CN106026781A - 一种用于高压线路巡检机器人的双线圈磁力驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压线路巡检机器人的双线圈磁力驱动装置，包括驱动体，所述驱动体由两个中心对称于高压导线且可开合的上驱动机体和下驱动机体组成，其特征在于：所述上驱动机体和下驱动机体均包括磁芯、层片、大矩形线圈和小矩形线圈，所述磁芯和层片沿高压导线的轴向贴合放置，所述大矩形线圈和小矩形线圈交替缠绕在磁芯和层片上，在相同大小尺寸下，相对于现有技术，本发明的双线圈磁力驱动装置驱动力提升达到50%以上，利用高压导线上高压电流产生的磁场对通电线圈的安培力使机器人得以移动，其取代传统的轮轨式驱动方式，从而消除机器人打滑问题；简化了驱动机构，降低了成本、机身重量、能耗及机身尺寸，可提高机器人的移动速度。

Description

一种用于高压线路巡检机器人的双线圈磁力驱动装置

技术领域

本发明涉及机器人技术和磁场学领域，尤其是涉及一种用于高压输电线路巡检机器人的双线圈磁力驱动装置。

背景技术

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，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HQLineROVer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。

自20世纪80年代末，采用移动机器人对高压线路进行巡检已成为国内外机器人领域的研究热点。加拿大魁北克水电公司和日本关西电力公司(KEPCO)与日本电力系统公司(JPS)是国外研究高压线路巡检机器人的典型代表，前者研制出了名为“LineScout”巡检机器人，后者专为多分裂导线研制出了巡检机器人“Expliner”。国内巡检机器人的研究也取得了突破性进展，如武汉大学吴功平教授带领的研究团队已研制出了分别适应220kV单分裂线路和220-550kV多分裂线路的两种自主巡检机器人机型。国内外研究的高压巡检机器人大都采用轮臂式结构，依靠驱动轮与线路表面之间静摩擦力牵引机器人移动，当线路表面情况复杂时(如覆冰)，静摩擦力不足以克服重力而导致打滑。打滑会严重影响机器人的巡检效率，加重机器人的能源负担，损坏输电线路，打滑严重时，机器人变得难以控制。

架空高压输电线路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。

磁力驱动技术早在20世纪30年代就已经被人们所提出,但是由于当时对这门技术尚缺乏足够的认识,而且也受到永磁材料发展局限性的制约，因此在这一时期内虽然对这一技术进行过很多的实验研究，但最终未取得较大进展。20世纪50年代一些科学技术工作者又提出对这一技术的重新探讨、研究和研制，虽有一些进步，但由于条件的限制，其结果基本与以往一样。20世纪70年代起随着现代工业的进步和发展,工业生产日益重视对新技术的吸收和对环境的保护，西方发达国家还相继制订定了严格的环境保护和产品可靠性等法规，促进了新技术、新产品的开发和利用。磁力驱动技术在这一时期又被一些科技工作者重视和关注。从而引起了进一步的深入研究，因此有了很大的发展和工业的逐步应用。

专利号为201310595442.0，专利名称为一种高压输电线路作业磁力驱动机器人，通过电磁力驱动机器人能消除打滑的问题，该专利的机器人能提供的电磁力的大小由分布在内径上的矩形的个数决定。当以上机器人的内径与外径的大小确定时，布置的线圈最大数量已经可以确定，因此巡检机器人负重载荷就受到限制，无法携带更多巡检工具以及爬比较陡的坡，在实际野外作业使用范围有限。

综上所述，轮式驱动的架空高压输电线路作业机器人存在打滑、效率低下和驱动模块成本高等问题，利用高压电流产生的磁场来实现磁力驱动可解决这些问题，但该类磁场是近似于圆形的环形磁场，无磁极可利用，无法沿用直线电机方式驱动机器人，要利用高压导线周围的磁场实现磁力驱动，必须采用新的方法来实现。本专利技术就是在这样的背景下展开的。

发明内容

本发明主要解决高压直流输电线路巡检机器人的打滑、巡线效率低下以及驱动力不高的问题；提供了一种能彻底消除打滑、巡线效率低下以及驱动力小等问题的磁力驱动装置。由于现有技术中外径上线圈的分布的间距比较大，可布置额外的线圈在原本已经布置线圈的间距内，在确保线圈与线圈不相交的条件下。额外载流的矩形线圈也会受到安培力，故装置所受的总安培力增大。

本发明主要是通过下述方案解决上述的技术问题的：

一种用于高压线路巡检机器人的双线圈磁力驱动装置，包括驱动体，所述驱动体由两个中心对称于高压导线且可开合的上驱动机体和下驱动机体组成，其特征在于：所述上驱动机体和下驱动机体均包括磁芯、层片、大矩形线圈和小矩形线圈，所述磁芯和层片沿高压导线的轴向贴合放置，所述大矩形线圈和小矩形线圈交替缠绕在磁芯和层片上，利用高压导线上高压电流产生的磁场对通电线圈的安培力使机器人得以移动，其取代传统的轮轨式驱动方式，从而彻底消除机器人打滑问题；简化了驱动机构，降低了成本、机身重量、能耗及机身尺寸；可提高机器人的移动速度。

作为优选，所述层片采用弱导磁材料制成，其结构呈半圆管状。

作为优选，所述磁芯采用强导磁材料制成，用于强化高压导线上电流产生的磁场，其结构呈半圆管状。

作为优选，所述磁芯和层片均设有贯穿的轴向导向孔和径向导向孔；所述层片与磁芯结构完全一样，且两者同轴设置；所述大矩形线圈依次穿过径向导向孔缠绕在层片与磁芯上，所述小矩形线圈依次穿过径向导向孔和轴向导向孔缠绕在层片与磁芯上，通过径向导向孔中交替穿过大矩形线圈和小矩形线圈能够极大节约空间，在有限的驱动体空间上缠绕更多的线圈，从而大大增加本发明双线圈磁力驱动装置的驱动力。

作为优选，所述大矩形线圈和小矩形线圈均为软铁材料制成，使线圈中电流更好转换为磁驱动力。

作为优选，所述小矩形线圈的小径向长边是大矩形线圈的大径向长边的长度的1/3到2/3，使得小矩形线圈增加磁驱动力达到一个较优水平。

作为优选，所述小矩形线圈的小轴向短边和大矩形线圈的大轴向短边长度一样。

本发明有益效果是：

取代传统的轮轨式驱动方式，从而彻底消除机器人打滑问题；简化了驱动机构，降低了成本、机身重量、能耗及机身尺寸；可提高机器人的移动速度。专利号为201310595442.0，专利名称为一种高压输电线路作业磁力驱动机器人的专利只布置了一种线圈(相当于本专利的大矩形线圈)，驱动力的大小由大矩形线圈数量决定。而本专利的优势在于：之前专利一种高压输电线路作业磁力驱动机器人无论布置的大矩形线圈数量是多少，仍然可以在此基础上布置小矩形线圈，这一点可以从几何理论上得以证明。从而获得更多的驱动力。在以下的实施部分中，大矩形线圈数量与以上对比的专利的线圈数量相同，额外布置的小矩形线圈也受到安培力的驱动力。从而获得更大的驱动力。使得巡检机器人具有更大的载荷，能够携带更多的巡检工具，适应更陡峭的巡检坡度，大幅度扩大了巡检机器人使用范围和实用性。相对于专利号为201310595442.0的现有技术来说，在相同尺寸大小情况下，本发明采用大小线圈交替布置的双线圈磁力驱动装置驱动推力提升50％以上。

附图说明

图1为双线圈磁力驱动装置立体图。

图2驱动体上大矩形线圈和小矩形线圈分布对比图；

其中图2(a)为大矩形线圈分布图，图2(b)为小矩形线圈分布图。

图3为双线圈磁力驱动装置工作原理图。

图4为磁芯立体视图。

图5为层片立体视图。

图6为大矩形线圈立体视图。

图7为小矩形线圈立体视图。

图8为双线圈磁力驱动装置结构尺寸示意图。

图9为双线圈磁力驱动力计算受力图。

图10为驱动机器人上坡受力示意图。

图中，高压导线1，磁芯2，磁场方向3，大矩形线圈4，大矩形线圈电流5，上驱动机体6，层片7，高压导线电流8，小矩形线圈9，小矩形线圈电流10，下驱动机体11，驱动体12，磁芯径向导向孔201，磁芯轴向导向孔202，层片径向导向孔701，层片轴向导向孔702，大径向长边401、403，大轴向短边402、404，小轴向短边902、904，小径向长边901、903。

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，驱动机体12、层片7、磁芯2、大矩形线圈4、小矩形线圈9、磁芯径向导向孔201、磁芯轴向导向孔202，层片径向导向孔701、层片轴向导向孔702、大径向长边401、403、大轴向短边402、404，小径向长边901、903、小轴向短边902、904、高压导线1、高压导线电流8，线圈分别产生磁力驱动力。

本发明的一种高压线路巡检机器人的磁力驱动装置闭合时整体立体如图1，上驱动机体剖视立体视图如图2。

本发明的高压线路巡检机器人的双线圈磁力驱动方法工作原理如下：

如图3，驱动机体12闭合，上驱动机体6和下驱动机体11都包括大矩形线圈4和小矩形线圈9，对称布置于水平位置的高压导线1上下两侧，高压导线1中的高压导线电流8I₀产生磁场(方向向外的磁场用“.”表示，方向向里的磁场用“×”表示)，上驱动机体6与下驱动机体11所处的磁场方向刚好相反；上驱动机体6中两大矩形线圈4和小矩形线圈9通以相同的线圈电流I₁，根据左手定则，则大矩形线圈4大径向长边401、403受到方向相反的安培力，由于有效的大径向长边401被置于具备强导磁性能的磁芯2中，而无效的大径向长边403被置于弱导磁性能的层片7中，有效的大径向长边401比无效的大径向长边403所处的磁场强度大，故大矩形线圈4所受安培力合力的方向向右，同理，上驱动机体6中的小矩形线圈9，小矩形线圈9所受的安培力合力方向向右。在下驱动机体11中，大矩形线圈4和小矩形线圈9通以线圈电流，根据左手定则和安培力定理，同上驱动机体6，下驱动机体11中的大矩形线圈4和小矩形线圈9受到的安培力合力水平向右。上驱动机体6中的大矩形线圈4和小矩形线圈9与下驱动机体11中的大矩形线圈4和小矩形线圈9受到的竖直方向的合力为零，故驱动机体12所受的合力使得机器人向右移动。采用电流源给矩形线圈供电，通过系统传感器感知磁场的方向来改变线圈电流，从而保证机器人可以获得稳定的磁力驱动力。

实施例：

参见图1—图7，高压输电线路作业机器人的双线圈磁力驱动装置，利用高压导线电流8产生的磁场对通电导线的安培力使驱动机体12得以移动；驱动机体12包括两个结构相同、可以开合的、对称布置于高压导线1上下两侧的上驱动机体6和下驱动机体11，所述上驱动机体6由磁芯2、层片7、大矩形线圈4、小矩形线圈9组成。

参加图4，所述磁芯2呈半圆管状，采用强导磁材料制成，用于强化高压导线电流8产生的磁场，，开有贯穿的磁芯径向导向孔201和磁芯轴向导向孔202。磁芯径向导向孔201的作用是便于大矩形线圈4穿过；磁芯轴向导向孔202的作用是便于小矩形线圈9穿过，磁芯2与层片7同轴配合连接。磁芯2内径R₁取45mm，外径R₃取100mm，磁芯轴向导向孔202所处的半径R₂取65mm。

参见图5，所述层片7呈半圆管状，采用弱导磁材料制成，开有贯穿的层片径向导向孔701和层片轴向导向孔702。层片径向导向孔201的作用是便于大矩形线圈4穿过；层片轴向导向孔702的作用是便于小矩形线圈9穿过，所述磁芯2与层片7同轴配合连接。层片7的几何结构尺寸与磁芯2一样。

参见图6，所述大矩形线圈4用软铁材料制；大矩形线圈4分别依次穿过磁芯2的磁芯径向导向孔201与层片7的层片径向导向孔701。大矩形线圈4的大径向长边401、403取55mm，大轴向短边402、404取20mm。

参见图7，所述小矩形线圈9用软铁材料制成；小矩形线圈9分别依次穿过磁芯2的磁芯径向导向孔201、磁芯轴向导向孔202、层片径向导向孔701和层片径向导向孔701。小矩形线圈9小径向长边901、903取35mm,大轴向短边902、904取20mm。

在该实施例中，驱动机体12所能提供的磁力悬浮力大小计算如下：

根据直流电流周围产生方向确定的磁场这一特性，在高压导线1周围合理的布置载流线圈，使载流线圈在高压导线1周围的磁场中受到安培力的作用，该力作为直接牵引机器人移动的驱动力。线圈受力图如图10(上驱动体6和下驱动体11中都布置着载流线圈，在本实施例中，所述载流线圈为大矩形线圈4小矩形线圈9)，驱动体12分为上驱动体6和下驱动体11两部分，载流线圈分别缠绕在上驱动体6和下驱动体11，缠绕的线圈可等效为多个独立矩形线圈。

贯穿机体的大矩形线圈4长边置于弱导磁材料中所受到的安培力为：

$F_3={\∫}_{R_1}^{R_3}\frac{u_0{I}_0}{2\mathrm{\π}r}{I}_{1}dr=\frac{u_0{I}_0}{2\mathrm{\π}}{I}_{1}ln\left(\frac{R_3}{R_1}\right)$

没贯穿机体的小矩形线圈9长边置于弱导磁材料中所受到的安培力为：

$F_4={\∫}_{R_2}^{R_3}\frac{u_0{I}_0}{2\mathrm{\π}r}{I}_{1}dr=\frac{u_0{I}_0}{2\mathrm{\π}}{I}_{1}ln\left(\frac{R_3}{R_2}\right)$

式中：R₁、R₃为磁力驱动装置12的内径、外径；R₂为小矩形线圈9的小轴向短边902到高压导线1的距离；I₀为高压导线电流8；I₁为大矩形线圈4或小矩形线圈9电流。

小矩形线圈9另一长边置于软磁材料中，其强化后的磁感应强度B₁为：

$B_1=\frac{u_0{u}_r{I}_0}{2\mathrm{\π}r}.$

式中：u_r为相对磁导率。

则贯穿机体的大矩形线圈4长边在软磁材料中所受安培力F₃为：

$F_1={\∫}_{R_1}^{R_3}\frac{u_0{u}_r{I}_0}{2\mathrm{\π}r}{I}_{1}dr=\frac{u_0{u}_r{I}_0}{2\mathrm{\π}}{I}_{1}ln\left(\frac{R_3}{R_1}\right)$

小矩形线圈9长边在软磁材料中所受安培力F₃为：

$F_2={\∫}_{R_2}^{R_3}\frac{u_0{u}_r{I}_0}{2\mathrm{\π}r}{I}_{1}dr=\frac{u_0{u}_r{I}_0}{2\mathrm{\π}}{I}_{1}ln\left(\frac{R_3}{R_2}\right)$

由于该磁力驱动装置是上下两对称机体组成，缠绕的线圈以高压线为中心线上下对称布置，上驱动机体矩形线圈的短边所受安培力与下驱动体矩形线圈的短边所受安培力相互抵消；即大矩形线圈4的单个线圈与小矩形线圈9的单个线圈所受的合力分别为F₅、F₆:

F₅＝F₁-F₃.

F₆＝F₂-F₄.

在不考虑磁场耦合及其它情况下，驱动装置受到的总推进力为:

$F=2n_1{F}_5+2n_2{F}_6=\frac{u_0{I}_0{I}_1(u_r-1)}{\mathrm{\π}}\left(n_{1}ln\right(\frac{R_3}{R_1})+n_{2}ln(\frac{R_3}{R_2}\left)\right)---\left(1\right)$

式中：n₁、n₂分别为上驱动体(或下驱动体)缠绕大矩形线圈4、小矩形线圈9的个数。

空气磁导率u₀＝4π×10^-7H/m，取相对磁导率u_r＝1001，参见图9，大矩形线圈4个数n₁取29，小矩形线圈9个数n₂取28，高压导线电流8I₀取1000A，大矩形线圈4和小矩形线圈9的电流I₁为10A，磁力驱动装置内径R₁为45mm,磁芯轴向导向孔所在半径R₂为65mm,磁力驱动装置外径R₃为100mm。

将以上参数代入公式(1)，得磁力驱动装置总推进力F：

F≈140.9N (2)

因此，在该实施例中，本装置可以提供140.9N的推力。考虑到在高压线路的上坡路段机器人需要更大的推力，参见图10，取线路坡度β＝45°(实际线路很少达到如此大的坡度)，根据(2)计算结果，140.9N的推力可以驱动的机器人的重量为(忽略摩擦力):

G＝F/sinβ＝199.3N. (3)

通过对之前专利号为201310595442.0，专利名称为一种高压输电线路作业磁力驱动机器人的专利的对比，在所有结构尺寸都相同的条件下，对比的专利能提供92.8N的驱动力，而本专利可提供140.9N的驱动力。本发明的能在相同大小装置下将磁力驱动装置推力提升了50％左右，本发明具有更大的驱动力，采用本发明驱动的巡检机器人具有更大的载重量，有利于巡检机器人携带更多的巡检工具和行走更恶劣的环境。

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磁芯2、、层片7、大矩形线圈4、小矩形线圈9、磁芯径向导向孔201、磁芯轴向导向孔202，层片径向导向孔701、层片轴向导向孔702、大矩形线圈4的大径向长边401、403、大矩形线圈4的大轴向短边402、404，小矩形线圈9的小径向长边901、903、小矩形线圈9的小轴向短边902、904、高压导线1、高压导线电流8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)

1.一种用于高压线路巡检机器人的双线圈磁力驱动装置，包括驱动体（12），所述驱动体（12）由两个中心对称于高压导线（1）且可开合的上驱动机体（6）和下驱动机体（11）组成，其特征在于：所述上驱动机体（6）和下驱动机体（11）均包括磁芯（2）、层片（7）、大矩形线圈（4）和小矩形线圈（9），所述磁芯（2）和层片（7）沿高压导线（1）的轴向贴合放置，所述大矩形线圈（4）和小矩形线圈（9）交替缠绕在磁芯（2）和层片（7）上。

2.根据权利要求1所述一种双线圈磁力驱动装置，其特征在于：所述层片（7）采用弱导磁材料制成，其结构呈半圆管状。

3.根据权利要求1所述一种双线圈磁力驱动装置，其特征在于：所述磁芯（2）采用强导磁材料制成，用于强化高压导线（1）上电流产生的磁场，其结构呈半圆管状。

4. 根据权利要求1至3任意一项所述一种双线圈磁力驱动装置，其特征在于：所述磁芯（2）和层片（7）均设有贯穿的轴向导向孔（202，702）和径向导向孔（201,701）；所述层片（7）与磁芯（2）结构完全一样，且两者同轴设置；所述大矩形线圈（4）依次穿过径向导向孔（201,701）缠绕在层片（7）与磁芯（2）上，所述小矩形线圈（9）依次穿过径向导向孔（201,701）和轴向导向孔（202，702）缠绕在层片（7）与磁芯（2）上。

5.根据权利要求4所述一种双线圈磁力驱动装置，其特征在于：所述大矩形线圈（4）和小矩形线圈（9）均为软铁材料制成。

6.根据权利要求5所述一种双线圈磁力驱动装置，其特征在于：所述小矩形线圈（9）的小径向长边（901，903）是大矩形线圈（4）的大径向长边（401,403）的长度的1/3到2/3。

7.根据权利要求5所述一种双线圈磁力驱动装置，其特征在于：所述小矩形线圈（9）的小轴向短边（902,904）和大矩形线圈（4）的大轴向短边（402,404）长度一样。