磁力自動泊船設備的電永磁吸盤設計

張子晨ZHANG Zi-chen；王寶WANG Bao；乜瑞程NIE Rui-cheng；王愷WANG Kai；李玉寶LI Yu-bao

（江蘇海事職業技術學院輪機電氣與智能工程學院，南京 211170）

0 引言

幾千年來，船舶的停泊都采用纜繩系泊方式，通過船上和岸上人員協同拋、系纜繩，利用纜繩將船舶穩定地停靠在港口碼頭。隨著全球水上交通貿易體量不斷增大，船舶大型化、裝卸效率提升、頻繁的系靠泊作業已成常態，對船舶運輸安全與效率提出了更高要求[1]。纜繩系泊方式耗時長、效率低及人員安全隱患問題更為凸顯。現代化港口航運業亟需開發安全快捷的船舶系泊裝置，以替代傳統人工帶纜系泊。

“高效、節能、安全”理念已滲透進船舶運輸的各個過程環節，推動泊船技術研究發展。無纜系泊方式即使用吸盤代替傳統纜繩的新型自動泊船方式技術得到極大關注[2]。其中磁力泊船是利用磁力吸附船體實現船只停泊的新型泊船方式。在荷蘭、德國、芬蘭、澳大利亞、英國等港口發達國家研發的電磁泊船裝置已取代纜繩，用于貨船、擺渡客輪自動停泊。磁力泊船方式在安全性、泊船效率和自動化程度上呈現巨大優勢，已成為泊船領域重要的技術發展方向[3-4]。

磁力吸盤是磁力泊船裝置的關鍵部件，其磁性能直接影響泊船安全及效率。本文根據船舶停靠泊需求，基于電磁感應原理和磁場疊加原理，設計了一種電永磁吸盤，滿足了磁力大、能耗低且控制性能優的泊船需求。

1 磁力吸盤的性能要求

1.1 磁力自動泊船裝置構造

磁力自動泊船裝置利用裝置前端的磁力吸盤吸附船體舷側，裝置后端的主體機構柔性限制固定船舶。如圖1所示的磁力自動泊船裝置可配置自動控制系統，控制前端磁力吸盤自動吸附船舶、后端主體機構自動調節柔性固定船舶，實現自動泊船。與纜繩系泊方式相比，磁力自動泊船利用磁吸吸盤自動伸出并吸附船體，無需人工拋系纜作業，能大大縮短船舶停泊時間，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，是磁力自動泊船裝置關鍵部件。

圖1 磁力自動泊船裝置

1.2 根據自動泊船需求確定磁力吸盤類型

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

①足夠大的磁吸力，確保停靠過程中吸附牢靠，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磁場深度小于船體側舷板厚度，不能穿透船體側舷板進入船體內部。

磁力的產生主要來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產生磁吸力，雖不需要電源,無停電之憂，但是磁力不可調節且普遍較小，不能電氣控制與調節。顯然，永磁吸盤不滿足泊船要求，也未見報道永磁吸盤用于泊船作業。

電磁吸盤是利用線圈通電產生電磁場而獲得磁吸力的一種可控吸盤。由開關控制電磁線圈，操作效率高，容易實現和機械動作聯動的自動化，吸力大小可進行電氣控制，吸盤可設計成大型化[5]。電磁吸盤的電磁場需用電力維持，大的磁吸力需要大電流，而長達幾十個小時的碼頭停泊時間，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險。

電永磁技術是基于電磁感應原理和磁場疊加原理發展的一種磁控技術[6]。電永磁技術利用電磁線圈控制副永磁綜合應用了永磁體磁能大和電磁體控制性能好的優點，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控制，但與電磁吸盤不同在于，電永磁吸盤僅吸合及脫開時瞬時用電，其他時段均不需電力。相比之下，電永磁吸盤方式由于無需電力來維持磁場力，一方面可以大幅節省電能，另一方面在吸合時，萬一發生電源故障或停電，也無消磁導致船舶失控離泊之擾。

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。可逆磁體周圍纏繞電線圈，作為勵磁線圈。通過勵磁線圈中的脈沖電流產生電磁場，可改變可逆磁體的磁場方向，實現對吸盤內部磁路的控制與轉換，從而實現對外充磁或消磁。釹鐵硼永磁材料具有較高的磁能積、較強的矯頑力和極好的性價比，可提供無源、高穩定性的強磁場；鋁鎳鈷永磁材料具有高剩余磁感強度和較小矯頑力，在勵磁磁場作用下獲得高的強磁場，且充退磁比較容易。磁極塊及磁軛一般采用具有較好的導磁性、加工性能和機械強度的軟磁材料電永磁吸盤工作原理如下[7]：

①勵磁線圈通入正向脈沖電流產生磁場。現場所形成的強電磁場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與釹鐵硼主磁體的磁場相互疊加，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，經過外部導磁工件和磁軛（或磁極塊）回到各自的S 極，吸盤處于對外充磁狀態。吸盤磁場可通過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對勵磁線圈通入反向的瞬時電流，勵磁線圈形成反向磁場，使鋁鎳鈷磁鋼反向磁化，形成反向的N 極和S極。釹鐵硼的磁場和鋁鎳鈷磁鋼的磁場在吸盤內部相互抵消，其磁力線分布如圖2（b）所示，疊加的磁場在吸盤內部形成閉合回路，對外無磁路，吸盤處于對外退磁狀態。

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，可認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，使其產生的磁場比較強，根據磁通的連續性原理在接觸面積一定時可獲得較大的磁通密度；

②合理設計電永磁吸盤內的電磁磁路和永磁磁路，以獲得最佳的磁路結構，提高間隙的磁通密度，增加電永磁吸盤的吸力。因此，應從這兩方面進行研究電永磁吸盤，以獲得大的磁吸力。

增大接觸面積則可通過改善接觸表面質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剛柔度匹配，增加接觸面積。

3 磁力自動泊船的電永磁吸盤設計

3.1 電永磁吸盤的結構類型

電永磁吸盤的結構一般有3 種形式。

①主磁體與可逆磁體上下布置結構。

如圖3 所示，該類電永磁吸盤結構中，主磁體與可逆磁體呈上下布置疊放，兩側是導通磁通的磁軛。通過改變勵磁線圈中電流大小和方向來改變可逆磁體的磁場方向，當可逆磁體與主磁體磁場方向相同時，磁場相互疊加對外產生吸力，當兩磁體的方向相反時，二者產生的磁場在吸盤內部相互抵消，磁力消失卸載工件。此種電永磁吸盤結構適合在高度方向不受限制，而在長寬方向受限制的場合。

圖3 主磁體與可逆磁體上下布置結構

②主磁體與可逆磁體水平布置的結構。

圖4所示的此類吸盤結構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，吸附工件時磁通為上下方向，退磁時磁通為水平方向。此電永磁吸盤結構適合在長寬方向不受限制而高度受限制的場合。

圖4 主磁體與可逆磁體水平布置結構

③圓型結構。

圖5所示的此類結構的電永磁吸盤的主磁體為6 個扇環形磁體，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。圓型結構的電永磁吸盤對可逆磁體有最大的勵磁效率，即在同樣的勵磁功率下，同樣面積不同結構的電永磁吸盤中，圓形結構的吸盤的單位面積吸力最大。

以上三種機構既可以是單個磁極單元，也可以是由多個單元塊組成一個比較大的吸盤。吸盤大小則根據工作吸力需要和工作環境進行選用。

3.2 磁力自動泊船裝置的電永磁吸盤設計

不同結構的電永磁吸盤中，圓型結構磁極單元具有最大的單位面積吸力，但是當多個圓型磁極單元組成一個大吸盤時，在各個圓形結構之間存在一定的間隙。由于這些間隙部分是沒有磁力，吸盤的上表面積沒有得到充分利用，實際減小了吸盤的單位面積吸力。

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

圖6 六棱柱型圓型結構電永磁吸盤

4 結語

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