張子晨ZHANG Zi-chen；王寶WANG Bao；乜瑞程N(yùn)IE Rui-cheng；王愷WANG Kai；李玉寶LI Yu-bao

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院，南京 211170）

0 引言

幾千年來(lái)，船舶的停泊都采用纜繩系泊方式，通過(guò)船上和岸上人員協(xié)同拋、系纜繩，利用纜繩將船舶穩(wěn)定地?？吭诟劭诖a頭。隨著全球水上交通貿(mào)易體量不斷增大，船舶大型化、裝卸效率提升、頻繁的系靠泊作業(yè)已成常態(tài)，對(duì)船舶運(yùn)輸安全與效率提出了更高要求[1]。纜繩系泊方式耗時(shí)長(zhǎng)、效率低及人員安全隱患問(wèn)題更為凸顯。現(xiàn)代化港口航運(yùn)業(yè)亟需開發(fā)安全快捷的船舶系泊裝置，以替代傳統(tǒng)人工帶纜系泊。

“高效、節(jié)能、安全”理念已滲透進(jìn)船舶運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)，推動(dòng)泊船技術(shù)研究發(fā)展。無(wú)纜系泊方式即使用吸盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)纜繩的新型自動(dòng)泊船方式技術(shù)得到極大關(guān)注[2]。其中磁力泊船是利用磁力吸附船體實(shí)現(xiàn)船只停泊的新型泊船方式。在荷蘭、德國(guó)、芬蘭、澳大利亞、英國(guó)等港口發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的電磁泊船裝置已取代纜繩，用于貨船、擺渡客輪自動(dòng)停泊。磁力泊船方式在安全性、泊船效率和自動(dòng)化程度上呈現(xiàn)巨大優(yōu)勢(shì)，已成為泊船領(lǐng)域重要的技術(shù)發(fā)展方向[3-4]。

磁力吸盤是磁力泊船裝置的關(guān)鍵部件，其磁性能直接影響泊船安全及效率。本文根據(jù)船舶?？坎葱枨?，基于電磁感應(yīng)原理和磁場(chǎng)疊加原理，設(shè)計(jì)了一種電永磁吸盤，滿足了磁力大、能耗低且控制性能優(yōu)的泊船需求。

1 磁力吸盤的性能要求

1.1 磁力自動(dòng)泊船裝置構(gòu)造

磁力自動(dòng)泊船裝置利用裝置前端的磁力吸盤吸附船體舷側(cè)，裝置后端的主體機(jī)構(gòu)柔性限制固定船舶。如圖1所示的磁力自動(dòng)泊船裝置可配置自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制前端磁力吸盤自動(dòng)吸附船舶、后端主體機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)柔性固定船舶，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊船。與纜繩系泊方式相比，磁力自動(dòng)泊船利用磁吸吸盤自動(dòng)伸出并吸附船體，無(wú)需人工拋系纜作業(yè)，能大大縮短船舶停泊時(shí)間，提高停泊效率和安全性。磁力吸盤主要起吸附和釋放船舶的作用，是磁力自動(dòng)泊船裝置關(guān)鍵部件。

圖1 磁力自動(dòng)泊船裝置

1.2 根據(jù)自動(dòng)泊船需求確定磁力吸盤類型

安全、高效、可控是自動(dòng)泊船作業(yè)要求。船舶停泊港口碼頭受風(fēng)、流和浪等環(huán)境載荷作用，產(chǎn)生橫向、縱向和垂向的振蕩和搖擺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。顯然，船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越小，船舶停泊越平穩(wěn)，越有利于船舶裝卸貨作業(yè)。船舶所受環(huán)境載荷是一個(gè)動(dòng)態(tài)載荷，大小取決于船型形狀、吃水深度工況以及風(fēng)力、水文因素，載荷峰值大到數(shù)以百噸級(jí)，磁力自動(dòng)泊船裝置的電永磁吸盤吸力必須大于此環(huán)境載荷，因此，電永磁吸盤的吸力越大。磁力自動(dòng)泊船的磁力吸盤有如下的性能要求：

①足夠大的磁吸力，確保?？窟^(guò)程中吸附牢靠，不能脫離船舶。

②足夠小的剩余磁力，以便于離泊時(shí)快速脫離船舶。

③可控且快捷的吸附和脫離，以提高泊船效率。

④磁場(chǎng)深度小于船體側(cè)舷板厚度，不能穿透船體側(cè)舷板進(jìn)入船體內(nèi)部。

磁力的產(chǎn)生主要來(lái)自于永磁磁路和電磁磁路。磁力吸盤利用磁吸力吸附船舶，主要有永磁吸盤、電磁吸盤和電永磁吸盤三種。

永磁吸盤是利用永磁體材料自身磁場(chǎng)產(chǎn)生磁吸力，雖不需要電源,無(wú)停電之憂，但是磁力不可調(diào)節(jié)且普遍較小，不能電氣控制與調(diào)節(jié)。顯然，永磁吸盤不滿足泊船要求，也未見(jiàn)報(bào)道永磁吸盤用于泊船作業(yè)。

電磁吸盤是利用線圈通電產(chǎn)生電磁場(chǎng)而獲得磁吸力的一種可控吸盤。由開關(guān)控制電磁線圈，操作效率高，容易實(shí)現(xiàn)和機(jī)械動(dòng)作聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)化，吸力大小可進(jìn)行電氣控制，吸盤可設(shè)計(jì)成大型化[5]。電磁吸盤的電磁場(chǎng)需用電力維持，大的磁吸力需要大電流，而長(zhǎng)達(dá)幾十個(gè)小時(shí)的碼頭停泊時(shí)間，使得線圈溫度上升明顯，電能消耗大。而且電磁吸盤失電消磁，也增加了船舶停泊失控的隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

電永磁技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理和磁場(chǎng)疊加原理發(fā)展的一種磁控技術(shù)[6]。電永磁技術(shù)利用電磁線圈控制副永磁綜合應(yīng)用了永磁體磁能大和電磁體控制性能好的優(yōu)點(diǎn)，吸盤吸力大，可提供足夠的吸附力。電永磁吸盤吸合及脫開船體可由電開關(guān)控制，但與電磁吸盤不同在于，電永磁吸盤僅吸合及脫開時(shí)瞬時(shí)用電，其他時(shí)段均不需電力。相比之下，電永磁吸盤方式由于無(wú)需電力來(lái)維持磁場(chǎng)力，一方面可以大幅節(jié)省電能，另一方面在吸合時(shí)，萬(wàn)一發(fā)生電源故障或停電，也無(wú)消磁導(dǎo)致船舶失控離泊之?dāng)_。

2 電永磁吸盤的原理

2.1 電永磁吸盤的原理

電永磁吸盤常用以下2 種不同的磁性材料：一種釹鐵硼永磁材料，作為主磁體；另一種鋁鎳鈷永磁材料，作為可逆磁體。主磁體和可逆磁體套裝磁極塊與磁軛之間，一起組成磁路?？赡娲朋w周圍纏繞電線圈，作為勵(lì)磁線圈。通過(guò)勵(lì)磁線圈中的脈沖電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)，可改變可逆磁體的磁場(chǎng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸盤內(nèi)部磁路的控制與轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外充磁或消磁。釹鐵硼永磁材料具有較高的磁能積、較強(qiáng)的矯頑力和極好的性價(jià)比，可提供無(wú)源、高穩(wěn)定性的強(qiáng)磁場(chǎng)；鋁鎳鈷永磁材料具有高剩余磁感強(qiáng)度和較小矯頑力，在勵(lì)磁磁場(chǎng)作用下獲得高的強(qiáng)磁場(chǎng)，且充退磁比較容易。磁極塊及磁軛一般采用具有較好的導(dǎo)磁性、加工性能和機(jī)械強(qiáng)度的軟磁材料電永磁吸盤工作原理如下[7]：

①勵(lì)磁線圈通入正向脈沖電流產(chǎn)生磁場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)所形成的強(qiáng)電磁場(chǎng)使線圈周圍的鋁鎳鈷磁鋼磁化。磁化后的鋁鎳鈷磁鋼可逆磁體的磁場(chǎng)與釹鐵硼主磁體的磁場(chǎng)相互疊加，磁力線的分布如圖2（a）所示。磁力線從釹鐵硼主磁體N極和鋁鎳鈷磁鋼可逆磁體的N 極出發(fā)，經(jīng)過(guò)外部導(dǎo)磁工件和磁軛（或磁極塊）回到各自的S 極，吸盤處于對(duì)外充磁狀態(tài)。吸盤磁場(chǎng)可通過(guò)外部工件形成磁回路，形成磁吸力吸附工件。

圖2 電永磁吸盤的工作原理

②對(duì)勵(lì)磁線圈通入反向的瞬時(shí)電流，勵(lì)磁線圈形成反向磁場(chǎng)，使鋁鎳鈷磁鋼反向磁化，形成反向的N 極和S極。釹鐵硼的磁場(chǎng)和鋁鎳鈷磁鋼的磁場(chǎng)在吸盤內(nèi)部相互抵消，其磁力線分布如圖2（b）所示，疊加的磁場(chǎng)在吸盤內(nèi)部形成閉合回路，對(duì)外無(wú)磁路，吸盤處于對(duì)外退磁狀態(tài)。

2.2 電永磁吸盤的磁吸力

電永磁吸盤與工件間的距離很小時(shí)，可認(rèn)為兩者間隙處的磁通密度是均勻的，電永磁吸盤吸力可由以下公式計(jì)算[8]：

式（1）中：F 為磁吸力，N；Bg為氣隙磁通密度，T；Ag為吸盤與工件的實(shí)際接觸面積，cm2；?g為氣隙磁通，Wb。

由式（1）可知，磁吸力與吸盤和工件之間氣隙磁通密度或磁通的平方成正比，也與吸盤與工件的接觸面積成正比。因此，增大接觸面積或增大磁通密度兩種途徑都能增大電永磁吸盤的磁吸力。

要增大磁通密度通常可采用兩種方式：

①選用磁性能比較好的永磁材料，使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)比較強(qiáng)，根據(jù)磁通的連續(xù)性原理在接觸面積一定時(shí)可獲得較大的磁通密度；

②合理設(shè)計(jì)電永磁吸盤內(nèi)的電磁磁路和永磁磁路，以獲得最佳的磁路結(jié)構(gòu)，提高間隙的磁通密度，增加電永磁吸盤的吸力。因此，應(yīng)從這兩方面進(jìn)行研究電永磁吸盤，以獲得大的磁吸力。

增大接觸面積則可通過(guò)改善接觸表面質(zhì)量以增加表面貼合度，此外可改變接觸表面剛度以改善接觸對(duì)剛?cè)岫绕ヅ?，增加接觸面積。

3 磁力自動(dòng)泊船的電永磁吸盤設(shè)計(jì)

3.1 電永磁吸盤的結(jié)構(gòu)類型

電永磁吸盤的結(jié)構(gòu)一般有3 種形式。

①主磁體與可逆磁體上下布置結(jié)構(gòu)。

如圖3 所示，該類電永磁吸盤結(jié)構(gòu)中，主磁體與可逆磁體呈上下布置疊放，兩側(cè)是導(dǎo)通磁通的磁軛。通過(guò)改變勵(lì)磁線圈中電流大小和方向來(lái)改變可逆磁體的磁場(chǎng)方向，當(dāng)可逆磁體與主磁體磁場(chǎng)方向相同時(shí)，磁場(chǎng)相互疊加對(duì)外產(chǎn)生吸力，當(dāng)兩磁體的方向相反時(shí)，二者產(chǎn)生的磁場(chǎng)在吸盤內(nèi)部相互抵消，磁力消失卸載工件。此種電永磁吸盤結(jié)構(gòu)適合在高度方向不受限制，而在長(zhǎng)寬方向受限制的場(chǎng)合。

圖3 主磁體與可逆磁體上下布置結(jié)構(gòu)

②主磁體與可逆磁體水平布置的結(jié)構(gòu)。

圖4所示的此類吸盤結(jié)構(gòu)中主磁體與可逆磁體都布置在同一水平位置上，兩者之間由磁軛包裹。從三維空間上看，吸附工件時(shí)磁通為上下方向，退磁時(shí)磁通為水平方向。此電永磁吸盤結(jié)構(gòu)適合在長(zhǎng)寬方向不受限制而高度受限制的場(chǎng)合。

圖4 主磁體與可逆磁體水平布置結(jié)構(gòu)

③圓型結(jié)構(gòu)。

圖5所示的此類結(jié)構(gòu)的電永磁吸盤的主磁體為6 個(gè)扇環(huán)形磁體，均勻分布在圓形磁極塊的周圍。圓形的可逆磁體、線圈布置在主磁體下方，共同裝入圓形的磁軛腔體。圓型結(jié)構(gòu)的電永磁吸盤對(duì)可逆磁體有最大的勵(lì)磁效率，即在同樣的勵(lì)磁功率下，同樣面積不同結(jié)構(gòu)的電永磁吸盤中，圓形結(jié)構(gòu)的吸盤的單位面積吸力最大。

以上三種機(jī)構(gòu)既可以是單個(gè)磁極單元，也可以是由多個(gè)單元塊組成一個(gè)比較大的吸盤。吸盤大小則根據(jù)工作吸力需要和工作環(huán)境進(jìn)行選用。

3.2 磁力自動(dòng)泊船裝置的電永磁吸盤設(shè)計(jì)

不同結(jié)構(gòu)的電永磁吸盤中，圓型結(jié)構(gòu)磁極單元具有最大的單位面積吸力，但是當(dāng)多個(gè)圓型磁極單元組成一個(gè)大吸盤時(shí)，在各個(gè)圓形結(jié)構(gòu)之間存在一定的間隙。由于這些間隙部分是沒(méi)有磁力，吸盤的上表面積沒(méi)有得到充分利用，實(shí)際減小了吸盤的單位面積吸力。

將圓柱形外形設(shè)計(jì)改為六棱柱形，內(nèi)部仍保持為圓形腔體以裝配圓形結(jié)構(gòu)的主磁體，可變磁體，磁極塊和線圈。圖6 所示為六棱柱形結(jié)構(gòu)磁極單元拼接而成的大吸盤如蜂窩結(jié)構(gòu)，能夠更好的利用空間以獲得較大的吸力。

圖6 六棱柱型圓型結(jié)構(gòu)電永磁吸盤

4 結(jié)語(yǔ)

電永磁吸盤利用永磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)和電磁體的脈沖充磁，可獲得較大且穩(wěn)定單位面積磁吸力，吸盤具有良好的磁力調(diào)控性能和快捷的充退磁性能，可滿足磁力自動(dòng)泊船的安全、高效、可控的自動(dòng)泊船作業(yè)要求。圓型結(jié)構(gòu)的電永磁吸盤磁極單元具有更大的單位面積磁吸力，通過(guò)將外圓形改進(jìn)為六邊形，可提高面積利用率，使多單元組合吸盤獲得較大的磁吸力。