CN106981969B - 基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，包括机体磁芯和通电导线；所述的机体磁芯为一中间空心、外缘由多凸台组成的梅花形磁芯；机体磁芯由两个结构相同、可开合的上机体磁芯和下机体磁芯以高压直流输电导线作为轴线闭合组成；所述的凸台由第一径向边、第二径向边和外环边构成，相邻凸台通过内环边连接；各凸台的第一径向边和第二径向边对称设有数量相等的导磁导电片层；第一径向边和第二径向边除导磁导电片层外的部分、外环边以及内环边均为导磁绝缘材质；所述的通电导线用来连接各导磁导电片层。本发明可有效避免导向孔产生的漏磁等问题，可提高除冰机器人的除冰速度，且体积小，重量轻，造价低廉。
Description
技术领域
本发明属于材料学和磁场学技术领域，尤其涉及一种基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，用于驱动机器人除冰装置。
背景技术
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。
我国大多数地区，由于天气寒冷的原因，高压线表面会结冰，高压线表面覆冰会导致高压线断裂等问题，影响社会生产及人们的生活。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，机器人要尽可能体积小，重量轻，电机增加了高压线的负荷。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。2015年湖北工业大学设计的高压输电线路除冰机器人采用的是磁力悬浮驱动，可以大大减轻设备重量。但是在实际制造过程当中，磁芯导向孔的加工极难把握加工难度。由于导向孔内部需要穿过导线，所以孔径一般略微稍大于导线的直径，存在一定的间隙。而这部分的间隙会导致漏磁现象，使实际安培力低于理论值。
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(即定子绕组)产生旋转磁场，并作用于转子鼠笼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机和交流电机，电力系统中电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或异步电机，所述的异步电机指定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速。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磁感线方向(即磁场方向)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，利用通电线圈切割高压线周围的环形磁场使通电线圈所受安培力作为转矩驱动机构旋转存在漏磁的现象，避免采用磁极式转子复杂式结构使强导磁导电材料在磁极式磁场中切割磁感线做功的现有电机技术。本发明就是在这样的背景下展开的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可彻底消除间隙间漏磁的、基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，包括机体磁芯和通电导线；
所述的机体磁芯为一中间空心、外缘由多凸台组成的梅花形磁芯；机体磁芯由两个结构相同、可开合的上机体磁芯和下机体磁芯以高压直流输电导线作为轴线闭合组成；
所述的凸台由第一径向边、第二径向边和外环边构成，相邻凸台通过内环边连接；各凸台的第一径向边和第二径向边对称设有数量相等的导磁导电片层；第一径向边和第二径向边除导磁导电片层外的部分、外环边以及内环边均为导磁绝缘材质；
所述的通电导线用来连接各导磁导电片层，具体为：在梅花形磁芯的一端，同一凸台第一径向边、第二径向边中对应的导磁导电片层采用一通电导线连接；在梅花形磁芯的另一端，相邻凸台的相邻径向边中对应的导磁导电片层采用一通电导线连接。
进一步的，凸台的第一径向边和第二径向边的延伸面过高压直流输电导线的轴线。
进一步的，导磁导电片层为强导磁导电材质。
进一步的，机体磁芯为强导磁绝缘材质。
进一步的，通电导线为软铁材质。
进一步的，通电导线为U形导线，包括一长边和两短边，两短边的端头分别与导磁导电片层连接。
进一步的，通电导线的端头烧结于导磁导电片层上。
本发明装置工作原理如下：
上机体磁芯2和下机体磁芯4闭合，导磁导电片层5烧结于上机体磁芯2和下机体磁芯4的第一径向边601和第二径向边602，通电导线1置于空气中。凸台6用来改变磁感线的方向，使得磁感线在第一径向边601和第二径向边602上的方向也是径向。见图3，当通电导线1受外电源通电时，导磁导电片层5的有效长边受安培力作用，安培力方向是以高压直流输电导线为轴心的圆周的切线方向，使安培力为驱动旋转的磁力矩。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
(1)上机体磁芯2和下机体磁芯4采用导磁导电材料和导磁绝缘材料烧结制成，用于强化高压电流产生的磁场，可有效避免导向孔产生的漏磁等问题。
(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强导电导磁材料产生安培力驱动，设计新颖。
(4)体积小，重量轻，造价低廉。
附图说明
图1为本发明装置的具体结构示意图；
图2为本发明装置的磁力线分布示意图；
图3为本发明装置的安培力驱动原理图；
图4为本发明装置的打开示意图。
图中，1-通电导线，2-上机体磁芯，3-高压直流输电导线，4-下机体磁芯，5-导磁导电片层，6-凸台，601-第一径向边，602-第二径向边，603-外环边，604-内环边。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明技术方案作进一步具体的说明。
参见图1～4，本发明装置利用高压直流输电导线3产生稳恒磁场，稳恒磁场对切割磁力线的通电导线1产生安培力，该安培力驱动机器人的除冰装置旋转。本发明包括机体磁芯和通电导线1，机体磁芯为一中间空心、外缘由多凸台6组成的梅花形磁芯，机体磁芯由两个结构相同、可开合的上机体磁芯2和下机体磁芯4以高压直流输电导线3作为轴线闭合组成。凸台6用于引导磁感线方向，使磁感线方向与凸台边缘路径重合。
各凸台6包括两个径向边和一个外环边603，两个径向边分别记为第一径向边601和第二径向边602，相邻凸台6通过内环边604连接。所有外环边603围绕构成磁芯外环，所有内环边604围绕构成磁芯内环。
各凸台6的第一径向边601和第二径向边602对称设有数量相等的导磁导电片层5；第一径向边601和第二径向边602除导磁导电片层5外的部分、外环边603以及内环边604均为导磁绝缘材质，凸台6中导磁导电材料和导磁绝缘材料交替连接。导磁导电片层5方便通电导线1的电流通过机体磁芯，形成闭合回路切割磁力线。
通电导线1用来连接导磁导电片层5。在梅花形磁芯的一端，同一凸台6的第一径向边601、第二径向边602中对应的导磁导电片层5采用一通电导线1连接；在梅花形磁芯的另一端，相邻凸台6的相邻径向边中对应的导磁导电片层5采用一通电导线1连接。本实施例中，通电导线1为软铁材质，其无效边置于弱导磁材料(即空气)中。
更具体的，各凸台6的第一径向边601和第二径向边602的延伸面过高压直流输电导线3的轴面，机体磁芯为强导磁材质，强导磁材料具有聚磁作用。
本实施例中，机体磁芯的内环边604的内壁半径为25mm，外壁半径为27.5mm；外环边603的内壁半径为47.5mm，外壁半径50mm，外环边603与内环边604的厚度均为2.5mm，外环边603与内环边604所形成的外环和内环均与高压直流输电导线3同心。沿机体磁芯圆周方向，导磁导电片层5可以使电流顺利通过，同时切割磁力线产生旋转所需的安培力。
该实施例中，导磁导电片层5受高压直流输电导线3周围磁场产生的安培力和对该除冰装置的旋转磁力矩计算如下：
参见图2，假设高压直流输电导线3的高压电流为I0，导磁导电片层5处的磁场B为
式(1)中：
ur为磁芯的相对磁导率；
u0为真空磁导率，u0＝4π×10-7；
r为高压直流输电导线3中心到导磁导电片层5的距离。
导磁导电片层5的有效长边的长度记为l，导磁导电片层5的有效边与磁场垂直，通电导线1的电流为I，忽略通电导线1所受到安培力，则导磁导电片层5所受安培力F安为：
F安＝BIL (2)
取ur＝5000，由式(1)～(2)可得，通电导线1的一条有效长边受到的安培力F安'：
该条有效边的磁力矩M大小为：
M＝F安'·l＝uru0I0IL/2π (4)
根据式(4)可得在径向边上的不同位置的有效边所产生的磁力矩是相等的；图1中梅花形磁芯包括八个凸台，每个凸台上有2匝通电导线1，则整个装置的有效边数为32，取长度l＝300mm，I＝10A，I0＝2000A，实际中高压直流可达1000-3000A，则整个装置所受到的磁力矩M总大小为：
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，可通过增加导磁导电片层5的层数、增大通电导线1中电流、和/或增加径向边的厚度，使磁力旋转驱动的磁力矩倍增。
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直流输电导线3、上机体磁芯2、下机体磁芯4、通电导线1、第一径向边601、第二径向边602、外环边603、内环边604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.基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，其特征是：
包括机体磁芯和通电导线；
所述的机体磁芯为一中间空心、外缘由多凸台组成的梅花形磁芯；机体磁芯由两个结构相同、可开合的上机体磁芯和下机体磁芯以高压直流输电导线作为轴线闭合组成；
所述的凸台由第一径向边、第二径向边和外环边构成，相邻凸台通过内环边连接；各凸台的第一径向边和第二径向边对称设有数量相等的导磁导电片层；第一径向边和第二径向边除导磁导电片层外的部分、外环边以及内环边均为导磁绝缘材质；
所述的通电导线用来连接导磁导电片层，具体为：
在梅花形磁芯的一端，同一凸台的第一径向边、第二径向边中对应的导磁导电片层采用一通电导线连接；在梅花形磁芯的另一端，相邻凸台的相邻径向边中对应的导磁导电片层采用一通电导线连接。
2.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，其特征是：
所述的凸台的第一径向边和第二径向边的延伸面过高压直流输电导线的轴线。
3.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，其特征是：
所述的导磁导电片层为强导磁导电材质。
4.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，其特征是：
所述的机体磁芯为强导磁绝缘材质。
5.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，其特征是：
所述的通电导线为软铁材质。
6.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，其特征是：
所述的通电导线为U形导线，包括一长边和两短边，两短边的端头分别与导磁导电片层连接。
7.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的除冰机器人磁力矩旋转驱动装置，其特征是：
所述的通电导线的端头烧结于导磁导电片层上。
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