CN106992719B - 基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置，包括机体和导线，其中：机体由中心对称于高压线、且可开合的上机体和下机体闭合组成；上机体和下机体均由磁芯和导磁绝缘块交替连接构成，且整个机体中磁芯和导磁绝缘块也是交替连接；所述的磁芯为导磁导电材质，所述的导磁绝缘块为导磁不导电材料；导线为U型导线，包括一条长边和两条短边，采用U型导线将机体中所有磁芯顺次连接。本发明简单容易的实现了悬浮功能，避免了将线圈嵌入磁芯中所引出的加工复杂、漏磁等问题。

Description

基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置

技术领域

本发明涉及机器人技术和磁场学领域，尤其是涉及基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置。

背景技术

自20世纪80年代末，采用移动机器人对架空高压线路进行巡检已成为国内外机器人领域的研究热点。作为国外研究高压线路巡检机器人的典型代表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)，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。虽然国内外对高压巡线机器人的研究都取得了较大进展，但距离实用化程度还有很大差距，其中比较突出的技术难题是行走轮打滑、巡线效率低下以及无法避免振动带来的有害动载荷等问题。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，加大机器人的能源负担，损坏输电线路，打滑严重时，机器人变得难以控制。轮臂式驱动机器人大多采用多臂悬挂式，其体型笨重，巡检效率低下，抗风能力差。只有改变巡线机器人现有的轮臂式驱动方式才能彻底消除打滑、巡线效率低下以及无法避免振动带来的有害动载荷等问题。

磁悬浮列车的技术实现为解决巡检机器人的打滑、巡线效率低下以及抗风能力差等问题提供了一个全新的研究思路。本发明所述磁悬浮不同于磁悬浮列车技术所利用的磁极式同性相斥、异性相吸的原理使列车悬浮，而是利用高压直流输电线路周围的磁场，合理、巧妙地布置线圈，利用载流线圈在磁场中所受的安培力作为克服机器人本身重力的悬浮力，使得机器人在运动时实现与高压线零接触，在从而彻底解决巡检机器人的打滑、巡线效率低下以及抗风能力差问题。

综上所述，对比专利一种架空高压输电线路作业磁力悬浮机器人，专利申请号为CN201310598743.9，此专利利用嵌入在强磁材料的线圈受的安培力达到机器人悬浮的要求，由于要将线圈嵌入磁芯，所以该磁力悬浮机器人存在加工复杂和漏磁的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可避免漏磁、且易加工的基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置。

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高压巡检机器人磁力悬浮装置，包括机体和导线，其中：

机体由中心对称于高压线、且可开合的上机体和下机体闭合组成；上机体和下机体均由磁芯和导磁绝缘块交替连接构成，且整个机体中磁芯和导磁绝缘块也是交替连接；所述的磁芯为导磁导电材质，所述的导磁绝缘块为导磁不导电材料；

导线为U型导线，包括一条长边和两条短边，采用U型导线将机体中所有磁芯顺次连接，具体为：

设机体中磁芯数量为n，磁芯顺次记为磁芯1、磁芯2、……磁芯n；采用(n-1) 个U型导线，U型导线卡于磁芯上，第i个U型导线一短边的端头连接磁芯i的一端面，另一短边的端头连接磁芯(i+1)的另一端面，i依次取1、2、…(n-1)。

进一步的，磁芯和导磁绝缘块均呈扇环状。所述的磁芯和导磁绝缘块各自直边延长线的交点落于高压线上。

进一步的，第i个U型导线一短边的端头连接磁芯i的一端面中心处，另一短边的端头连接磁芯(i+1)的另一端面中心处，i依次取1、2、…(n-1)。

本发明工作原理如下：

见图1，上机体1和下机体7闭合，且对称布置于水平位置的高压线2上、下两侧。高压线2中的高压电流8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。上机体1和下机体7所处的磁场方向刚好相反。机体中磁芯3通以磁芯电流5，由于磁芯3的强磁特性，磁芯3在高强度磁场中受到较大的竖直向上安培力Fy。由于导线4在弱磁场强度下，则连接各磁芯3的导线4受到的安培力可忽略不计。采用电流源给导线4供电，通过系统传感器感知磁场的方向来改变导线4电流，从而保证机器人可以获得稳定的磁力悬浮力。

和现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明将上机体和下机体中磁芯分为若干块，各块间通过强磁不导电材料紧凑贴合，利用导线将各磁芯有序连接，给导线通电，磁芯受到竖直向上的安培力为机体提供悬浮力，简单容易的实现了悬浮功能，避免了将线圈嵌入磁芯中所引出的加工复杂、漏磁等问题。

(2)本发明利用载流磁芯在高压直流磁场中所受的安培力克服机器人本身重力，使机器人得以悬浮，实现机器人与高压线零接触，从而彻底消除轮臂式巡检机器人的磨损打滑、效率低下和有害载荷等问题。

(3)本发明可提高机器人在架空高压输电线无障碍线路段的巡航速度。

(4)本发明结构简单，体积小，重量轻，可减轻高压导线负载。

附图说明

图1为本发明磁力悬浮装置的工作原理图；

图2为一种具体的磁力悬浮装置的立体图；

图3为一种具体的磁力悬浮装置的主视图；

图4为本发明磁力悬浮装置磁力悬浮力的计算示意图。

图中，1-上机体，2-高压线，3-磁芯，4-导线，5-磁芯电流，6-磁场，7-下机体，8- 高压电流，9-导磁绝缘块。

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。

高压线8周围产生环形强磁场，磁芯3处于强磁场中，磁芯3通电后，其强导磁特性使其受到竖直向上的安培力，从而可克服高压巡检机器人重力，使高压巡检机器人悬浮。导线处于弱磁场中，其所受安培力忽略不计。

见图2～3，本发明高压巡检机器人磁力悬浮装置包括机体和导线4，所述的机体由中心对称于高压线2、且可开合的上机体1和下机体7闭合组成。上机体1和下机体7 均由磁芯3和导磁绝缘块9交替连接构成，且整个机体中磁芯3和导磁绝缘块9也是交替连接。磁芯3为强导磁导电材质，磁芯3通电后，磁芯3中电流在高压线2产生的强磁场中产生竖直向上的安培力，使高压巡检机器人悬浮。导线4用来连接各磁芯3，形成闭合回路。导磁绝缘块9为导磁不导电材质，用于分隔各磁芯3。

磁芯3受到安培力的计算如下：

记高压电流为I₀，离高压线半径R₁处，高压线产生的磁场B为：

式(1)中，u为磁芯的相对磁导率，u＝1000u₀，u₀为真空磁导率，u₀＝4π×10^-7。

高压线磁场中，磁芯受到的安培力(即磁力悬浮力)F为：

F＝BI₁Lsinθ (2)

式(2)中，I₁为磁芯电流，L为磁芯轴向长度。

由于通电导线与高压线周围的环形磁感应线相互垂直，即θ＝90°，所以磁芯所受安培力F可写为：

见图4，假设第1个磁芯与x轴的夹角为α，相邻磁芯的夹角为β，则第i个导线与x轴的夹角为：

将第i个磁芯的受力记为F_i，其在y轴方向上的安培力F_yi为：

导线置于弱导磁材料中，磁场弱，忽略无效边的安培力作用。由于上、下机体中线圈对称布置，假设机体上布置线磁芯数为n，故悬浮装置中所有导线的有效边所受的安培力合力F_合为：

F_合＝2(F_y1+F_y2+...+F_yn/2) (6)

即根据(3)～(6)式得：

为具体化，取I₁为10A，I₀为1000A，L为0.5m，R₁为0.05m，取α＝7.5°，β＝15°， n为12。将以上参数代入(7)式，得F_合＝306.5N。

那么，本实施例下，磁力悬浮装置可提供大小为306.5N的磁力悬浮力，即可提供大小为40.65kg的磁力悬浮力。

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利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置，其特征是：

包括机体和导线，其中：

机体由中心对称于高压线、且可开合的上机体和下机体闭合组成；上机体和下机体均由磁芯和导磁绝缘块交替连接构成，且整个机体中磁芯和导磁绝缘块也是交替连接；所述的磁芯为导磁导电材质，所述的导磁绝缘块为导磁不导电材料；

导线为U型导线，包括一条长边和两条短边，采用U型导线将机体中所有磁芯顺次连接，具体为：

设机体中磁芯数量为n，磁芯顺次记为磁芯1、磁芯2、……磁芯n；采用(n-1)个U型导线，U型导线卡于磁芯上，第i个U型导线一短边的端头连接磁芯i的一端面，另一短边的端头连接磁芯(i+1)的另一端面，i依次取1、2、…(n-1)。

2.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置，其特征是：

所述的磁芯和导磁绝缘块均呈扇环状。

3.如权利要求2所述的基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置，其特征是：

磁芯和导磁绝缘块各自直边延长线的交点落于高压线上。

4.如权利要求1所述的基于导磁导电材料的高压巡检机器人磁力悬浮装置，其特征是：

第i个U型导线一短边的端头连接磁芯i的一端面中心处，另一短边的端头连接磁芯(i+1)的另一端面中心处，i依次取1、2、…(n-1)。