CN105006333A - 架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，利用高压电流周围的磁场对通电导线作用产生的安培力使机器人的除冰装置得以旋转；由两个结构相同、可以开合的、闭合后可中心对称于高压导线的磁芯组成，所述除冰装置由磁芯和缠绕的矩形线圈组成。因此，本发明具有如下优点：1.磁力驱动旋转力矩使机器人的除冰装置得以旋转，打破了由电机驱动机构旋转的传统方法，有效的避免了由多电机带来的机器人体型笨重等问题；2.可提高除冰机器人在架空高压输电线的除冰速度；3.与现有的磁极式驱动原理不同，该装置利用高压线周围磁场对通电线圈产生安培力驱动，设计新颖；4.体积小，重量轻，造价低廉。

Description

架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置

技术领域

本发明涉及机器人技术和磁场学领域，尤其是涉及架空高压输电线路作业机器人的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置。

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。

2000年以来，中国南方部分地区频繁发生雨雪冰冻灾害，导致输电线表面结冰、重力增大，高压输电线路大面积受损。而除冰工作要由人工进行，不仅工作量大、效率低，而且十分危险。2011年哈尔滨工业大学的研发创新团队研发出了高压线除冰机器人，该机器人采用电机驱动两把月牙刀将高压线上的冰击碎。就该研发的高压线除冰机器人是利用电机驱动两月牙手臂运动，对于高压巡检而言，机器人要尽可能做到体积小，重量轻，而电机的增加无疑对高压线增加了负荷。2012年湖北工业大学设计的高压线除冰机器人是采用电机驱动弯刀旋转将高压线上的结冰除去。

电动机Motors是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈也就是定子绕组产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，而电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机，电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和永久磁铁磁感线磁场方向方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。不同种类的电机适用于不同的领域，且电机的研究于应用已经相当成熟。

综上所述，基于电机驱动机械臂运动的高压线除冰机器人所固有的体形笨重等问题，利用高压线周围的环形磁场使通电线圈受安培力产生转矩驱动机构旋转，避免采用磁极式转子复杂式结构使通电线圈在磁极式磁场中切割磁感线做功的现有电机技术。本专利技术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除冰机器人现有的电机驱动方式带来的体型笨重问题；提供了一种能彻底消除电机驱动带来的机器人体形笨重问题的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置。

本发明还有一个目的是解决架空高压输电线路电机驱动式除冰机器人在杆塔之间的除冰效率低的问题；提供了一种高效的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置。

本发明再有一目的是打破传统的磁极式的电机驱动方式带来的结构复杂、增加高压线负荷问题；提供了一种利用架空高压输电线周围的环形磁场对载流线圈产生的磁力旋转驱动方式的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，其特征在于，包括上机体磁芯、以及下机体磁芯，上机体磁芯和下机体磁芯闭合组成一个中间空心，外缘为多个凸台组成的梅花状本体，该梅花状本体包括一个上机体磁芯和下机体磁芯围绕构成磁芯内环和磁芯外环305；所述上机体磁芯和下机体磁芯机构相同，包括若干个凸台组成的一个弧形体，每个凸台包括两个径向边，第一径向边和第二径向边；径向边上周向设有若干导向孔；能够通电的矩形线圈的有效长边穿过第一径向边和第二径向边上的磁芯导向孔。

在上述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，梅花状本体内的空心供高压线穿过，且磁芯内环和磁芯外环与高压线同轴。

在上述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，第一径向边和第二径向边延伸面经过高压线轴线。

在上述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，矩形线圈用软铁材料制成；所述矩形线圈的每一圈的有效长边置于上机体磁芯以及下机体磁芯中，矩形线圈的无效边置于弱导磁材料中。

在上述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，上机体磁芯以及下机体磁芯由强导磁材料制成，强导磁材料具有聚磁作用。

因此，本发明具有如下优点：1.磁力驱动旋转力矩使机器人的除冰装置得以旋转，打破了由电机驱动机构旋转的传统方法，有效的避免了由多电机带来的机器人体型笨重等问题；2.可提高除冰机器人在架空高压输电线的除冰速度；3.与现有的磁极式驱动原理不同，该装置利用高压线周围磁场对通电线圈产生安培力驱动，设计新颖；4.体积小，重量轻，造价低廉。

附图说明

图1为磁力驱动旋转装置主视图。

图2为磁力驱动旋转装置后视图。

图3为磁力驱动旋转装上、下机体闭合立体视图。

图4为磁力驱动旋转装上、下机体打开立体视图。

图5为磁力驱动旋转装下机体磁芯立体视图。

图6为矩形线圈立体视图。

图7为上机体磁芯的机构尺寸图。

图8为磁力驱动旋转装置左视图尺寸图。

图9为磁力驱动旋转装置力计算示意图。

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。图中，。

实施例：

参见图1—图6，本发明利用高压电流产生的磁场对通电导线的安培力使机器人的除冰装置得以旋转；由两个结构相同、可以开合的、闭合后可中心对称于高压导线1的上机体磁芯2以及下机体磁芯3组成，所述除冰装置由上机体磁芯2以及下机体磁芯3和缠绕的矩形线圈4组成。

矩形线圈4的有效长边401穿过上、下机体磁芯的径向边302、303上的磁芯导向孔301，矩形线圈的无效边置于弱导磁材料中如空气等，该磁力驱动旋转除冰装置采用多凸台呈梅花状，下机体3的磁芯内环304和外环305与高压线1同心，机体磁芯的每个凸台的直边302、303是径向的，其延伸面经过高压线轴线，上、下机体磁芯2由强导磁材料制成，强导磁材料具有聚磁作用，同时利用上机体磁芯2的凸台形状来改变磁感线的方向，使得磁感线在径向边302、303上的方向也是径向的；如图9，当矩形线圈4受外电源通电时，矩形线圈4的有效长边401受安培力作用，方向是以高压线1为轴心的圆周上的切线方向，使之安培力为驱动该装置旋转的磁力矩。

参见图7，所述上机体磁芯2以及下机体磁芯3由多凸台组成呈梅花状，用于引导磁感线方向与凸台边缘路径重合，所述下机体磁芯3的内环304的内壁半径Rd为25mm，外壁半径Rc为27.5mm，外环305的内壁半径Rb为47.5mm，外壁半径Ra为50mm，外环与内环的厚度为2.5mm，两环与高压线1同心。沿下机体磁芯3圆周方向，开有若干从下机体磁芯3一个端面到另一端面的磁芯导向孔301，其磁芯导向孔的直径D为3mm，便于矩形线圈有效长边401穿过。最临近高压线轴心的磁芯导向孔与轴心之间的距离m为30mm，两相邻磁芯导向孔中心间距d为3.5mm。

参见图6—图8，所述矩形线圈4用软铁材料制成；所述矩形线圈4的每一匝的有效长边401置于上机体磁芯2以及下机体磁芯3中，矩形线圈的有效长边长度L为30mm，矩形线圈的无效边402置于弱导磁材料中如空气等。

在该实施例中，嵌在软磁材料中的矩形线圈受高压线周围磁场产生的安培大小和对该除冰装置的旋转磁力矩大小计算如下：

参见图9，假设高压电流大小为I₀,矩形线圈的有效长边401所处的磁场大小为：

$B=\frac{u_r{u}_0{I}_0}{2\mathrm{\π}r}---1$

式1中，u_r为磁芯的相对磁导率，u₀为真空磁导率，r为高压导线1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,线圈矩形有效边与磁场方向垂直，线圈电流为I,则矩形线圈的一条有效长边401所受到的安培力大小为忽略线圈无效长边402受到的安培力：

F_安＝BIL             2

取磁芯的相对磁导率u_r＝5000u₀u₀为真空磁导率，且u₀＝4π×10^-7，则由式1、式2可得，矩形线圈4的一条有效长边401获得的安培力大小为：

该条有效边的磁力矩大小为：

M＝F·l＝u_ru₀I₀IL/2π         4

根据式4可得在径向边302上的不同位置的有效边所产生的磁力矩是相等的；图1中由多凸台组成呈梅花状的磁芯由八个凸台组成，每个凸台上有五匝线圈整个旋转装置的有效边数为80，参见图7和图8尺寸标注，l＝30mm，取线圈电流I＝10A，高压直流I₀＝1000A，一般高压直流可达1000-3000A，则整个磁力驱动旋转装置所受到的磁力矩大小为：

该力矩大小完全可以取代一般电机。

本发明具有很好的扩展性，将上述磁力驱动旋转装置进行级联或增加凸台线圈匝数，则可以倍增磁力旋转驱动的磁力矩。

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高压线1、上机体磁芯2、下机体磁芯3、矩形线圈4、磁芯内环304、磁芯外环305、第一径向边302、第二径向边303、磁芯导向孔301、有效长边401、无效边402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 (5)

1.一种架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，其特征在于，包括上机体磁芯（2）、以及下机体磁芯（3），上机体磁芯（2）和下机体磁芯（3）闭合组成一个中间空心，外缘为多个凸台组成的梅花状本体，该梅花状本体包括一个上机体磁芯（2）和下机体磁芯（3）围绕构成磁芯内环（304）和磁芯外环（305）；所述上机体磁芯（2）和下机体磁芯（3）机构相同，包括若干个凸台组成的一个弧形体，每个凸台包括两个径向边，第一径向边（302）和第二径向边（303）；径向边上周向设有若干导向孔（301）；能够通电的矩形线圈（4）的有效长边（401）穿过第一径向边（302）和第二径向边（303）上的磁芯导向孔（301）。

2.根据权利要求1所述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，其特征在于，梅花状本体内的空心供高压线穿过，且磁芯内环（304）和磁芯外环（305）与高压线同轴。

3.根据权利要求1所述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，其特征在于，第一径向边（302）和第二径向边（303）延伸面经过高压线轴线。

4.根据权利要求1所述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，其特征在于，矩形线圈（4）用软铁材料制成；所述矩形线圈(4)的每一圈的有效长边(401)置于上机体磁芯（2）以及下机体磁芯（3）中，矩形线圈(4)的无效边（402）置于弱导磁材料中。

5.根据权利要求1所述的架空高压输电线路除冰机器人的磁力驱动旋转除冰装置，其特征在于，上机体磁芯（2）以及下机体磁芯（3）由强导磁材料制成，强导磁材料具有聚磁作用。