用于水下机器人抛载装置水下电磁铁总体设计

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1、用于水下机器人抛载装置水下电磁铁总体设计　　摘要：抛载装置是水下机器人的重要安全保障措施，要求具备良好的可靠性和维护性能。与目前广泛采用的多种抛载方式相比较，采用水下电磁铁触发机械抛载装置具有动作可靠，结构简单，使用和维护方便的优点。本文通过分析和提出水下机器人对于电磁铁设计参数和使用工况的具体需求，对电磁铁的各个部分进行了总体设计。关键词：水下机器人电磁铁抛载装置中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0001-01水下机器人抛载装置的作用是抛弃压载重物，使水下机器人获得正浮力，研制小型化

2、可靠释放机构对水下机器人的安全运行具有重要意义[1，2，3]。目前已有的各种抛载方式都有一定的技术局限性和作业局限性。电磁铁应用于水下机器人具有一定的优势：结构简单，体积小、行程大、安全可靠性高；能源消耗较小；实时触发，无延时；更换重物操作简便，维护需求低。目前采用电磁铁触发抛载的水下机器人系统都根据自身情况量身定做，不具备通用性，参考资料也少有公开。4本文面向大中型水下机器人的抛载需求，开发设计出一种新型、具有模块化特点、高可靠的通用型水下机器人电磁铁。该电磁铁设计为低压24V启动，尽管这样增加了线圈的尺寸和重量，但可靠性高，响应速度快

3、，而且具有结构紧凑和轻量化的优点。1电磁铁抛载方案的设计电磁铁是一种通电后对铁磁物质产生吸力，把电磁能转换为机械能的装置。电磁铁的应用范围很广，而且结构不十分复杂，制造简单，也便于后续加工。电磁铁一般由线圈、铁心和衔铁三个主要部分所组成。其工作原理在于给线圈通以一定数值的电流后，在铁心、衔铁和气隙之间产生一定数量的磁通Φ。在磁通的作用下，产生一定大小的电磁吸力，将衔铁吸向铁心，将他们之间的气隙减到最小。由此可知，线圈是电磁铁获得电磁能量的源泉，通了电流的线圈就会产生一定的磁势。本文选用螺管式电磁铁，在对螺管式电磁铁通电后，催动衔铁发生直线

4、位移，从而打开释放锁。由于此次设计的电磁铁会应用于水下机器人中，工作的环境是成分复杂同时具有腐蚀性的海水中，因而必须对电磁铁系统进行一定的密封和抗腐蚀设计。基于上述考虑，结合实际抛载要求，初步确定抛载系统的工况参数：抛载重物为30kg；衔铁行程为20mm；推力为2kg。图1为该装置的外观图4。该方案将电磁线圈、衔铁、铁心都容纳到铝合金舱体中，铁芯推杆制造成活塞形式以实现往复行程和滑动密封，内部充变压器油实现压力补偿和内外压力平衡。为了能够使电磁铁通电后避免因为补偿器处O型密封圈的摩擦力迟滞推杆响应速度，压力补偿活塞杆处采用弹簧施加预压力。

5、为保证完成触发行程后推杆能回到初始位置，在后推杆处增加恢复弹簧，以克服回程时的摩擦阻力；前、后推杆上设计了回油孔，以补偿推杆移动时舱体内部油液的空间分布变化。2电磁铁的设计在确定好方案后，参照电磁铁的计算步骤和方法，对电磁铁的各个部分进行初步的计算。根据水下机器人所使用的电源类型可以确定电磁铁为直流电磁铁，额定工作电压V，由于抛载系统只有在上浮和紧急状况下才工作，故一般为单次触发，工作时间较短；且在海水中散热条件好，温升问题不突出，按照短时工作制设计。根据释放锁打开棘爪所需要推动距离和克服弹簧的拉力可以确定电磁铁推杆的工作行程=2cm，净

6、推力4kg。进行电磁铁关键参数的计算。最后，计算线圈工作电流，线圈磁势和消耗功率，为周边电路的设计和电子器件的选择提供参考。电压为额定值时线圈的电流为A4A；电压为额定值时的线圈磁势；电压为额定值时线圈消耗的功率W。3结语本文的主要内容为水下机器人抛载电磁铁结构研究和优化。本文从研究国内外水下机器人抛载装置技术发展现状入手，提出专用的水下机器人抛载装置触发电磁铁设计方案。该方案考虑了压力补偿机构和耐腐蚀性能，使其能够适应深海环境和长期使用的需求。在此基础上，本文以20mm推杆行程和4kg触发力为技术要求，进行了详细设计计算。该方案及其计算

7、过程为同类装置的设计提供了参考。参考文献[1]朱继懋.潜水器设计[M].上海：上海交通大学出版社，1992.[2]（苏）米特里耶夫，著.深潜器设计[M].凌水舟，译.北京：国防工业出版社，1978.[3]封锡盛，刘永宽.自治水下机器人研究开发的现状和趋势[J].高技术通讯，1999，13（9）：55-59.4