高壓線作業機器人的磁懸浮系統原理性設計及仿真

周展帆，嚴宇，黃潤清，劉佳豪，徐顯金

高壓線作業機器人的磁懸浮系統原理性設計及仿真

周展帆1，嚴宇1，黃潤清1，劉佳豪2，徐顯金3

（1. 國網湖南省電力有限公司 檢修公司，國網湖南省電力有限公司變電智能運檢實驗室，湖南 長沙 410000；2. 95997部隊，湖南 長沙 410000；3. 湖北工業大學 機械工程學院，湖北 武漢 430068）

針對高壓線巡檢機器人易打滑、易磨損以及爬坡慢等問題，提出一種磁力懸浮方法：利用磁懸浮裝置產生與重力大小相同、方向相反的安培力，使機器人懸浮在高壓線上，從而徹底消除打滑和磨損問題。通過對載流導線在高壓輸電線產生的磁場中受到的安培力進行分析，提出一種全新的磁力懸浮方式；建立磁力懸浮的物理模型，分析懸浮力大小與模型相關尺寸的關系；利用COMSOL軟件對該模型進行仿真。結果表明，磁懸浮系統模型產生的磁懸浮力近似等于理論計算值，證明了所提磁懸浮系統原理性設計的正確性。

高壓線；磁懸浮；物理模型；巡檢機器人

0 引言

電力配送過程中容易受到自然和人為因素的影響，導致線路上金具及導線出現故障，因此輸電線路的日常巡檢與維護尤為重要。自20世紀80年代末，一些發達國家開始對高壓輸電線路巡檢機器人進行研究。典型的代表是加拿大魁北克水電研究院研制的巡檢機器人LineScou[1-3]、LineRange[4]以及由東京大學、日本電力系統公司和關西電力公司三方合作研制的巡檢機器人Expliner[5]。國內對高壓線巡檢機器人的研究起步較晚。武漢大學研究團隊研制出一種沿著相線行駛的輪臂式巡檢機器人，能適應220 kV單分裂線路和220～550 kV多分裂線路巡檢作業[5-12]。長沙理工大學與湖南電網公司合作研發了能對高壓輸電線金具進行維修工作的多懸臂輪式檢修機器人[13-16]。

國內外研發的高壓輸電線路巡檢機器人，多數采用電機驅動的多懸臂輪式機構，當線路積水、覆冰或者機器人處于上坡線路段時，行走輪與導線表面之間的靜摩擦力不足以克服重力而導致機器人打滑，打滑不僅影響機器人的作業效率、增大能耗，也會導致高壓輸電線路表面的嚴重磨損。打滑問題是輪式驅動巡檢機器人固有的問題。本文提出一種磁力懸浮方法，利用通電線圈在高壓導線周圍的環形磁場中受到的安培力，使機器人能懸浮于高壓線路上，通過實現無接觸、無摩擦進而解決打滑和磨損問題。

1 磁力懸浮原理

1.1 磁力懸浮裝置模型

磁力懸浮裝置如圖1所示，將磁力懸浮裝置設計成上下左右均對稱，可滿足高壓線巡檢機器人遇到障礙時進行開合運動的要求。高壓線周圍會產生方向確定的環形磁場，合理布置線圈可以得到與重力方向相反的安培力，考慮到線圈中電流過小或者線圈匝數過少會導致安培力過小而不能實現克服自身重力。因此，磁芯材料選擇具有聚磁特性的強磁材料，可以有效增加豎直方向上的安培力大小，確保機器人可以懸浮在高壓線上。總體結構如圖2所示。采用3D打印技術將線圈無縫地鑲嵌到強導磁材料中。

圖1 磁力懸浮裝置

圖2 磁力懸浮機器人總體結構

1.2 磁力懸浮原理

如圖3所示，假設高壓直流輸電線的電流沿軸正方向，根據右手定則，得到其產生的磁場磁感應線的方向。圖4為高壓直流輸電線產生的磁感應線在平面的分布。在高壓輸電線附近有與其平行的載流導線，電流方向與高壓輸電線電流方向相反。根據左手定則，該載流導線的受力如圖4所示。

圖3 高壓輸電線磁感應線方向

圖4 載流導線受力方向

根據安培定律：

可求載流導線所受的安培力。設高壓輸電線的電流為1，設載流導線的長為，通過導線的電流為2，載流導線到高壓輸電線中心的距離為0，載流導線的電流方向與磁感應線的夾角為。因為磁感應線垂直于線圈，故=90°，sin=1。

磁場強度：

式中：0為空氣磁導率（0=4π×10–7H/m）；r為強磁材料的磁導率。

可以求得安培力大小：

以xz軸為對稱平面，沿磁感應線方向的高壓輸電線方向繞有一線圈，上下各有n邊平行于高壓輸電線。由于沿圓周方向的邊每一段電流元的方向均與磁感應線的方向平行，即θ=0°，故沿圓周方向的導線不受力。因此得到簡化圖如圖5所示。

導線通入電流后，上下兩側平行于高壓輸電線的邊中電流方向相反，而受到的磁場方向相反，如圖6所示。設每相鄰兩根導線之間的夾角為，當導線緊密排列時，根據幾何關系，可以得到兩根相鄰導線之間的夾角與導線直徑以及圓的半徑0之間的關系：

式中：d為載流線圈的直徑。

設離軸垂直距離最小的導線與軸的 夾角為，第根導線與軸的夾角，相鄰兩根線圈之間的夾角為：

則巡檢機器人受到的懸浮力2N為：

因此可以求得載流導線在軸上的合力2N：

壓線磁懸浮機器人重力：

式中：1、2分別為機器人的外環和內環半徑，如圖6所示。

實現機器人懸浮于高壓線上，即滿足：

化簡之后可得：

由上式可發現，機器人的長度對懸浮條件沒有影響。

2 磁懸浮模型仿真分析

2.1 磁懸浮物理模型

取高壓線電流1 000 A，高壓線截面確定為（0.02×0.02 π）m2，模型外徑10055 m，內徑20045 m，模型長度為=0.03 m，載流線圈截面直徑=0.004 m，載流線圈內電流不宜過大，通電線圈中電流大小為10 A。強導磁材料選擇MnZn鐵氧體，其相對磁導率可達到3 000 H/m，考慮經濟問題，擬采用r=1 000 H/m

將磁力懸浮模型進行必要的簡化以便進行仿真計算。選取線圈=5和=21進行仿真計算。其仿真模型簡化如圖7所示。

2.2 仿真分析

在COMSOL仿真軟件中，高壓線材料選擇Steel AISI 4340,線圈材料設置為soft iron (without losses)，軟磁材料設置為MnZn鐵氧體，物理場選擇為磁場（mf）；對磁芯、載流線圈、高壓線及內空氣域采用自由四面體網格超細化劃分，剩余部分采用自由四面體網格較細化劃分，在高壓線邊界以及載流線圈邊界設置邊界層網格；確定線圈數為5、9、15和21并進行仿真。在高壓電流（1 000 A）產生的穩態磁場環境下，對磁力懸浮模型進行求解計算，仿真模型在以及平面的截圖如圖8和圖9所示，其中圖8為界面磁通密度模（=21），圖9為模型電流密度模及其磁場密度模面箭頭。

圖8 界面磁通密度模（n=21）

由圖8中可以看出，軟磁材料對磁場有明顯的增強作用且高壓線的磁場與線圈的磁場發生了耦合；由圖9可以看出，面箭頭在線圈周圍分布密集（面箭頭走向為模型內部電流的方向，疏密代表電流密度的大小）。說明線圈匝數越多該處場強越大，產生的安培力越大。雖然仿真結果與理論結果之間存在誤差，但是誤差范圍在可接受范圍之內，證明了該原理的正確性。在不同線圈條件下，在方向上的電磁力a與理論計算數值2N如表1所示。

表1 相應線圈匝數的仿真數值與理論計算數值

由表1可知，隨著線圈數的增加，仿真數值和理論計算數值之間的誤差逐漸變大，其原因在于磁耦合效應的存在，導致仿真數值偏小。

通過仿真值和理論值的對比，相同高壓線磁場環境下，線圈匝數的增多會造成更加嚴重的磁場耦合。研究線圈匝數最優值有助于提高磁力懸浮裝置的穩定性，可以適應更加復雜的輸電線路環境。

3 結論

提出了一種磁力懸浮方法，旨在徹底解決高壓線巡檢機器人在巡檢過程中出現的打滑及磨損問題。根據提出的理論，展開了仿真驗證工作，并將其仿真值與理論值進行了對比研究。由于磁耦合效應，最終仿真值小于理論值，但仍可證明該理論方法是正確的。

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Principle Design and Simulation of Magnetic Levitation System for High-voltage Line Operation Robot

ZHOU Zhanfan1, YAN Yu1, HUANG Runqing1, LIU Jiahao2, XU Xianjin3

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company, Substation Intelligent Operation and Inspection Laboratory of State Grid Hunan Electric Power Co., Ltd., Changsha 410000, China; 2. 95997 Army, Changsha 410000, China; 3. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Aiming at solving the problems of high-voltage line inspection robots that are easy to slip, wear and climb slowly, a magnetic levitation method was proposed: a magnetic levitation device was used to generate an ampere force that was the same as the gravity and opposite direction to make the robot levitate on the high-voltage line, thereby completely eliminating slippage and wear problems. A new magnetic levitation method was proposed by analyzing the ampere force of current carrying conductor in the magnetic field generated by high voltage transmission line; the physical model of magnetic levitation was established, the relationship between the levitation force and the relevant size of the model was analyzed; and the COMSOL software was used to simulate the model. The results show that the magnetic levitation force generated by the magnetic levitation system model was approximately equal to the theoretical calculation value, which proves the correctness of the principle design of the magnetic levitation system proposed in this paper.

high-voltage line; magnetic levitation; physical model; the inspection robot

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.004

TM8

A

1672-0792(2021)08-0027-06

2021-04-29

周展帆（1993—），女，工程師，主要從事電力機器人結構設計及控制系統開發；

嚴 宇（1986—），男，高級工程師，主要從事電力機器人控制系統開發；

黃潤清（1995—），男，助理工程師，主要從事變電一次設備檢修；

徐顯金（1971—），男，副教授，主要從事電力作業機器人研究。