爬壁机器人核心部件：磁力轮的原理、设计与应用解析

爬壁机器人核心部件：磁力轮的原理、设计与应用解析

磁力轮（磁力齿轮）是一种利用磁吸引力和排斥力相互作用运行的非接触式动力传输装置。与传统机械传动不同，磁力轮通过磁耦合来传递扭矩，具有效率提升、低噪音、过载保护、寿命长、低成本等优点。本文将详细介绍磁力轮的工作原理、结构设计、优点和缺点、设计要点、规格参数以及应用场景。

磁力轮的原理

磁力轮利用磁体同极间的吸引力和异极间的排斥力，将排斥力转化为驱动力。磁力齿轮的重要部件磁环上装有足够多的磁极。

两个磁轮静止状态下S、N极对应，当主磁轮旋转时，磁极位置发生变化，利用相邻的相反磁极，带动从动磁轮旋转，实现非接触磁动力传输。

磁力轮的传动方式

• 正交结构：两磁轮轴线垂直，不在同一平面，常用于货物运输或改变动力方向。
• 平行结构：两个磁轮轴线平行放置，用于动力传递。
• 直角传动：两磁轮轴线垂直且在同一平面上，一个主动轮可配一个或多个从动轮，以满足各种传动需要。
• 混合动力传动：融合正交、并行等多种传输方式，适合更复杂的功能场景。

磁力轮的优点

与传统机械传动不同，磁力轮通过磁耦合来传递扭矩，具有以下优点：

• 效率提升：无机械接触，无机械磨损，减少摩擦，提高使用效率。
• 低噪音：磁轮传动是一种非接触式传动，运行时几乎不产生噪音，这对于需要安静运行环境的工业应用来说是一个显著的优势。
• 过载保护：磁力轮内置过载保护功能，在过载情况下自动脱离，减少对电机的冲击。
• 寿命长：在非接触环境中操作，无需润滑或定期维护，从而提供更长的使用寿命。
• 低成本：无需因磨损而更换零件，从而降低运营成本。最大程度减少能量损失。

磁力轮的缺点

• 传统的场调制磁力齿轮通常具有较低的减速比以实现较高的扭矩密度，因此很难实现20以上的减速比。
• 容易受外界环境影响，磁铁风险退磁. 极端温度会影响磁铁性能，从而影响磁轮性能。
• 成本高，与传统传动设备相比价格明显昂贵。

磁力轮设计

确定传动系统的扭矩和速度要求是选择磁轮的关键。设计和材料选择必须满足用户要求，包括最大扭矩设计值和速度范围。整体系统效率也是直接影响能耗和运营成本的一个因素。

负载扭矩设计

F= (工件重量(kg) + 轴重量(kg) + 车轮重量(kg)) × 密封摩擦系数

T= (F(N) × D(车轮直径(m))/2 × 传动效率) × 安全系数

磁路设计

磁路设计对磁力轮的承载能力影响很大，单层磁力轮与双层磁力轮的承载能力有所不同。

磁力轮尺寸设计

轮径越大，扭矩越大，但占用空间越大，成本也越高。选择时应考虑载荷和安装空间。根据负载扭矩选择外部尺寸（例如 D50、D35、D15），根据轴尺寸选择内径（例如 d20、d15、d5）。

磁力轮的优化

• 磁路设计优化：通过设计提高扭矩密度，如在磁环内部添加弱磁元件，有效增强外部磁力，扭矩比同类产品提高20%以上。

• 表面处理：滚花可以增加轮子的粗糙度，增强磁轮的摩擦力。
• 仿真软件：工程师可以在设计阶段设计磁力轮的性能，缩短产品开发周期并降低开发成本。

磁力轮规格参考

磁力轮使用注意事项

• 失速通常发生在磁场无法有效传输扭矩时，例如磁轮之间的气隙太大或磁力不足以克服外部负载。尽管磁轮可能会继续旋转，但它无法有效驱动接收部件，导致传输效率急剧下降或失效。为了防止失速，系统设计必须考虑各种工作条件下的磁场强度和气隙大小。磁轮安装间隙一般为0.5mm至3mm，实际安装时建议为1mm。
• 钕铁硼磁铁在冲击下易碎，因此严禁对已完成的磁力轮进行二次加工，以免磁铁碎裂导致磁力轮无法使用。同样，安装两个磁力轮时也应避免碰撞。
• 由于非接触式传输，在高速下设备稳定性会受到很大影响，因此最高转速应限制在1500RPM以内。

应用

磁轮主要用于爬壁机器人：其工作原理是基于多个磁铁的协同作用。这些磁铁策略性地分布在轮子的圆周上，以确保爬壁机器人的磁吸引力均匀，使其能够在垂直或倾斜的表面上移动，同时保持稳定性，即使在高风险环境中也能自由移动。爬壁机器人已经在多个行业中得到应用：

• 核电站、化工厂或矿山等危险环境。
• 船舶表面或大型钢桥等高海拔环境。

图片来源：Cililun & Fzmag & Climbing-robots