丰硕的成果，爬壁机器人已成为人类不可缺失的得力助手。目前主要应用于造船业、侦查活动、石化工业以及消防业等。在壁面清洗、检测维护、消防急救等领域解决了人类许多难题。
磁吸附爬壁机器人能够作业于不同高度、不同倾斜角度的导磁壁面上，已经成为特种移动服务式机器人领域中的重要分支。目前，已成为人类重视且实用性强的自动机械装置。作为磁吸附爬壁机器人的核心部件，永磁吸附单元具有工作可靠、使用效率高、不耗能、结构简单等优点，在众多场合逐步代替了电磁机构。
鉴于永磁吸附爬壁机器人铁磁材料的吸附能力比其它吸附方式更加优越，并结合其在永磁电机和磁悬浮轨道系统中广泛应用的Halbach阵列，本文针对其新型Halbach阵列永磁吸附单元，采用有限元仿真软件分析了不同的结构参数对磁吸附性能的影响并对其进行优化设计。研究爬壁机器人吸附力大而卸载难及提高永磁利用率两大问题,并在此基础上对新型阵列稳定性进行研究。
1.2磁吸附爬壁机器人及其吸附单元国内外现状
壁面移动机器人需具备吸附和移动两个基本功能，按其吸附机能可将爬壁机器人分为真空吸附式、磁吸附式和气体推力吸附式。磁吸附爬壁机器人按其吸附方式可分为永磁体吸附和电磁吸附，只有在具有导磁材料的壁面使用，其结构简单且磁吸附力远远高于真空吸附爬壁机器人，在工作时也不会因壁面的凹凸不平而影响吸附性能，因此若壁面可导磁，通常会使用磁吸附爬壁机器人。电磁铁爬壁机器人需要消耗电能，吸附力也不比永磁铁大，所以使用永磁铁吸附方式更加便捷。按其移动的方式可将爬壁机器人分为履带式、车轮式和足脚式（分两足和多足）等【1】，以下介绍国内外几种磁吸附爬壁机器人及其永磁吸附单元的发展状况。
1.2.1国外研究现状
如图1.1所示，车轮型磁吸附爬壁机器人是由日本钢管株式会社(NKK)研发的，它可以代替人工进行修理作业或者检查作业，是吸附在油罐、船体等各种大型构造物上的机器人，左右两组车轮单元即磁吸附单元是由两台直流电机分别驱动的，用手臂来夹持工具进行作业，机器人贴附在壁面上是靠磁性车轮，此车轮型磁吸附爬壁机器人壁面适应能力、移动速度快、行走平稳性好。
图1.1车轮式磁吸附式爬壁机器人
1984年，日本日立制作所的内藤绅司等人研制了脚式磁吸附爬壁机器人【2】。如图1.2所示，它的8只脚配装有永磁体即磁吸附单元，能够吸附于壁面是通过变换使用内侧与外侧四只脚实现的，能够使机器人在壁面上前进和后退，通过转动内框和外框，使机器人能转动方向。相对于壁面，机器人的每条腿均可作直线运动，且最大移动速度为100mm/s。而后在1885年该制作所在此基础上又研发了一种新型磁吸附爬壁机器人【3】。
图1.2步行式磁吸附式爬壁机器人
车轮式磁吸附爬壁机器人在移动时具有较快的速度，但其只有车轮一小部分为吸附单元；步行式磁吸附爬壁机器人虽能产生较强的磁吸附力，但工作状态时运行速度无法提高。为了提高吸附力和行走速度，1989年日本东京工业大学的宏濑茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人【4】。如图1.3所示，磁吸附单元为一个个小的吸盘，在吸盘和导磁壁面间存在很小的倾斜度，这样并不会影响吸盘对导磁壁面的吸附力，一个电机驱动一个吸盘，先接触导磁壁面的吸盘旋转，使得爬壁机器人具有较大吸附力的同时向前移动。
如图1.4所示，当遇到壁面凹凸不平或焊缝障碍时，吸盘会一个接着一个跨越障碍。当爬壁机器人吸盘接触焊缝自下而上爬行时，自身重量会产生往下的力矩，使上侧小吸盘悬空，吸附力减弱而不能前进的现象。为避免这一问题，可利用磁性材料制作小滚轮，改善其吸附性和承受载荷的能力。
图1.3吸盘式磁吸附爬壁机器人 图1.4过焊缝时
1987年，日本日立制作所的内藤绅司等人研制出了磁吸附履带式爬壁机器人【5】。此吸附装置是由镶嵌在履带上的永磁体构成的，如图1.5所示，履带吸附在壁面上并移动，履带式磁吸附爬壁机器人除转弯困难外，产生的吸附力强、行走速度快、跨越障碍能力也好，因此被广泛应用，并且已有很多研究所对履带式磁吸附爬壁机器人进行了深入研究和改进。
图1.5履带式磁吸附爬壁机器人
1.2.2国内研究现状
相比较而言，我国爬壁机器人的起步比较晚，但是发展相当迅速。1995年哈尔滨工业大学研制成功的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人，采用永磁吸附机构，靠两条履带的正反转移动来实现转弯【6】。如图1.6所示，该机器人除了可以对储蓄罐外壁进行喷砂、喷漆以外还能利用自带的检测系统检测罐壁的喷漆层厚度。1997年研制的水冷壁清洗检测爬壁机器人，呈圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合，提高了吸附力，也提高了作业的效率【7】。在此基础上还设计了一种能够跨越焊缝障碍的避免倾覆机构，提高了行走的平稳度。
图1.6金属罐检测爬壁机器人
摘 要
目前，永磁吸附爬壁机器人已被广泛应用于诸多行业，其核心部件是永磁吸附单元，永磁吸附单元无需外能，吸附能力强。为了进一步提高永磁吸附爬壁机器人的吸附性能，本文针对新型Halbach阵列永磁吸附单元，运用ANSYS10.0有限元仿真软件建立了永磁吸附单元的二维有限元磁场模型。采用改变参数变量法研究了磁吸附单元的结构参数对其磁性能的影响，并对结构参数进行了优化，使爬壁机器人在工作状态时最大吸附力增大，吸附的可靠性增强；在非工作状态时最小吸附力减小，卸载的能力提高。通过优化前后理论数据的对比，表明优化后的磁吸附性能比优化前更加优越，在一定程度上解决了吸附力大而卸载难及永磁利用率不高两大问题。
在永磁吸附机构经优化后的基础上，为了研究阵列结构的稳定性，利用有限元仿真软件建立了磁块间留有小气隙的二维及三维磁场模型，分析了永磁体与永磁体及永磁体与软铁之间在x、y和z方向的作用力，通过对结构参数的调节，使各个磁块全部吸附在软铁上，有效地解决了永磁机构安装和固定难的问题。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:Halbach阵列ANSYS磁场分析爬壁机器人
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2磁吸附爬壁机器人及其吸附单元国内外现状 1
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 4
1.3 Halbach阵列的研究现状 4
1.4论文的主要内容 5
2.磁吸附单元的有限元分析 7
2.1 Halbach型永磁吸附机构原理 7
2.2磁吸附单元的有限元分析 7
2.2.1磁场有限元数学模型 8
2.2.2磁吸附力的计算 9
2.3 ANSYS有限元求解和结果分析 9
2.3.1创建物理环境 10
2.3.2建立模型、赋予特性、划分网格 10
2.3.3求解和结果分析 11
2.4本章小结 14
3.结构参数的影响及优化 15
3.1优化目标 15
3.2单个结构参数对磁性能的影响 15
3.2.1水平磁化磁体长度对磁性能的影响 15
3.2.2垂直磁化磁体长度对磁性能的影响 16
3.2.3垂直磁化磁体高度对磁性能的影响 17
3.2.4阵列两侧铁轭宽度与弱磁侧铁轭高度 18
3.3各个参数间的相互影响 19
3.4优化前后对比 20
3.5本章小结 23
4.永磁吸附机构稳定性 24
4.1二维磁吸附机构稳定性分析 24
4.1.1稳定性的提出 24
4.1.2二维稳定性分析 25
4.2三维磁吸附机构稳定性分析 26
4.2.1三维磁场模型与网格划分 26
4.2.2求解和结果查看 27
4.2.3三维稳定性分析 29
4.3本章小结 29
5.总结与展望 30
5.1总结 30
5.2展望 30
参考文献 31
致谢 32
1.绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着国家经济的发展，拔地而起的高层建筑使得城市面貌焕然一新，同时也出现了许多高空作业的难题，比如建筑施工、抢险救灾、清洗玻璃等，其中一部分还是由人工完成的，这样不仅增加了劳动强度，效率也不高，同时还存在着安全隐患。经过几十年的发展，有关爬壁机器人的技术取得了丰硕的成果，爬壁机器人已成为人类不可缺失的得力助手。目前主要应用于造船业、侦查活动、石化工业以及消防业等。在壁面清洗、检测维护、消防急救等领域解决了人类许多难题。
磁吸附爬壁机器人能够作业于不同高度、不同倾斜角度的导磁壁面上，已经成为特种移动服务式机器人领域中的重要分支。目前，已成为人类重视且实用性强的自动机械装置。作为磁吸附爬壁机器人的核心部件，永磁吸附单元具有工作可靠、使用效率高、不耗能、结构简单等优点，在众多场合逐步代替了电磁机构。
鉴于永磁吸附爬壁机器人铁磁材料的吸附能力比其它吸附方式更加优越，并结合其在永磁电机和磁悬浮轨道系统中广泛应用的Halbach阵列，本文针对其新型Halbach阵列永磁吸附单元，采用有限元仿真软件分析了不同的结构参数对磁吸附性能的影响并对其进行优化设计。研究爬壁机器人吸附力大而卸载难及提高永磁利用率两大问题,并在此基础上对新型阵列稳定性进行研究。
1.2磁吸附爬壁机器人及其吸附单元国内外现状
壁面移动机器人需具备吸附和移动两个基本功能，按其吸附机能可将爬壁机器人分为真空吸附式、磁吸附式和气体推力吸附式。磁吸附爬壁机器人按其吸附方式可分为永磁体吸附和电磁吸附，只有在具有导磁材料的壁面使用，其结构简单且磁吸附力远远高于真空吸附爬壁机器人，在工作时也不会因壁面的凹凸不平而影响吸附性能，因此若壁面可导磁，通常会使用磁吸附爬壁机器人。电磁铁爬壁机器人需要消耗电能，吸附力也不比永磁铁大，所以使用永磁铁吸附方式更加便捷。按其移动的方式可将爬壁机器人分为履带式、车轮式和足脚式（分两足和多足）等【1】，以下介绍国内外几种磁吸附爬壁机器人及其永磁吸附单元的发展状况。
1.2.1国外研究现状
如图1.1所示，车轮型磁吸附爬壁机器人是由日本钢管株式会社(NKK)研发的，它可以代替人工进行修理作业或者检查作业，是吸附在油罐、船体等各种大型构造物上的机器人，左右两组车轮单元即磁吸附单元是由两台直流电机分别驱动的，用手臂来夹持工具进行作业，机器人贴附在壁面上是靠磁性车轮，此车轮型磁吸附爬壁机器人壁面适应能力、移动速度快、行走平稳性好。
图1.1车轮式磁吸附式爬壁机器人
1984年，日本日立制作所的内藤绅司等人研制了脚式磁吸附爬壁机器人【2】。如图1.2所示，它的8只脚配装有永磁体即磁吸附单元，能够吸附于壁面是通过变换使用内侧与外侧四只脚实现的，能够使机器人在壁面上前进和后退，通过转动内框和外框，使机器人能转动方向。相对于壁面，机器人的每条腿均可作直线运动，且最大移动速度为100mm/s。而后在1885年该制作所在此基础上又研发了一种新型磁吸附爬壁机器人【3】。
图1.2步行式磁吸附式爬壁机器人
车轮式磁吸附爬壁机器人在移动时具有较快的速度，但其只有车轮一小部分为吸附单元；步行式磁吸附爬壁机器人虽能产生较强的磁吸附力，但工作状态时运行速度无法提高。为了提高吸附力和行走速度，1989年日本东京工业大学的宏濑茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人【4】。如图1.3所示，磁吸附单元为一个个小的吸盘，在吸盘和导磁壁面间存在很小的倾斜度，这样并不会影响吸盘对导磁壁面的吸附力，一个电机驱动一个吸盘，先接触导磁壁面的吸盘旋转，使得爬壁机器人具有较大吸附力的同时向前移动。
如图1.4所示，当遇到壁面凹凸不平或焊缝障碍时，吸盘会一个接着一个跨越障碍。当爬壁机器人吸盘接触焊缝自下而上爬行时，自身重量会产生往下的力矩，使上侧小吸盘悬空，吸附力减弱而不能前进的现象。为避免这一问题，可利用磁性材料制作小滚轮，改善其吸附性和承受载荷的能力。
图1.3吸盘式磁吸附爬壁机器人 图1.4过焊缝时
1987年，日本日立制作所的内藤绅司等人研制出了磁吸附履带式爬壁机器人【5】。此吸附装置是由镶嵌在履带上的永磁体构成的，如图1.5所示，履带吸附在壁面上并移动，履带式磁吸附爬壁机器人除转弯困难外，产生的吸附力强、行走速度快、跨越障碍能力也好，因此被广泛应用，并且已有很多研究所对履带式磁吸附爬壁机器人进行了深入研究和改进。
图1.5履带式磁吸附爬壁机器人
1.2.2国内研究现状
相比较而言，我国爬壁机器人的起步比较晚，但是发展相当迅速。1995年哈尔滨工业大学研制成功的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人，采用永磁吸附机构，靠两条履带的正反转移动来实现转弯【6】。如图1.6所示，该机器人除了可以对储蓄罐外壁进行喷砂、喷漆以外还能利用自带的检测系统检测罐壁的喷漆层厚度。1997年研制的水冷壁清洗检测爬壁机器人，呈圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合，提高了吸附力，也提高了作业的效率【7】。在此基础上还设计了一种能够跨越焊缝障碍的避免倾覆机构，提高了行走的平稳度。
图1.6金属罐检测爬壁机器人
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