水平井爬行器中电永磁吸盘的设计与优化

1 研究背景

1.1水平井爬行器

水平井与油层接触面积较大，穿过油层的井段长度较长[1]，能大幅提升石油产量，但这也导致需用额外的装备来向井内输送仪器或设备。目前常用的水平井爬行器可以快速、准确地完成此类任务，明显节约时间和降低成本。

水平井(示意图见图1)爬行器主要可分为轮式和伸缩式两大类，其中以GE油气公司和斯伦贝谢公司研制的爬行器最为成熟。图2所示为被GE收购的原Sondex公司生产的轮式爬行器[2]。其中，扶正器起辅助支撑作用，使爬行器位于油管中心。两对布局相互垂直的支撑臂是爬行器的执行机构，在潜油电机的驱动下，4个滚轮同时转动。与内燃机车的曲柄滑块机构相反，另一功率较小的电机驱动滑块可实现支撑臂的摆动(即张开和收拢)，借此可调整滚轮与油管壁之间的正压力大小：过大将会导致潜油电机堵转，过小将会导致滚轮打滑。

图1 水平井示意图
Fig.1 Schematic of horizontal well

图2 GE油气公司井下爬行器
Fig.2 Well tractor of GE oil&gas

水平井爬行器的设计主要受限于空间局促，其次是井下作业环境的高温高压，所以设计目标是整个系统简单、可靠。控制系统的设计目标也是元器件数量尽量少、控制逻辑简单且易于走线。基于这些考虑，如能使用电磁铁拉动滑块移动进而控制支撑臂的开合，则可大大简化爬行器机械结构和控制系统的设计。但是电磁铁本身也具有一定的不足：发热明显、能耗大，且存在衔铁无法入位时有可能导致电磁铁烧毁的隐患。

2016年国务院办公厅及政府有关部门，陆续出台以降本增效为核心的支持物流业发展政策措施，2017年党的十九大报告提出，要加强物流基础设施和网络战略，要形成新增长点形成新动能，为新时代物流指明了方向。2018年国务院大督察，物流业降本增效为物流业供给侧改革创造了条件，在这一时期，资本和技术的双轮驱动是一个突出的特点。

电永磁吸盘较完美地解决了这些问题：仅需要对其中的线圈通电使吸盘充磁，之后即可断电，吸盘仍能保持较强的吸力；作业结束后进行退磁，吸盘不再吸引滑块，支撑臂在弹簧的作用下即可收拢。用于水平井爬行器的电永磁吸盘直径要控制在55 mm以内，并保证爬行器能够产生3 000 N以上的牵引力。本文对电永磁吸盘进行了机构设计、仿真、测试和优化。

1.2 电永磁技术的应用

自从1974年意大利泰磁(Tecnomagnets)公司发明了电永磁吸盘之后，电永磁吸盘迅速应用于高端机床零件的装夹[3]、大型钢铁起重设备[4]、注塑机快速换模系统[5-7]等领域中。

电永磁吸盘的优点也吸引了机器人研究者的目光。2002年，徐泽亮等[8]利用电永磁的原理实现了机器人对油罐壁的有效吸附；2010年， KNAIAN[9]将电永磁应用于可编程设备的连接器和制动器；WARD 等[10]2012年提出了可将电永磁应用于爬壁机器人、可伸展机器人等领域的思路和设想；2015年，OCHOA-CARDENAS 等[11]利用电永磁技术设计了爬壁机器人的车轮模型，并通过实验对理论模型进行了验证[12]。

2 水平井爬行器力学模型

水平井爬行器支撑臂开合结构原理见图3。电机推动推杆前进，利用曲柄滑块机构实现支撑臂的张开，并对管壁施加足够的正压力。之后，电永磁吸盘吸引衔铁保持与管壁间的正压力；电机与推杆间利用离合脱开，仅带动驱动轮转动，从而实现爬行器在井下的爬行。

式中：柴油机烟气的比热容通过经验公式计算得出［19］，ce1=0.808 kJ/（kg·℃），ρe1=0.627 kg/m3；ce2=0.762 kJ/（kg·℃），ρe2=0.892 kg/m3。

图3 支撑臂开合机构原理图
Fig.3 Supporting arm opening and closing mechanism

在爬行器工作过程中，为了避免电永磁吸盘与衔铁脱开，推杆末端并非直接与衔铁相连，而是增加了齿轮齿条传动的力放大机构。由于同轴齿轮转速相同但是齿数不同(模数相同)，推杆推力大小F2与电永磁吸盘的吸力值F1有如下关系：

1.1.3 子宫肌瘤 子宫肌瘤是女性生殖系统常见的良性肿瘤，可引起经量异常增多、继发贫血、盆腔疼痛等，还可以改变子宫的解剖结构，进而影响子宫的收缩、蠕动以及内膜的容受性。据统计，以子宫肌瘤作为不孕唯一因素的占不孕女性的1%～3%[19-21]。肌瘤类型不同影响妊娠的机制也不同。有研究认为，黏膜下肌瘤是导致不孕的首要因素[22]。黏膜下肌瘤可影响宫腔面积和血供，使妊娠率和分娩率降低；肌壁间肌瘤对于妊娠和分娩的影响并不明显；而浆膜下肌瘤对于妊娠和流产无明显影响[23]。肌瘤的生长部位对于妊娠也有影响，前壁及后壁的肌瘤较其他部位的肌瘤对妊娠的影响小[24]。

(1)

式中，z1为小齿轮齿数，实际值为8；z2为大齿轮齿数，实际值为16。

利用虚功原理可以计算出推力大小F2与正压力Fn和牵引力Ff的关系：

(2)

其中，L1为支撑臂的长度|OA|，实际值为75mm；α1为支撑臂张开角度，完全张开时为37.4°；α2为连杆与中轴夹角，完全张开时为37°；连杆铰接点距驱动轮轴心的距离d=25mm；驱动轮半径r=32.5mm。

这里将驱动轮与管壁的摩擦接触过程简化为库仑摩擦：

Ff=μFn

(3)

式中，μ为摩擦因数。

联合式(1)～式(3)，可计算出电永磁吸盘的吸力值F1与牵引力Ff关系：

(4)

根据式(4)，取摩擦因数为0.3，并代入各变量实际数值后可以得到：为了保证爬行器最大牵引力能够达到3 000 N以上，电永磁吸盘的充磁吸力值应该大于1 500 N。

3 电永磁吸盘结构设计

用于机床和起重设备的电永磁吸盘往往是阵列结构，尺寸较大，很难直接用于机器人的本体结构中。由于爬行器均采用圆筒状的外壳，因此电永磁吸盘需设计为圆柱形状。

电永磁吸盘所能产生的吸力与其直径大小有直接关系，端面的面积越大，有效吸力就越大。但本项目所设计的爬行器外径为70 mm，因此吸盘的外径不能超过55 mm。吸盘主要由两种不同材质的永磁铁、磁轭以及线圈组成，见图4。

图4 电永磁吸盘结构
Fig.4 Structure of electropermanent magnet

电永磁吸盘的本质是通过改变一种永磁材料的极性，从而增强或削弱另一种永磁材料产生的磁场强度，以达到充磁或退磁的效果。圆筒和磁轭选用的材料是高磁导率的电工纯铁DT4C，主要起聚磁的作用。瓦形磁铁选用型号为N35EH的钕铁硼，内禀矫顽力较大，磁极方向不容易发生改变，使用温度不超过200 ℃。圆柱形的铝镍钴磁铁的内禀矫顽力较小，磁极方向容易发生改变，最高工作温度可达400 ℃，材质型号为LNG60。线圈位于铝镍钴与筒壁之间，用于充退磁。

在共享西江建设方面，一是逐步实现与交通、航道、水利、环保、渔政、气象等涉水单位数据共享，建立平安西江大数据应用中心。二是深化政企合作共建，提升源头管理水平。三是持续开展水上安全知识“七进”（进企业、进校园、进社区、进渔村、进渡口、进机关、进船舶）活动。

具体充退磁过程见图5。假设钕铁硼磁铁极性如图5所示， 此时若铝镍钴上面是N极，下面是S极(图5a)，则相当于在加强钕铁硼的磁场，对吸盘上方的铁磁材料产生强吸力；若圆柱铝镍钴的极性方向为上面是S极，下面是N极(图5b)，圆柱铝镍钴与钕铁硼的磁场通过磁轭和圆筒形成了闭合回路，对吸盘上方的铁磁材料几乎不产生吸力。

图5 充退磁示意图
Fig.5 Magnetization and demagnetization

从理论分析来看，该结构的电永磁吸盘可以满足基本的充退磁需求，但是各个结构参数对电永磁性能的影响还需要通过仿真计算来确定。

抛锚式教学就是要创造一个真实的问题情境，使学生通过思考自己发现问题，激发学生在好奇心的驱使下主动去探究学习。教师所创设的情景必须有针对性，方便学生发现并确定问题所在，不能过于冗长且宽泛，也不能直接将问题告诉学生，否则学生的思维太发散或者太固化都不利于问题的确定和解决。所以在《角的初步认识》这一课中，B教师的做法相对更妥帖。当然教师也可以出示学生每天都在使用的三角板进行引入，相较于软软的、比较大的红领巾来说，三角板更方便学生拿在手里直观感知它平面上的角，也便于接下来的教学。

4 电永磁吸盘仿真计算

对于模型的计算，由于边界条件复杂、材料B-H曲线非线性等问题，很难有精确的理论公式可以使用。本文采用的是有限元方法，在麦克斯韦方程组的基础上，利用标量磁位对磁场进行分析。在求得各个位置磁感应强度B和磁场强度H后，利用虚功方法来计算磁场力。该方法是通过工件移动时周围空气单元层能量的变化来间接求出力的大小，s方向上力基本公式表示为[13]

(5)

其中，s为节点坐标在全局坐标上的虚位移；Fs为s方向上的力；V为待求磁力单元体积。利用ANSYS软件可以方便地对该模型进行求解，具体步骤如下。

(1)分析方法和单元类型。本例中电永磁吸盘属于三维而且是静态磁场的分析，综合考虑计算速度和精度后决定采用标量磁位方法。单元类型选择四面体，包含10节点的solid 98单元。

1934年4月，郭人全在《中国社会现状与教育问题检讨》一文中指出，当前世界资本主义国家过剩工业品如潮水般涌进中国，期望以农产品角逐于世界市场无异于天方夜谭，中国当以发展工业生产为主，那样就“无须需求国外市场而只要保证国内市场”，即可使中国经济自立于世界[23]。吴法军认为，“利用农产品去换外国的工业品”是造成“中国人民全作了帝国主义的消费人员”的重要原因，强调只有在生产教育上，把工业放到第一位，才可使中国“从落后的农业经济渐渐向工业经济发展”[20]。

(2)定义材料参数。钕铁硼磁铁(N35EH)矫顽力860 kA/m，剩磁1.17 T；铝镍钴磁铁(LNG60)矫顽力56 kA/m，剩磁1.35 T。电工纯铁采用的是ANSYS材料库中的B-H曲线。

将我院2012年3月—2015年4月的54名护理人员选为研究对象，将其分为了观察组和对照组各27名。两组护理人员皆为女性，学历均在大专以上，观察组护理人员的平均年龄为（27.32±6.19）岁，平均工作时间为（5.94±3.67）年；对照组护理人员的平均年龄为（28.44±7.24）岁，平均工作时间为（6.21±3.39）年。两组护理人员的一般资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05）。

(3)建立模型和划分网格。按照图4所示的结构利用命令流建模、设定材料并划分网格。

目前，关于易地扶贫搬迁金融服务的研究较少。王红彦等人（2014）以泰国为例，介绍在生态移民中不同国家政策的实施效果对整个国家经济发展的影响。李美琴、彭秀丽（2016）对呼伦贝尔市金融支持易地扶贫搬迁情况进行调查，介绍搬迁过程中的公共服务设施建设、搬迁补偿、临时过渡费用等方面的信贷支持情况。王宏新等（2017）分析我国易地扶贫搬迁政策，总结出我国易地扶贫搬迁政策发展演变特征：由政府引导型向政府主导型演变，由整村搬迁向精准搬迁转变。侯茂章、周璟（2017）深入研究湖南省搬迁后续产业发展状况，结合湖南省石门、沅陵、桑植等国家级贫困县调研案例，总结湖南省易地扶贫搬迁后续产业发展的11种模式。

(4)施加力标志。为了计算电磁力，在吸盘上方建立了一个φ55 mm×10 mm的圆柱体纯铁工件作为吸力测量的对象，并利用ANSYS的宏FMAGBC计算铁磁性工件受到的吸引力。

Given the rarity of this disease there is no data on the incidence, relative risks, or life time risks of SBA and at present no guidelines exist for surveillance. Some authors do recommend upper endoscopy every 3-5 years from age 15, and repeated annually if polyps are diagnosed[42].

(5)施加边界条件,选择求解方法。施加磁力线平行边界条件。由于本模型中不包含电流源，所以采用的是差分标量磁位法进行求解。

(6)计算并显示结果。

根据以上步骤，设置工件和电永磁吸盘之间的距离为0.1 mm，初步令h1=60 mm，h2=10 mm，d1=4 mm，d2=5 mm。计算结果见图6。可以看出，无论是充磁还是退磁，x方向力(Force-X)和y方向力(Force-Y)的大小都可以忽略不计，Force-Z为负表明是吸力，这都与实际分析相符。充磁时，吸力大小为1 590.9 N；退磁时，吸力大小并不为0，而是等于91.96 N。

磁感应强度B的分布见图7，可以发现与图5的分析结果相一致，这也进一步验证了设计原理的准确性。 但不难发现，在圆筒周围存在一些漏磁现象， 这也是退磁时仍有较大吸力的一个重要原因。 所以， 希望通过优化结构参数来提高充磁吸力，降低退磁吸力。

(a) 充磁

(b) 退磁
图6 磁力计算结果
Fig.6 Results of magnetic force

(a) 充磁

(b) 退磁
图7 磁感应强度分布
Fig.7 Distribution of magnetic induction

5 电永磁吸盘结构参数优化

电永磁吸盘结构参数主要是图4中的4个量：圆柱铝镍钴磁铁高度h1、圆筒壁厚d1、瓦形钕铁硼磁铁的高度h2和厚度d2。优化方式是简单对比法：在之前仿真参数的基础上，控制其他变量不变，针对某个特定参数，计算出一系列不同数值对应的充磁吸力Fc、退磁吸力Fd，再从中选取较为合适的值，优化目标是希望充磁吸力能够较大，退磁吸力控制在10 N以内。

5.1 圆柱铝镍钴磁铁高度h1

保持其他参数不变，即h2=10 mm、d1=4 mm、d2=5 mm，h1从30 mm变化到65 mm，具体计算结果见图8。可以看出：随着h1的增大，充磁吸力不断增大，但增长率逐渐降低；退磁吸力逐渐增大，但整体变化范围不足10 N。当h1>50 mm后，充磁吸力的变化显著减小，所以实际选用h1=50 mm。

◎青霉素 使用要注意是否过敏。其实引起过敏的不是青霉素，而是对生产过程中的杂质产生的过敏，一般价钱贵的杂质少些，不能清楚是否过敏的建议还是用头孢。常见的有阿莫西林、阿莫西林克拉维酸钾分散片，阿莫西林舒巴坦酯片，克拉维酸和舒巴坦能对付细菌的耐药性。

图8 磁力与铝镍钴磁铁高度的关系
Fig.8 Relationship between the magnetic force and the height of AlNiCo

5.2 瓦形钕铁硼磁铁的厚度 d2

令h1=50 mm(优化结果)，h2=10 mm、d1=4 mm保持不变，d2从4 mm变化到9 mm，计算结果见图9。可以看出：随着d2的不断增大，充磁吸力呈先增大后减小的趋势，而退磁吸力却在不断减小。由于充磁吸力在6 mm≤d2≤8 mm时变化不大，而退磁吸力减小了一半左右，所以实际采用d2=8 mm。

图9 磁力与钕铁硼磁铁厚度的关系
Fig.9 Relationship between the magnetic force and the thickness of NdFeB

5.3 瓦形钕铁硼磁铁的高度 h2

令h1=50 mm、d2=8 mm(优化结果)，d1=4 mm保持不变，h2从10 mm变化到17 mm，具体计算结果见图10。可以看出：随着h2的不断增大，充磁吸力显著上升，退磁吸力呈先下降后上升的趋势。退磁吸力在10 N以内均可以接受，为了尽可能提高充磁吸力大小，实际选择h2=15 mm。

图10 磁力与钕铁硼磁铁高度的关系
Fig.10 Relationship between the magnetic force and the height of NdFeB

5.4 圆筒壁厚 d1

令h1=50 mm、d2=8 mm、h2=15 mm(优化结果)，d1从3 mm变化到5 mm，具体计算结果见图11。可以看出：随着d2增大，充磁吸力先增大后减小，退磁吸力先减小后增大。虽然两者的极值并非位于同一点，但是退磁吸力在极值附近变化范围小，所以选择的圆筒壁厚d1=4.5 mm。

图11 磁力与圆筒壁厚的关系
Fig.11 Relationship between the magnetic force and the thickness of cylinder

综合以上对4个参数的仿真计算，确定了各尺寸为：h1=50 mm，d1=4.5 mm，h2=15 mm，d2=8 mm。仿真结果充磁吸力1 916.4 N，退磁吸力11.5 N。根据选用的材料进行加工装配后，具体实物见图12。

图12 电永磁吸盘实物图
Fig.12 Electropermanent magnet pictures

6 实验验证

6.1 电永磁吸盘磁力实验

为了验证电永磁吸盘实际的磁力效果，设计了图13所示的测力平台。通过丝杠螺母副，可以将手轮的转动转化为工件的直线运动，这样一方面起到了力放大作用，另一方面可以较为精确地控制工件表面到电永磁吸盘表面的距离。中间部分与工件固连的S型拉力传感器量程可达4 900 N，并配有专门的称重数显表，可以直接将压力信号转化为数字信号并加以显示。

图13 实验装置
Fig.13 Experimental devices

利用该装置对电永磁吸盘进行了充退磁实验，具体结果和分析如下。

3) 基于船用柴油机结构和系统的复杂性，根据单个特征参数判断柴油机故障存在很大局限性，基于多个特征参数指标进行综合分析，缩小甚至确诊故障所在是船舶故障诊断的手段。随着科学技术的发展，特征状态参数的多样化将给船舶智能故障诊断带来新的发展机遇，通过对船用柴油机的多元信息融合分析,进行实时在线诊断将成为柴油机故障诊断工作发展趋势。

6.1.1 充退磁吸力

通过多次测量取平均值的方式，测得电永磁吸盘的吸力大小见表1。

基于此认识，各个市场主体开始试水这一行业，第一个吃螃蟹的是中邮速递易。在2012年，中邮速递易推出第一台智能快递柜，开拓了智能快递柜行业，也将物流末端配送推进了智能化时代。通过中邮速递易智能快递柜，快递员只需在经过用户同意后，将包裹投递在智能快递柜中，以实现集约化配送。用户可以随时凭借取件码或二维码在智能快递柜中取件。颠覆了人力配送模式，解决了快递员和用户时间不交集问题，同时还帮助物流企业实现了降低人力成本、提升配送效率的目标。

安全顺利组织实施好首次国家统一法律职业资格考试——在国家统一法律职业资格考试工作会议上的讲话赵大程（2018年第9期）

表1 磁力实验结果
Tab.1 The experimental results of magnetic force

类别测量1测量2测量3平均值充磁吸力 (N)1 6841 6761 6861 682退磁吸力 (N)1012910.3

分析可知：电永磁吸盘的充退磁吸力与仿真值吻合的较好，充磁吸力相对误差为13.9%；退磁吸力相对误差为11.7%，该误差的来源主要是两种磁铁的矫顽力、剩磁和纯铁的B-H曲线等仿真参数与实际值存在一定差距。

从结果来看，充磁吸力大于上文计算的1 500 N；退磁吸力虽然大于0但是绝对值较小，可以利用弹簧来克服，满足爬行器中使用的设计需求。

6.1.2 磁力作用范围

将电永磁吸盘到工件平面的距离定义为间隙，用充磁吸力与间隙之间的关系可以一定程度上反映出磁力的作用范围。实际测量与仿真结果对比见图14。可以看出：随着间隙δ的增大，充磁吸力显著减小，当δ=3 mm时吸力已经减小到100 N以下。所以在爬行器支撑臂张开阶段，需要由电机将衔铁推入电永磁吸盘的吸力作用范围内，才能对管壁产生足够的正压力。

图14 磁力与间隙的关系
Fig.14 Relationship between the magnetic force and the gap

6.2 爬行器牵引力实验

牵引力是水平井爬行器的一个重要设计指标，直接关系到在井下的爬行能力和运输能力。在电机功率满足需求时，牵引力的大小与正压力近似成比例关系，而正压力的来源正是电永磁吸盘的吸力。所以牵引力实验是验证电永磁吸盘能否用于爬行器中的关键。

图15所示是实验采用的水平井爬行器，其中包括电永磁短节、支撑臂和电机驱动部分。电永磁短节主要负责完成支撑臂的开合动作，内部利用电永磁吸盘提供对管壁的正压力；电机驱动部分带动支撑臂上驱动轮转动。3个部分相互配合，共同完成爬行器在套管内的前进动作。

图15 水平井爬行器
Fig.15 The horizontal well tractor

实验方案见图16。爬行器在φ139.7 mm(5.5 in)套管内爬行，尾部铠装电缆通过滑轮连接到绞盘处。在爬行器前进过程中，绞盘不断增加刹车力度，直至爬行器出现打滑现象，记录此时的拉力计示数即为最大牵引力的2倍。

图16 牵引力实验方案
Fig.16 The program of traction experiments

实验结果见表2。通过多次实验测量取平均值后可以得到牵引力大小为3 778.5 N。该数值已经达到了预期3 000 N的设计需求。这说明电永磁吸盘能够对管壁产生足够大的正压力，可以应用于水平井爬行器中。

表2 牵引力实验结果
Tab.2 The experimental results of traction

测量1测量2测量3平均值牵引力 (N)35913564.74179.73778.5

7 结论

(1)本文提出将电永磁吸盘应用于水平井爬行器中，并通过实验说明可以产生3 000 N以上的牵引力。

(2)根据爬行器尺寸和使用环境设计了电永磁吸盘，并利用有限元法对其进行了仿真计算和优化。实测充磁吸力1 682 N，退磁吸力10.3 N，与仿真结果较为一致。通过实验反映出电永磁吸盘吸力作用范围较小、单位面积吸力较大的特点。

(3)在直径一定时，随着铝镍钴磁铁高度或钕铁硼磁铁高度的增加，充磁吸力会不断上升；随着圆筒壁厚或钕铁硼磁铁厚度的增加，充磁吸力会先上升后下降。退磁吸力的大小与铝镍钴磁铁和钕铁硼磁铁的磁力强弱有关：两者产生的磁力较为接近则退磁吸力较小，两者产生的磁力较为悬殊则退磁吸力较大。

考虑到本文在电永磁吸盘结构参数优化过程中采用的是简单比较法，搜寻结果并不一定是全局最优。今后可以采用的诸如粒子群算法等现代优化方法对电永磁吸盘充退磁性能进行进一步优化，以提高在爬行器中的使用效果，产生更大的牵引力。