CN103595301A - 一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人 - Google Patents

Abstract

一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，包括两个中心对称于高压导线⑼的可开合悬浮瓦⑻，所述悬浮瓦⑻包括矩形线圈⑷和从内向外依次设置的内衬瓦⑴、磁芯⑵、外衬瓦⑶。其优点是：机器人可悬浮于高压导线之上，机器人与高压导线之间零接触、零摩擦，消除了有害磨损和有害动载荷；在有驱动力的情况下，这种零接触、零摩擦方式，可大大提高机器人的移动速度；磁力悬浮方式，可降低机器人移动机构的复杂度，实现机器人的轻型化；磁力悬浮装置尺寸下、成本低，容易实现。

Description

一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术和磁场学技术领域，具体的说是一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人。

背景技术

架空高压输电线路作业机器人主要包括巡检机器人、除冰机器人、绝缘子清扫机器人等以及其它智能检测和维护设备。自上世纪八十年代以来，架空高压输电线路作业机器人一直是机器人技术领域的研究热点。美国、日本、加拿大、中国等国家先后开展了架空高压输电线路作业机器人的研究工作。2008年，日本的Debenest等人专为高压多分裂导线研制出了名为“Expliner”的巡检机器人。2000年，加拿大魁北克水电研究院的Montambault等人研制了名为HQ Line-ROVer的遥控小车，该小车起初被用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途的移动平台。2006年至今，Montambault及Pouliot等人在HQ LineROVer的基础上研制并发展了新一代巡检机器人，取名“LineScout”，其技术比较先进，功能比较齐全，该机器人不仅可以巡检线路，还可以完成导线修补、螺栓紧固等相对简单的线路维护作业。

20世纪90年代末，武汉大学的吴功平教授领导的科研团队率先在国内开展架空高压输电线路巡线机器人的研究，在国家“十五”和“十一五”863计划的资助下，该课题组研制成功了沿高压导线行驶的两种自主巡检机器人：沿220kV导线行驶的自主巡检机器人，以及沿（超）高压多分裂导线行驶的自主巡检机器人，这两种机器人均采用轮臂复合反对称结构和轮式驱动方式；2010年该团队还与湖南大学合作研发了高压输电线路除冰机器人，由于同样采用轮式驱动方式，在结冰的线路上打滑问题突出，严重影响机器人的作业效率。中科院自动化所、山东大学和遵义供电局联合开展了“110kV输电线路自动巡检机器人”的研究，设计了一种三臂悬挂式巡检机器人。

架空高压输电线路作业机器人的研究已经取得了较大进展，但距离实用化还有很大差距。目前，国内外研究的架空高压输电线路作业机器人在无障碍线路多采用轮轨方式牵引机器人移动，这种方式主要存在以下几个方面的问题。第一，轮轨系统中，驱动轮必须与线路接触，因而摩擦影响不可避免，摩擦不仅损坏高压导线，而且会缩短行走轮的使用寿命；第二，轮轨式移动方式受到线路表面粘着条件的限制，容易发生打滑；第三，轮轨系统的效率有一定的局限性，因而实际研发的高压输电线路作业机器人在无障碍线路的巡航速度还无法满足实际需要；第四，轮轨系统的振动会增大架空高压导线的有害动载荷。

磁悬浮技术（magnetic suspension technique）的研究源于德国，1922年，德国Hermann kemper提出了电磁悬浮原理，它利用磁力使物体悬浮起来，满足机械运动装置高速、无磨损、低能耗的需要，并提高振动控制水平。磁悬浮技术集成了电磁学、电子技术、控制工程、机械动力学等多门学科技术。早期的磁悬浮技术发展比较缓慢，直到二十世纪六十年代，由于控制理论的飞速发展、数字控制技术的引入以及电子技术和磁性材料技术的进步，磁悬浮技术的研究及应用才取得了快速发展。其应用研究涉及很多领域，主要包括磁悬浮列车、磁悬浮轴承、磁悬浮定位平台、医疗、冶炼、军工导航与定位等。目前，无论磁悬浮技术应用于何种领域，其应用方式可以分为三类：1.电磁吸引控制悬浮方式EMS（Electromagnetic Suspension）。EMS方式利用了电磁铁与导磁材料之间的吸引力，几乎大多数磁悬浮技术采用这种方式。随着现代控制理论的发展和驱动元器件的高性能、低价格化，EMS方式得到了广泛的应用。2.永久磁铁斥力悬浮方式PRS（Permanent RepulsiveSuspension）。这是最简单的一种方案，它利用永久磁铁同极间的斥力，产生的斥力可达1kg/m²，称为永久磁铁斥力悬浮方式。由于横向移位的不稳定因素，需要从力学角度安排磁铁的位置。3.感应斥力方式EDS（ElectrodynamicsSuspension）。EDS方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间产生的斥力，简称感应斥力方式。为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈间必须有相对运动，这种方式主要被应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。总之，上述三种磁悬浮方式都是基于磁极的，都是利用同级相斥、异极相吸的磁学原理来实现悬浮的。

综上所述，基于轮轨方式的架空高压输电线路作业机器人存在打滑、效率低下、无法避免有害磨损和振动带来的有害动载荷等问题，利用高压电流产生的磁场使机器人悬浮可解决这些问题，但该类磁场是近似于圆形的环形磁场，无磁极可利用，无法沿用上述基于磁极的磁悬浮技术，要利用高压导线周围的磁场实现磁力悬浮，必须采用新的方法来实现。本专利申请就是在这样的背景下展开的。

发明内容

本发明主要解决架空高压输电线路作业机器人现有的轮轨式移动方式带来的打滑和有害摩擦问题；提供了一种零接触、零摩擦并能消除打滑问题的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人。

本发明还有一个目的是解决架空高压输电线路作业机器人在杆塔之间的无障线路段巡航速度低的问题；提供了一种能实现高效巡航的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人。

本发明再有一目的是解决架空高压输电线路作业机器人现有的轮轨式移动方式的振动带来的有害动载荷问题；提供了一种可避免因为振动带来的有害动载荷的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人。

一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，包括两个中心对称于高压导线9的可开合悬浮瓦8，所述悬浮瓦8包括矩形线圈4和从内向外依次设置的内衬瓦1、磁芯2、外衬瓦3。

所述内衬瓦1为弱导磁材质，呈半圆管状，用于保护和支撑磁芯2，内衬瓦1的外圆柱面与磁芯2内圆柱面配合连接。

所述磁芯2为强导磁材质，用于强化高压电流7产生的磁场6，呈半圆管状；沿磁芯2的圆周方向，均布有多个从磁芯2一个端面到另一端面的磁芯导向孔201，便于矩形线圈有效长边401穿过；磁芯2的外圆柱面与外衬瓦3内圆柱面配合连接。

所述外衬瓦3为弱导磁材质，呈半圆管状，用于支撑磁芯2和矩形线圈4；沿外衬瓦3圆周方向，均布有多个从外衬瓦3的一个端面到另一端面的外衬瓦导向孔301和1个先导孔302，便于矩形线圈无效长边402穿过，所述外衬瓦导向孔301和磁芯导向孔201的数量相同。

所述矩形线圈4为首先穿过先导孔302，螺旋变向后再依次穿过磁芯导向孔201和外衬瓦导向孔301，并沿磁芯2和外衬瓦3的圆周方向循环绕制而成横断面为矩形的圆弧状螺旋管。

矩形线圈4位于磁芯导向孔201中的长边为有效长边401，位于外衬瓦导向孔301中的长边为无效长边402。

矩形线圈4为软铁材料制成，其外设绝缘层。

架空高压输电线路作业磁力驱动机器人可采用级联方式，倍增机器人的驱动力。

本发明架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人的工作原理如下：

两悬浮瓦8闭合，对称布置于水平位置的高压导线9上下两侧，高压导线9中的高压电流7产生磁场6（方向向外的磁场用“·”表示，方向向里的磁场用“×”表示），上下两侧的悬浮瓦8所处的磁场方向刚好相反；上侧的悬浮瓦中矩形线圈4通以线圈电流5，根据左手定则，则矩形线圈4两个长边受到方向相反的安培力，由于有效长边401被置于具备强导磁性能的磁芯2中，而无效长边402被置于弱导磁性能的外衬瓦3中，它们所处的磁场强度不一样，因而，在铅垂方向上，该线圈受到的安培力合力向上，这个合力构成机器人得以悬浮的磁力悬浮力；处于高压导线9下侧的悬浮瓦中，矩形线圈4中通以大小相等方向相反的线圈电流，由于所处的磁场方向相反，因而，在铅垂向上，该矩形线圈4也能提供大小相等方向向上的安培力。高压导线9上下两侧的悬浮瓦8受到的安培力一起构成了使得机器人得以悬浮的磁力悬浮力。上下两侧线圈的对应的直短边403受到的安培力刚好抵消，对应变向短边404受到的安培力也刚好抵消。采用电流源给矩形线圈4供电，通过系统传感器感知磁场6的方向来改变线圈电流5，从而保证机器人可以获得稳定的磁力悬浮力。

本发明架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人的优点是：

1、机器人可悬浮于高压导线之上，机器人与高压导线之间零接触、零摩擦，消除了有害磨损和有害动载荷；

2、在有驱动力的情况下，这种零接触、零摩擦方式，可大大提高机器人的移动速度；

3、磁力悬浮方式，可降低机器人移动机构的复杂度，实现机器人的轻型化；

4、磁力悬浮装置尺寸下、成本低，容易实现。

附图说明

图1为本发明架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人的工作原理图。

图2为本发明架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人的主视图。

图3为本发明架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人的后视图。

图4为两悬浮瓦闭合时局部立体视图。

图5为两悬浮瓦打开时局部立体视图。

图6为内衬瓦立体视图。

图7为磁芯局部立体视图。

图8为外衬瓦局部立体视图。

图9为矩形线圈立体视图。

图10为内衬瓦剖视图。

图11为磁芯剖视图。

图12为外衬瓦剖视图。

图13为磁力悬浮力受力分析图。

图中，1为内衬瓦，2为磁芯，201为磁芯导向孔，3为外衬瓦，301为外衬瓦导向孔，302为先导孔，4为矩形线圈，401为矩形线圈有效长边，402为矩形线圈无效长边，403为矩形线圈直短边，404为矩形线圈变向短边，5为线圈电流，6为磁场，7为高压电流，8为悬浮瓦，9为高压导线，F为磁力悬浮力。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

参见图1—图9，架空高压输电线路作业机器人的磁力悬浮方法，利用高压电流产生的磁场对通电导线的安培力使机器人得以悬浮；包括两个结构相同、可以开合的、对称布置于高压导线9上下两侧的悬浮瓦8，所述悬浮瓦8由内衬瓦1、磁芯2、外衬瓦3、矩形线圈4组成。

参见图6和图10，内衬瓦1采用弱导磁材料制成，呈半圆管状，用于保护和支撑磁芯2，内衬瓦1的外圆柱面与磁芯2内圆柱面配合连接；内衬瓦1内圆柱面半径为30mm，外圆柱面半径为40mm，内衬瓦1长度为300mm。

参加图7和图11，磁芯2采用强导磁材料制成，用于强化高压电流7产生的磁场6，呈半圆管状；沿磁芯2圆周方向，开有29个从磁芯2一个端面到另一端面的磁芯导向孔201，便于矩形线圈有效长边401穿过；磁芯2的外圆柱面与外衬瓦3内圆柱面配合连接；磁芯2的内圆柱面半径为40mm，外圆柱面半径为45mm，29个磁芯导向孔201所在圆柱面半径为42.5mm，磁芯2长度为300mm，磁芯导向孔201直径为3mm。

参见图8和图12，外衬瓦3采用弱导磁材料制成，呈半圆管状，用于支撑磁芯2和矩形线圈4；沿外衬瓦3圆周方向，开有29个从外衬瓦3的一个端面到另一端面的外衬瓦导向孔301和1个先导孔302，便于矩形线圈无效长边402穿过；外衬瓦3的内圆柱面半径为45mm，外圆柱面半径为55mm，29个外衬瓦导向孔301和1个先导孔302所在圆柱面半径为50mm，外衬瓦3长度为300mm，衬瓦导向孔301和先导孔302的直径均为3mm。

参见图9，矩形线圈4用软铁材料制成并涂上绝缘漆；矩形线圈4首先穿过先导孔302，螺旋变向后再依次穿过磁芯导向孔201和外衬瓦导向孔301，并沿磁芯2和外衬瓦3的圆周方向循环绕制而成横断面为矩形的圆弧状螺旋管；矩形线圈4的每一圈的有效长边401置于磁芯导向孔201中且与高压导线9平行，无效长边402置于外衬瓦导向孔301中且与高压导线9平行；参见图2，矩形线圈变向短边404在悬浮装置的主视图端面上实现矩形线圈4的螺旋变向；参加图3，矩形线圈直短边403在悬浮装置的后视图端面上沿磁芯2径向布置；矩形线圈有效长边401长度为300mm，线圈直径为3mm。

在该实施例中，悬浮瓦8所能提供的磁力悬浮力大小计算如下：

参见图13，高压电流7大小为I₀，高压导线9周围的磁场近似于圆形磁场，矩形线圈的有效长边401所处的磁场大小为：

$B=\frac{u{I}_0}{2\mathrm{\πd}}---\left(1\right)$

式（1）中，u为磁芯2的相对磁导率，d为高压导线9的中心到矩形线圈的有效长边401的距离。设矩形线圈4的有效长边的长度为l，线圈矩形平面与铅垂方向的夹角为θ，线圈电流5为I，则矩形线圈的一个有效长边401所受到的安培力在铅垂方向上的分力（磁力悬浮力）大小为（忽略线圈无效长边402受到的安培力）：

F_浮=BIlcosθ   (2)

取磁芯2的相对磁导率u=1000u₀（u₀为真空磁导率，且u₀＝4π×10^-7），则由式（1）、式（2）可得，矩形线圈4的一个有效长边401获得的磁力悬浮力为：

F_浮＝2II₀lcosθ×10^-4/d   (3)

在160°内，矩形线圈匝数为29，参见图11尺寸标注，l＝0.3m,d＝0.0425m，取线圈电流I＝10A，高压直流I₀＝1000A(高压直流可达1000-3000A)，则一个悬浮瓦8所受悬浮力合力为：

那么，当两个悬浮瓦8闭合起来工作时，整个磁力悬浮装置可提供的磁力悬浮力为562N（57.4kg）。

本发明具有很好的扩展性，将上述磁力悬浮装置进行级联，则可倍增机器人的磁力悬浮力。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权力要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了悬浮瓦8、内衬瓦1、磁芯2、磁芯导向孔201、外衬瓦3、外衬瓦导向孔301、先导孔302、矩形线圈4、矩形线圈有效长边401、矩形线圈无效长边402、矩形线圈直短边403、矩形线圈变向短边404、线圈电流5、磁场6、高压电流7、高压导线9、磁力悬浮力F等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，其特征在于：包括两个中心对称于高压导线⑼的可开合悬浮瓦⑻，所述悬浮瓦⑻包括矩形线圈⑷和从内向外依次设置的内衬瓦⑴、磁芯⑵、外衬瓦⑶。

2.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，其特征在于：所述内衬瓦⑴为弱导磁材质，呈半圆管状，用于保护和支撑磁芯⑵，内衬瓦⑴的外圆柱面与磁芯⑵内圆柱面配合连接。

3.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，其特征在于：所述磁芯⑵为强导磁材质，用于强化高压电流⑺产生的磁场⑹，呈半圆管状；沿磁芯⑵的圆周方向，均布有多个从磁芯⑵一个端面到另一端面的磁芯导向孔(201)，便于矩形线圈有效长边(401)穿过；磁芯⑵的外圆柱面与外衬瓦⑶内圆柱面配合连接。

4.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，其特征在于：所述外衬瓦⑶为弱导磁材质，呈半圆管状，用于支撑磁芯⑵和矩形线圈⑷；沿外衬瓦⑶圆周方向，均布有多个从外衬瓦⑶的一个端面到另一端面的外衬瓦导向孔(301)和1个先导孔(302)，便于矩形线圈无效长边(402)穿过，所述外衬瓦导向孔(301)和磁芯导向孔(201)的数量相同。

5.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，其特征在于：所述矩形线圈⑷为首先穿过先导孔(302)，螺旋变向后再依次穿过磁芯导向孔(201)和外衬瓦导向孔(301)，并沿磁芯⑵和外衬瓦⑶的圆周方向循环绕制而成的横断面为矩形的圆弧状螺旋管。

6.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，其特征在于：矩形线圈⑷为软铁材料制成，其外设绝缘层。

7.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，其特征在于：架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人可采用级联方式，倍增机器人的驱动力。

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