磁吸附系統(tǒng)的磁力仿真計算與測試

豆春蕾，李 靜

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

目前，擦窗機器人的吸附系統(tǒng)常常采用真空和負壓吸附方式[1]。這2種工作方式的特點是單面吸附，需要不斷供電，一旦缺電，會導(dǎo)致機器人從玻璃面上脫落，造成自身和他人損傷。而采用永磁體雙面吸附可以避免這種情況發(fā)生，此外，在該吸附方式下，對玻璃內(nèi)外面同時清洗，可以大大提高機器人的工作效率[2-4]。

采用永磁體雙面吸附方式時，應(yīng)考慮不同地區(qū)家用玻璃厚度差異(大部分地區(qū)的玻璃厚度為10～25 mm)導(dǎo)致的磁體間相對距離增大、磁力降低，是否會影響機器人正常工作。為此，筆者設(shè)計了雙面磁吸附系統(tǒng)的磁路部分，磁路中磁體間相對距離可調(diào)，以適用于不同厚度的玻璃，還可以在玻璃厚度較薄時通過調(diào)整磁體間相對距離來調(diào)整吸附磁力的大小。在本設(shè)計中，考慮到擦窗機器人的工作壁面環(huán)境及本身的質(zhì)量，吸附系統(tǒng)的吸附磁力應(yīng)≥50 N，從而避免機器人從玻璃面脫落；如果吸附磁力過大，會增大擦窗機器人行走的驅(qū)動阻力，進而增加驅(qū)動功率，為此將其限制在250 N以內(nèi)。

本文應(yīng)用ANSYS軟件仿真計算磁路中磁體間相對距離不同時的吸附磁力，對設(shè)計的磁路進行了吸附磁力測試，并比較了仿真和測試結(jié)果。

1 磁路部分

磁路部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1a中位于玻璃內(nèi)外面的磁體A、B結(jié)構(gòu)相同，都包含1個導(dǎo)磁鋼片和4塊中心對稱分布的釹鐵硼永磁體，圖1b為這4塊永磁鐵在導(dǎo)磁鋼片上的分布形式。AB和A′B之間的距離分別為10和25 mm，表示玻璃厚度的范圍，也表示可以調(diào)距的范圍。磁體A相對于磁體B可以移動。

圖1 磁路部分結(jié)構(gòu)示意圖

2 磁力仿真計算

應(yīng)用ANSYS有限元軟件進行磁路中磁力的仿真計算。ANSYS軟件處理的步驟為：建立幾何模型；進行材料參數(shù)定義(采用的是釹鐵硼永磁體，釹鐵硼永磁體的剩磁Br=1.231 T，相對磁導(dǎo)率為1.065，矯頑力分量MGXX1=MGXX2=0，-MGYY1=MGYY2=917 530 (A/m)，MGZZ1=MGZZ2=0)；根據(jù)模型要求選定單元類型(單元類型為用于二維磁場問題的PLANE53實體單元，該單元有8個節(jié)點)；對幾何模型賦予材料屬性和單元屬性，對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，施加載荷和邊界條件；選用合適的求解器和求解參數(shù)對問題進行求解；運用后處理程序按需要查看不同的求解結(jié)果[5-6]。

應(yīng)用ANSYS軟件對圖1a所示的結(jié)構(gòu)進行二維靜態(tài)磁場仿真，得到的磁體間相對距離為17 mm時磁力線分布示意圖如圖2所示。由圖2可以看出，磁力線總體上分布在導(dǎo)磁鋼片之間并形成一個閉合回路，僅在兩側(cè)存在少量的漏磁現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的中心位置無永磁體，故磁力線分布較少，相對的永磁體之間的磁力線分布較密，且永磁體表面中心位置的磁力線與永磁體表面垂直。

圖2 有導(dǎo)磁鋼片時的磁力線分布圖

圖2結(jié)構(gòu)中無導(dǎo)磁鋼片時的磁力線分布圖如圖3所示。由圖3可以看出，磁力線分布相對于圖2所示的分布范圍增大，密度降低，漏磁現(xiàn)象嚴重，這導(dǎo)致磁體之間磁場強度減弱，吸引力減?。灰虼?，導(dǎo)磁鋼片的存在可以改變磁場分布，增強結(jié)構(gòu)A、B間的吸附磁力[7-10]。

圖3 無導(dǎo)磁鋼片時的磁力線分布圖

當磁體間距離為17 mm時，與圖2相對應(yīng)的磁力仿真計算結(jié)果如圖4所示，利用其中的FY(即Force in y-direction)值可計算出相應(yīng)的吸附磁力F。

圖4 磁力的仿真計算結(jié)果

對10～25 mm區(qū)間內(nèi)其余11個位置點分別進行仿真，可分別得到相應(yīng)位置的FY數(shù)值，進而得到吸附磁力的大小。數(shù)值求解結(jié)果見表1，其中D為磁體間相對距離。表1所得的仿真計算結(jié)果及其二次擬合曲線如圖5所示。

表1 仿真計算結(jié)果

圖5 磁體間相對距離與吸附磁力仿真值的關(guān)系

由圖5可見，隨著磁體間相對距離增加，吸附磁力的仿真值逐漸減小。磁體間相對距離在10～20 mm時，曲線斜率較大，表明在此區(qū)間內(nèi)，較小的相對距離變化會引起較大的吸附磁力變化。

3 磁力測試

為了驗證磁吸附系統(tǒng)中磁路設(shè)計的可靠性，進行了磁力測試。調(diào)節(jié)兩磁體間相對距離，取與仿真位置相同的12個位置作為采樣點，使用測力計分別測量對應(yīng)的磁體間吸附力，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 磁體間相對距離與吸附磁力關(guān)系

在圖6中，吸附磁力的仿真值與測量值的變化規(guī)律基本相同，測量值比仿真值略小。由于仿真時矯頑力的取值為理論值，磁體實際的矯頑力略低于理論值，這導(dǎo)致仿真值略高于測量值。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一套雙面磁吸附系統(tǒng)的磁路，利用ANSYS軟件數(shù)值仿真計算了永磁體距離不同時吸附磁力的大小，并進行了磁力測試。測試結(jié)果表明，ANSYS數(shù)值算法得到的吸附磁力大小與其測量值的誤差較小；隨著磁體間相對距離增加，吸附磁力逐漸減?。划敶朋w間距離為10～25 mm時，吸附磁力為50～250 N，滿足設(shè)計要求；本磁吸附磁路可用于一定厚度范圍的玻璃，且可通過調(diào)節(jié)磁體間相對距離來調(diào)整吸附磁力。