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?，F(xiàn)代化港口航運(yùn)業(yè)亟需開(kāi)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(pán)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(pán)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(pán)，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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)類(lèi)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?lài)嵓?jí)，磁力自動(dòng)泊船裝置的電永磁吸盤(pán)吸力必須大于此環(huán)境載荷，因此，電永磁吸盤(pán)的吸力越大。磁力自動(dòng)泊船的磁力吸盤(pán)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(pán)利用磁吸力吸附船舶，主要有永磁吸盤(pán)、電磁吸盤(pán)和電永磁吸盤(pán)三種。

永磁吸盤(pán)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(pán)不滿足泊船要求，也未見(jiàn)報(bào)道永磁吸盤(pán)用于泊船作業(yè)。

電磁吸盤(pán)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(pán)。由開(kāi)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(pán)可設(shè)計(jì)成大型化[5]。電磁吸盤(pán)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(pán)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(pán)吸力大，可提供足夠的吸附力。電永磁吸盤(pán)吸合及脫開(kāi)船體可由電開(kāi)關(guān)控制，但與電磁吸盤(pán)不同在于，電永磁吸盤(pán)僅吸合及脫開(kāi)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(pán)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(pán)的原理

2.1 電永磁吸盤(pán)的原理

電永磁吸盤(pán)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?chē)p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(pán)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(pán)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?chē)匿X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(pán)處于對(duì)外充磁狀態(tài)。吸盤(pán)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(pán)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(pán)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(pán)內(nèi)部形成閉合回路，對(duì)外無(wú)磁路，吸盤(pán)處于對(duì)外退磁狀態(tài)。

2.2 電永磁吸盤(pán)的磁吸力

電永磁吸盤(pán)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(pán)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(pán)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(pán)和工件之間氣隙磁通密度或磁通的平方成正比，也與吸盤(pán)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(pán)的磁吸力。

要增大磁通密度通?？刹捎脙煞N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(pán)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(pán)的吸力。因此，應(yīng)從這兩方面進(jìn)行研究電永磁吸盤(pán)，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(pán)設(shè)計(jì)

3.1 電永磁吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

電永磁吸盤(pán)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(lèi)電永磁吸盤(pán)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(pán)內(nèi)部相互抵消，磁力消失卸載工件。此種電永磁吸盤(pán)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(lèi)吸盤(pán)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(pán)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(lèi)結(jié)構(gòu)的電永磁吸盤(pán)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?chē)A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(pán)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(pán)中，圓形結(jié)構(gòu)的吸盤(pán)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(pán)。吸盤(pán)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(pán)設(shè)計(jì)

不同結(jié)構(gòu)的電永磁吸盤(pán)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(pán)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(pán)的上表面積沒(méi)有得到充分利用，實(shí)際減小了吸盤(pán)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(pán)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(pán)

4 結(jié)語(yǔ)

電永磁吸盤(pán)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(pán)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(pán)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(pán)獲得較大的磁吸力。