基于Halbach阵列爬壁机器人永磁轮吸附单元的设计与优化

潘柏松，张　晋，魏　凯，叶宇峰

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省特种设备研究院，浙江 杭州 310020)



基于Halbach阵列爬壁机器人永磁轮吸附单元的设计与优化

潘柏松1，张晋1，魏凯1，叶宇峰2

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省特种设备研究院，浙江 杭州 310020)

摘要：针对爬壁机器人的工作环境和要求，基于Halbach阵列理论提出了新型磁轮吸附单元的拓扑结构.通过有限元仿真研究了磁轮轭铁厚度、极对数、轴向和周向磁化单元比例等若干因素对吸附力的影响.设计了两组实验，分别测试磁轮吸附力周向变化状况和空气隙对磁轮吸附的影响.在验证分析结果准确性的基础上，基于多岛遗传优化算法对磁轮结构参数进行了全局优化分析.结果表明：优化后的磁轮吸附力与磁轮重量比与优化前相比提高了近2倍，极大地提高了磁能利用率.

关键词：环形Halbach阵列；永磁轮；遗传优化

永磁吸附是爬壁机器人众多吸附方式中比较安全可靠的一种.永磁吸附又可分为两类：一类是非接触式吸附方式，另一类是接触吸附方式.与非接触式吸附方式相比，接触吸附方式吸附力更大，适合于宽广平整的表面.磁轮作为接触吸附方式中的主要类型之一，得到广泛研究和应用.国内外学者为使爬壁机器人更好地在磁基壁面运行，研究设计了各种结构类型的磁轮[1-3].TCHE F等[4]设计了永磁吸附整体式磁轮.永磁吸附单元分别位于磁轮两侧，与磁基壁面形成磁回……