基于双侧<strong>Halbach</strong>阵列可靠稳定吸附的永磁轮设计与参数优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.142

工程设计学报

2026, Vol. 33

Issue (2): 275-284 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.142

可靠性与保质设计

基于双侧Halbach阵列可靠稳定吸附的永磁轮设计与参数优化

卢炳盛¹(

),唐东林¹(

),胡远遥¹,车健波¹,何媛媛^1,²

^1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500
^2.四川省特种设备检验研究院，四川成都 610000

Design and parameter optimization of permanent magnet wheel based on reliable and stable adhesion of bilateral Halbach arrays

Bingsheng LU¹(

),Donglin TANG¹(

),Yuanyao HU¹,Jianbo CHE¹,Yuanyuan HE^1,²

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
^2.Sichuan Special Equipment Inspection Institute, Chengdu 610000, China

全文: PDF(4080 KB) HTML

摘要：

为提升永磁吸附爬壁机器人在导磁壁面上的负载能力与机动性能，提出了一种双侧Halbach永磁轮结构，旨在解决传统单侧Halbach永磁轮吸附力不可调、整体吸附力较小以及在周向转动过程中吸附力波动大的问题。该结构通过内、外侧永磁轮的协同作用，实现了吸附性能的增强与吸附力波动的有效抑制。基于磁偶极子理论与麦克斯韦应力张量法，构建了双侧Halbach永磁轮的吸附力理论模型，并通过有限元分析验证了其准确性。同时，构建了评估永磁轮吸附性能的参数指标，重点分析了内、外侧永磁轮之间的相对转角对吸附力调控效果的影响，并对相对转角进行了优化。最后，搭建了永磁轮吸附性能测试实验平台以开展实测研究。结果显示：当双侧Halbach永磁轮的相对转角为35°时，其平均吸附力达到187.955 N，吸附力波动系数降至0.057；相较于传统的单侧永磁轮结构，其平均吸附力提高了114.004%，吸附力波动系数降低了89.366%。研究表明，双侧Halbach永磁轮结构通过相对转角的调节作用，实现了吸附性能的显著增强与可控调节，为高性能永磁吸附系统的设计提供了理论支撑和实践指导，这对提升工业自动化设备的可靠性与安全性具有重要意义。

关键词： 爬壁机器人; Halbach永磁轮式吸附; 吸附稳定性; 参数优化

Abstract:

In order to improve the load-bearing capacity and mobility of permanent magnet adhesion wall-climbing robots on ferromagnetic surfaces, a bilateral Halbach permanent magnet wheel structure is proposed, aiming to address the issues of non-adjustable adhesion force, low overall adhesion force, and large adhesion force fluctuations during circumferential rotation of traditional unilateral Halbach permanent magnet wheels. This structure achieved the enhancement of adhesion performance and effectively suppressed adhesion force fluctuations through the collaborative action of the inner and outer permanent magnet wheels. Based on the theory of magnetic dipoles and the Maxwell stress tensor method, an adhesion force theoretical model of the bilateral Halbach permanent magnet wheel was constructed and its accuracy was verified through the finite element analysis. Meanwhile, parameter indicators for evaluating the adhesion performance of the permanent magnet wheel were established. The influence of the relative rotation angle between the inner and outer permanent magnet wheels on the adhesion force regulation effect was analyzed in detail, and the relative rotation angle was optimized. Finally, an experimental platform for testing permanent magnet wheel adhesion performance was built and the practical research was conducted. The results showed that when the relative rotation angle of the bilateral Halbach permanent magnet wheel was 35°, its average adhesion force reached 187.955 N, and the adhesion force fluctuation coefficient dropped to 0.057. Compared with the traditional unilateral permanent magnet wheel structure, its adhesion force increased by 114.004%, and the adhesion force fluctuation coefficient was reduced by 89.366%. The study demonstrates that the bilateral Halbach permanent magnet wheel structure achieves significant enhancement and controllable adjustment of adhesion performance through the regulation of relative rotation angles, providing theoretical support and practical guidance for the design of high-performance permanent magnet adhesion systems, which is of great significance for improving the reliability and safety of industrial automation equipment.

Key words: wall-climbing robot Halbach permanent magnet wheel adhesion adhesion stability parameter optimization

收稿日期: 2025-06-16 出版日期: 2026-04-28

CLC:

TH 122

基金资助: 四川省自然科学基金资助项目(2024NSFSC2003);四川省市场监督管理总局科技项目(SCSJS2024006);南充市-西南石油大学市校科技战略合作项目(23XNSYSX0048);南充市-西南石油大学市校科技战略合作项目(23XNSYSX0061)

通讯作者: 唐东林 E-mail: Cobingo@163.com;tdl840451816@163.com

作者简介: 卢炳盛（2000—），男，硕士生，从事爬壁机器人永磁吸附技术及应用等研究，E-mail: Cobingo@163.com，https://orcid.org/0009-0003-3991-7289

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卢炳盛,唐东林,胡远遥,车健波,何媛媛. 基于双侧Halbach阵列可靠稳定吸附的永磁轮设计与参数优化[J]. 工程设计学报, 2026, 33(2): 275-284.

Bingsheng LU,Donglin TANG,Yuanyao HU,Jianbo CHE,Yuanyuan HE. Design and parameter optimization of permanent magnet wheel based on reliable and stable adhesion of bilateral Halbach arrays[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2026, 33(2): 275-284.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.142 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2026/V33/I2/275

图1 双侧Halbach永磁轮结构示意

图2 双侧Halbach永磁轮内部磁块的磁化方式

图3 磁块到观测点的距离示意图

图4 单侧Halbach永磁轮内部磁感线分布

图5 单侧Halbach永磁轮的吸附力与壁面厚度、壁面间距的关系

图6 单侧Halbach永磁轮有限元仿真模型

图7 单侧Halbach永磁轮周向转动过程中的吸附力变化曲线

图8 双侧Halbach永磁轮周向转动过程中的吸附力变化曲线

相对转角 $θ r e l / (°)$	平均吸附力 $F m e a n / N$	吸附力波动幅度 $? F$ /N	吸附力波动系数C_F
0	199.878	80.132	0.401
15	199.129	62.873	0.316
30	190.671	24.597	0.129
45	182.377	24.803	0.136
60	174.326	77.083	0.442
75	168.842	117.893	0.698
90	168.052	126.142	0.751

表1 0°~90°相对转角下双侧Halbach永磁轮周向转动过程中的吸附力评价指标

相对转角 $θ r e l / (°)$	平均吸附力 $F m e a n / N$	吸附力波动幅度 $? F$ /N	吸附力波动系数C_F
30	190.671	24.597	0.129
31	190.137	21.866	0.115
32	189.598	18.960	0.100
33	189.054	16.259	0.086
34	188.506	13.384	0.071
35	187.955	10.713	0.057
36	187.401	11.244	0.060
37	186.845	11.024	0.059
38	186.287	11.364	0.061
39	185.727	12.072	0.065
40	185.167	13.147	0.071
41	184.607	14.769	0.080
42	184.048	16.748	0.091
43	183.489	19.266	0.105
44	182.932	21.952	0.120
45	182.377	24.803	0.136

表2 30°~45°相对转角下双侧Halbach永磁轮周向转动过程中的吸附力评价指标

图9 Halbach永磁轮周向转动过程中的吸附力变化曲线

图10 Halbach永磁轮吸附性能测试实验平台

图11 Halbach永磁轮周向转动过程中的吸附力对比

[1]	YANG P， SUN L Y， ZHANG M L. Design and analysis of a passive adaptive wall-climbing robot on variable curvature ship facades［J］. Applied Ocean Research， 2024， 143： 103879.
[2]	SYRYKH N V， CHASHCHUKHIN V G. Wall-climbing robots with permanent-magnet contact devices： design and control concept of the contact devices［J］. Journal of Computer and Systems Sciences International， 2019， 58（5）： 818-827.
[3]	SONG Y F， YANG Z Y， CHANG Y， et al. Design and analysis of a wall-climbing robot with passive compliant mechanisms to adapt variable curvatures walls［J］. Robotica， 2024， 42（4）： 962-976.
[4]	FAN J Z， XU T， FANG Q Q， et al. A novel style design of a permanent-magnetic adsorption mechanism for a wall-climbing robot［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2020， 12（3）： 035001.
[5]	李安，陶波，丁汉. 磁吸附爬壁机器人研究进展及其应用探索［J］. 机器人， 2025， 47（1）： 123-144. doi：10.13973/j.cnki.robot.240045 LI A， TAO B， DING H. Research progress and application of magnetic adhesion wall-climbing robots［J］. Robot， 2025， 47（1）： 123-144. doi: 10.13973/j.cnki.robot.240045
[6]	楼飞，王湘鹤，张翼旺，等. 基于永磁吸附的船体维护爬壁机器人设计［J］. 机电工程技术， 2024， 53（5）： 113-117， 132. doi：10.3969/j.issn.1009-9492.2024.05.025 LOU F， WANG X H， ZHANG Y W， et al. Design of hull maintenance wall climbing robot based on permanent magnet adsorption［J］. Mechanical & Electrical Engineering Technology， 2024， 53（5）： 113-117， 132. doi: 10.3969/j.issn.1009-9492.2024.05.025
[7]	LIN S， SONG Y F， WANG H G， et al. Variable curvature adaptation and transformation flow of a passive-compliant magnetic wheeled wall-climbing robot［J］. Mechanism and Machine Theory， 2023， 189： 105440.
[8]	WANG B Y， LI P X， LI P B， et al. Development of a wheeled wall-climbing robot with an internal corner wall adaptive magnetic adhesion mechanism［J］. Journal of Field Robotics， 2025， 42（1）： 97-114.
[9]	钟道方，田颖，张明路. 轮腿式爬壁机器人的永磁吸附装置设计与优化［J］. 工程设计学报， 2022， 29（1）： 41-50. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.007 ZHONG D F， TIAN Y， ZHANG M L. Design and optimization of permanent magnet adsorption device for wheel-legged wall-climbing robot［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2022， 29（1）： 41-50. doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.007
[10]	ZHANG D， LI Z H， JIA P， et al. Optimization design and trajectory error compensation of a facade-adaptive wall-climbing robot［J］. Symmetry， 2023， 15（2）： 255.
[11]	张栋，杨培，黄哲轩，等. 爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化［J］. 工程设计学报， 2023， 30（3）： 334-341. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.031 ZHANG D， YANG P， HUANG Z X， et al. Design and optimization of pendulous magnetic adsorption mechanism for wall-climbing robots［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2023， 30（3）： 334-341. doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.031
[12]	胡晓林，郭润兰，黄华，等. 变曲率立面自适应爬壁机器人结构的设计与分析［J］. 机器人， 2024， 46（5）： 576-590. HU X L， GUO R L， HUANG H， et al. Design and analysis on an adaptive wall-climbing robot structure for variable curvature facade［J］. Robot， 2024， 46（5）： 576-590.
[13]	邱仕诚，伍剑波，赵恒忠，等. 一种基于磁力吸附的储罐爬壁机器人本体设计［J］. 中国机械工程， 2022， 33（3）： 270-278. doi：10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.003 QIU S C， WU J B， ZHAO H Z， et al. Body design of a storage tank wall-climbing robot based on magnetic adsorption［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（3）： 270-278. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.03.003
[14]	GAO S， HOU R L， LI J， et al. Magnetic field analysis and structure design of a new magnetic wheel for wall-climbing robot［J］. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism， 2022， 35（2）： 529-537.
[15]	CHEN J K， HE K， FANG H T， et al. Design and simulation analysis of a magnetic adsorption mechanism for a wall-climbing robot［C］//Intelligent Robotics and Applications. Cham： Springer， 2021： 147-157.
[16]	ETO H， ASADA H H. Development of a wheeled wall-climbing robot with a shape-adaptive magnetic adhesion mechanism［C］//2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Paris， May 31-Aug. 31， 2020.
[17]	JIANG Z， ZHAO Z， CHEN B， et al. Design and analysis of a passive adaptive wall-climbing robot based on five-bar mechanisms［J］. Ocean Engineering， 2024， 298： 117140.
[18]	JIAO S L， ZHANG X J， ZHANG X， et al. Magnetic circuit analysis of Halbach array and improvement of permanent magnetic adsorption device for wall-climbing robot［J］. Symmetry， 2022， 14（2）： 429.
[19]	YAN C F， SUN Z G， ZHANG W Z， et al. Design of novel multidirectional magnetized permanent magnetic adsorption device for wall-climbing robots［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing， 2016， 17（7）： 871-878.
[20]	杨培，张明路，孙凌宇. 爬壁机器人磁吸附模块设计分析与结构参数优化［J］. 工程设计学报， 2024， 31（5）： 592-602. YANG P， ZHANG M L， SUN L Y. Design analysis and structural parameter optimization for magnetic adsorption module of wall-climbing robot［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2024， 31（5）： 592-602.

[1]	梁栋,王旭,王超,贾涵杰,徐向阳. 基于宏观参数优化与微观修形的高空风力发电空-地能量转换装置齿轮箱多目标优化[J]. 工程设计学报, 2026, 33(1): 95-105.
[2]	喻曹丰,胡逸凯,段永勇,魏梓贤,王宁. 基于响应面法的高压共轨式超磁致伸缩喷油器响应时间优化[J]. 工程设计学报, 2025, 32(3): 373-382.
[3]	张坤,郭宏亮,石有圣,李洪凯,赵栋杰. 精密磨床液体静压导轨承载特性分析与参数优化[J]. 工程设计学报, 2025, 32(3): 393-402.
[4]	李享,李科,张明路,高春艳,李满宏. 风电塔筒用变曲率自适应爬壁机器人运动特性分析与磁吸附模块优化[J]. 工程设计学报, 2025, 32(2): 169-181.
[5]	楚凯,张宇,王家梁,周浩,舒申,胡俊峰. 基于Kresling折纸结构的气动爬壁机器人设计与性能分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(2): 182-190.
[6]	覃超,唐东林,游东潘,丁超,饶胜,何媛媛. 基于改进RTAB-Map算法的爬壁机器人导航研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(1): 32-41.
[7]	杨培,张明路,孙凌宇. 爬壁机器人磁吸附模块设计分析与结构参数优化[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 592-602.
[8]	张栋,杨培,黄哲轩,孙凌宇,张明路. 爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 334-341.
[9]	张鹏程,牛建业,刘承磊,宋井科,王立鹏,张建军. 牵引式下肢康复机器人机构参数优化及轨迹规划[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 695-704.
[10]	张文豪,班传文,李松梅. 基于离散元法的双组份复合涂料搅拌螺杆参数优化[J]. 工程设计学报, 2022, 29(5): 547-554.
[11]	钟道方, 田颖, 张明路. 轮腿式爬壁机器人的永磁吸附装置设计与优化[J]. 工程设计学报, 2022, 29(1): 41-50.
[12]	唐东林, 龙再勇, 汤炎锦, 潘峰, 游传坤. 储罐检测爬壁机器人全遍历路径规划[J]. 工程设计学报, 2020, 27(2): 162-171.
[13]	汤亮, 何仁杰, 龚发云, 李飞扬, 刘冠军, 杨敏. 变风载下风电齿轮箱内部激励规律研究及动态特性优化[J]. 工程设计学报, 2020, 27(2): 212-222.
[14]	刘春青, 王文汉. 基于人工神经网络-遗传算法的展成法球面精密磨削参数优化[J]. 工程设计学报, 2019, 26(4): 395-402.
[15]	唐东林, 李茂扬, 丁超, 魏子兵, 胡琳, 袁波. 轮式爬壁机器人转向稳定性研究[J]. 工程设计学报, 2019, 26(2): 153-161.

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