磁吸附系统的磁力仿真计算与测试

豆春蕾，李 静

(中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)

目前，擦窗机器人的吸附系统常常采用真空和负压吸附方式[1]。这2种工作方式的特点是单面吸附，需要不断供电，一旦缺电，会导致机器人从玻璃面上脱落，造成自身和他人损伤。而采用永磁体双面吸附可以避免这种情况发生，此外，在该吸附方式下，对玻璃内外面同时清洗，可以大大提高机器人的工作效率[2-4]。

采用永磁体双面吸附方式时，应考虑不同地区家用玻璃厚度差异(大部分地区的玻璃厚度为10～25 mm)导致的磁体间相对距离增大、磁力降低，是否会影响机器人正常工作。为此，笔者设计了双面磁吸附系统的磁路部分，磁路中磁体间相对距离可调，以适用于不同厚度的玻璃，还可以在玻璃厚度较薄时通过调整磁体间相对距离来调整吸附磁力的大小。在本设计中，考虑到擦窗机器人的工作壁面环境及本身的质量，吸附系统的吸附磁力应≥50 N，从而避免机器人从玻璃面脱落；如果吸附磁力过大，会增大擦窗机器人行走的驱动阻力，进而增加驱动功率，为此将其限制在250 N以内。

本文应用ANSYS软件仿真计算磁路中磁体间相对距离不同时的吸附磁力，对设计的磁路进行了吸附磁力测试，并比较了仿真和测试结果。

1 磁路部分

磁路部分结构示意图如图1所示。图1a中位于玻璃内外面的磁体A、B结构相同，都包含1个导磁钢片和4块中心对称分布的钕铁硼永磁体，图1b为这4块永磁铁在导磁钢片上的分布形式。AB和A′B之间的距离分别为10和25 mm，表示玻璃厚度的范围，也表示可以调距的范围。磁体A相对于磁体B可以移动。

图1 磁路部分结构示意图

2 磁力仿真计算

应用ANSYS有限元软件进行磁路中磁力的仿真计算。ANSYS软件处理的步骤为：建立几何模型；进行材料参数定义(采用的是钕铁硼永磁体，钕铁硼永磁体的剩磁Br=1.231 T，相对磁导率为1.065，矫顽力分量MGXX1=MGXX2=0，-MGYY1=MGYY2=917 530 (A/m)，MGZZ1=MGZZ2=0)；根据模型要求选定单元类型(单元类型为用于二维磁场问题的PLANE53实体单元，该单元有8个节点)；对几何模型赋予材料属性和单元属性，对几何模型进行网格划分，施加载荷和边界条件；选用合适的求解器和求解参数对问题进行求解；运用后处理程序按需要查看不同的求解结果[5-6]。

应用ANSYS软件对图1a所示的结构进行二维静态磁场仿真，得到的磁体间相对距离为17 mm时磁力线分布示意图如图2所示。由图2可以看出，磁力线总体上分布在导磁钢片之间并形成一个闭合回路，仅在两侧存在少量的漏磁现象，结构的中心位置无永磁体，故磁力线分布较少，相对的永磁体之间的磁力线分布较密，且永磁体表面中心位置的磁力线与永磁体表面垂直。

图2 有导磁钢片时的磁力线分布图

图2结构中无导磁钢片时的磁力线分布图如图3所示。由图3可以看出，磁力线分布相对于图2所示的分布范围增大，密度降低，漏磁现象严重，这导致磁体之间磁场强度减弱，吸引力减小；因此，导磁钢片的存在可以改变磁场分布，增强结构A、B间的吸附磁力[7-10]。

图3 无导磁钢片时的磁力线分布图

当磁体间距离为17 mm时，与图2相对应的磁力仿真计算结果如图4所示，利用其中的FY(即Force in y-direction)值可计算出相应的吸附磁力F。

图4 磁力的仿真计算结果

对10～25 mm区间内其余11个位置点分别进行仿真，可分别得到相应位置的FY数值，进而得到吸附磁力的大小。数值求解结果见表1，其中D为磁体间相对距离。表1所得的仿真计算结果及其二次拟合曲线如图5所示。

表1 仿真计算结果

图5 磁体间相对距离与吸附磁力仿真值的关系

由图5可见，随着磁体间相对距离增加，吸附磁力的仿真值逐渐减小。磁体间相对距离在10～20 mm时，曲线斜率较大，表明在此区间内，较小的相对距离变化会引起较大的吸附磁力变化。

3 磁力测试

为了验证磁吸附系统中磁路设计的可靠性，进行了磁力测试。调节两磁体间相对距离，取与仿真位置相同的12个位置作为采样点，使用测力计分别测量对应的磁体间吸附力，得到的结果如图6所示。

图6 磁体间相对距离与吸附磁力关系

在图6中，吸附磁力的仿真值与测量值的变化规律基本相同，测量值比仿真值略小。由于仿真时矫顽力的取值为理论值，磁体实际的矫顽力略低于理论值，这导致仿真值略高于测量值。

4 结语

本文设计了一套双面磁吸附系统的磁路，利用ANSYS软件数值仿真计算了永磁体距离不同时吸附磁力的大小，并进行了磁力测试。测试结果表明，ANSYS数值算法得到的吸附磁力大小与其测量值的误差较小；随着磁体间相对距离增加，吸附磁力逐渐减小；当磁体间距离为10～25 mm时，吸附磁力为50～250 N，满足设计要求；本磁吸附磁路可用于一定厚度范围的玻璃，且可通过调节磁体间相对距离来调整吸附磁力。