Design and optimization of the permanent magnet assembly for wall-climbing robots based on Halbach

SHEN Shunxi; CHEN Lizhi; TU Degui; CHEN Shudong; GUO Jinquan; ZHANG Liwei

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.016

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Design and optimization of the permanent magnet assembly for wall-climbing robots based on Halbach

·Optimization·Reliability· | 更新时间：2025-11-26

- Design and optimization of the permanent magnet assembly for wall-climbing robots based on Halbach
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 11, Pages: 135-141(2025)
- 作者机构：
  
  1.福建永越智能科技股份有限公司，福州 350001
  2.福州大学机械工程及自动化学院，福州 350116
- 作者简介：
  
  SHEN Shunxi, E-mail: 15985705866@163.com
- 基金信息：
  
  Innovation Fund Project for Technology-Based SMEs in Fujian Province(2024C0004)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.016
  CLC： TP242.2
- Received：07 March 2025，
  
  Revised：2025-05-03，
  
  Published：15 November 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
沈顺喜，陈立志，涂德贵，等. 基于Halbach的爬壁机器人永磁组件的设计与优化［J］. 机械强度，2025，47（11）：135-141.

SHEN Shunxi，CHEN Lizhi，TU Degui，et al. Design and optimization of the permanent magnet assembly for wall-climbing robots based on Halbach［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：135-141.
沈顺喜，陈立志，涂德贵，等. 基于Halbach的爬壁机器人永磁组件的设计与优化［J］. 机械强度，2025，47（11）：135-141. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.016.

SHEN Shunxi，CHEN Lizhi，TU Degui，et al. Design and optimization of the permanent magnet assembly for wall-climbing robots based on Halbach［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：135-141. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.016.

摘要

针对传统爬壁机器人永磁组件吸附力与重量失衡、漏磁严重及吸附效率低的问题，为提升其在钢制壁面的磁吸附性能，满足船舶、塔筒等复杂环境作业需求，开展了Halbach永磁组件的设计与优化研究。选用N40M钕铁硼与Q235钢分别作为永磁体与轭铁材料，设计了类梯形Halbach永磁组件，上侧增设轭铁以引导磁感线减小漏磁，侧边不设轭铁；基于麦克斯韦方程组与应力张力法，建立了吸附力有限元仿真模型，采用控制变量法系统分析组件长度、宽度、厚度及轭铁厚度的影响；在尺寸约束下，通过非线性规划（Method of Moving Asymptotes

MMA）算法优化参数，搭建了岛津AGX-V2型拉伸机试验台，验证了仿真结果的正确性。结果表明，优化后吸附力从3 500.6 N提升至3 755.3 N，增幅7.28%；试验与仿真曲线趋势一致，最大吸附力偏差为8.1%，验证了仿真模型的准确性，为爬壁机器人吸附系统优化提供依据。

Abstract

Aimed at the problems of unbalanced adsorption force and weight

severe magnetic flux leakage

and low adsorption efficiency of permanent magnet assemblies in traditional wall-climbing robots

to improve their magnetic adsorption performance on steel walls and meet the operation requirements in complex environments such as ships and tower drums

a study on the design and optimization of Halbach permanent magnet assemblies was carried out. N40M neodymium-iron-boron and Q235 steel were selected as the permanent magnet and yoke materials respectively

and a trapezoid-like Halbach permanent magnet assembly was designed. A yoke was added on the upper side to guide magnetic induction lines and reduce magnetic flux leakage

while no yoke was arranged on the side. Based on Maxwell's equations and the stress tensor method

a finite element simulation model of adsorption force was established. The control variable method was adopted to systematically analyze the influences of assembly length

width

thickness

and yoke thickness. Under size constraints

parameters were optimized via the nonlinear programming method of moving asymptotes (MMA) algorithm. Finally

a Shimadzu AGX-V2 tensile testing machine platform was built

loaded at a speed of 0.2 mm/s with equipment gravity deducted

to verify the simulation results.After optimization

the adsorption force was increased from 3 500.6 N to 3 755.3 N

with an increase of 7.28%. The test and simulation curves showed a consistent trend

and the maximum adsorption force deviation was 8.1%

which verified the accuracy of the simulation model and provided a basis for the optimization of the adsorption system of wall-climbing robots.

关键词

Keywords

references

赵智浩，陶友瑞，裴佳星，等 . 履带式爬壁机器人磁吸附单元的参数分析与优化［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 3 ）： 626 - 632 .

ZHAO Zhihao ， TAO Yourui ， PEI Jiaxing ， et al . Parameter analysis and optimization of magnetic adsorption unit for crawler wall-climbing robot ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 626 - 632 . （In Chinese）

马吉良，彭军，郭艳婕，等 . 爬壁机器人研究现状及发展趋势［J］. 机械工程学报， 2023 ， 59 （ 5 ）： 11 - 28 .

MA Jiliang ， PENG Jun ， GUO Yanjie ， et al . Research status and development trend of wall climbing robot ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2023 ， 59 （ 5 ）： 11 - 28 . （In Chinese）

ZHANG Z Q ， LU L J ， YI Y P . A novel graphene-based Fe 3 O 4 nanocomposite for magnetic particle inspection ［J］. Materials Testing ， 2021 ， 63 （ 1 ）： 92 - 96 .

FANG Y ， WANG S ， BI Q S ， et al . Design and technical development of wall-climbing robots：a review ［J］. Journal of Bionic Engineering ， 2022 ， 19 （ 4 ）： 877 - 901 .

JI H F ， LI P X ， WANG Z Q . Analysis and simulation of permanent magnet adsorption performance of wall-climbing robot ［J］. Actuators ， 2024 ， 13 （ 9 ）： 337 .

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 .

LI An ， TAO Bo ， DING Han . Research progress and application of magnetic adhesion wall-climbing robots ［J］. Robot ， 2025 ， 47 （ 1 ）： 123 - 144 . （In Chinese）

孙天圣，刘芳华，江来，等 . 基于Halbach阵列的爬壁机器人永磁吸附模块优化设计［J］. 机械与电子， 2023 ， 41 （ 10 ）： 54 - 59 .

SUN Tiansheng ， LIU Fanghua ， JIANG Lai ， et al . Optimal design of permanent magnet adsorption module based on Halbach array for wall-climbing robot ［J］. Machinery & Electronics ， 2023 ， 41 （ 10 ）： 54 - 59 . （In Chinese）

刘俊锋，洪晓玮，陈勇，等 . 大型钢结构巡检爬壁机器人永磁轮优化设计［J］. 制造业自动化， 2022 ， 44 （ 1 ）： 46 - 50 .

LIU Junfeng ， HONG Xiaowei ， CHEN Yong ， et al . The optimization design on the permanent magnetic wheel of a wall-climbing robot for large steel structure inspection ［J］. Manufacturing Automation ， 2022 ， 44 （ 1 ）： 46 - 50 . （In Chinese）

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 .

ZHANG Y L ， GUAN E G ， LI P X ， et al . A novel magnetic circuit design method for a permanent magnetic chuck of a wall-climbing robot ［J］. Energies ， 2022 ， 15 （ 18 ）： 6653 .

刘峰，钟舜聪，伏喜斌，等 . 基于Halbach阵列的爬壁机器人磁吸附研究［J］. 机电工程， 2020 ， 37 （ 10 ）： 1251 - 1256 .

LIU Feng ， ZHONG Shuncong ， FU Xibin ， et al . Study on magnetic adsorption based on Halbach array for wall-climbing robot ［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering ， 2020 ， 37 （ 10 ）： 1251 - 1256 . （In Chinese）

杨培，张明路，孙凌宇 . 爬壁机器人磁黏附模块设计分析与参数优化［J/OL］. 工程设计学报， 2024 ： 1 - 10 ［ 2025-09-22 ］. https：//link.cnki.net/urlid/33.1288.TH.20240403.1506.002 https://link.cnki.net/urlid/33.1288.TH.20240403.1506.002 .

YANG Pei ， ZHANG Minglu ， SUN Lingyu . Design analysis and parameter optimization of magnetic adhesion module of wall-climbing robot ［J/OL］. Chinese Journal of Engineering Design ， 2024 ： 1 - 10 ［ 2025-09-22 ］. https：//link.cnki.net/urlid/33.1288.TH.20240403.1506.002 https://link.cnki.net/urlid/33.1288.TH.20240403.1506.002 . （In Chinese）

张小俊，吴亚淇，刘昊学，等 . 轮足式磁吸附越障爬壁机器人设计与分析［J］. 机械工程学报， 2024 ， 60 （ 1 ）： 248 - 261 .

ZHANG Xiaojun ， WU Yaqi ， LIU Haoxue ， et al . Design and analysis of wheel-footed magnetic adsorption wall-climbing robot with passing obstacles capability ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2024 ， 60 （ 1 ）： 248 - 261 . （In Chinese）

SUN R X ， ZHENG J ， LI H T ， et al . Halbach structure parameter optimization by Maxwell tensor method for PML in manned hybrid maglev ［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials ， 2024 ， 610 ： 172566 .

刘仲武，何家毅 . 钕铁硼永磁晶界扩散技术和理论发展的几个问题［J］. 金属学报， 2021 ， 57 （ 9 ）： 1155 - 1170 .

LIU Zhongwu ， HE Jiayi . Several issues on the development of grain boundary diffusion process for Nd-Fe-B permanent magnets ［J］. Acta Metallurgica Sinica ， 2021 ， 57 （ 9 ）： 1155 - 1170 . （In Chinese）

周寿增，董清飞 . 超强永磁体：稀土铁系永磁材料［M］. 2版 . 北京：冶金工业出版社， 2004 ： 491 - 498 .

ZHOU Shouzeng ， DONG Qingfei . Super permanent magnet：rare earth iron-based permanent magnet material ［M］. 2nd ed . Beijing ： Metallurgical Industry Press ， 2004 ： 491 - 498 . （In Chinese）

姚震球，安帅，凌宏杰，等 . 瓦形磁吸单元磁路设计及其力学特性研究［J］. 机床与液压， 2023 ， 51 （ 24 ）： 140 - 145 .

YAO Zhenqiu ， AN Shuai ， LING Hongjie ， et al . Magnetic circuit design and mechanical properties study of tile-shaped magnetic adsorption unit ［J］. Machine Tool & Hydraulics ， 2023 ， 51 （ 24 ）： 140 - 145 . （In Chinese）

王吉岱，辛加旭，孙爱芹，等 . 基于ANSYS的爬壁机器人永磁轮吸附装置的设计与优化［J］. 科学技术与工程， 2020 ， 20 （ 17 ）： 6931 - 6937 .

WANG Jidai ， XIN Jiaxu ， SUN Aiqin ， et al . Design and optimization of permanent magnet wheel adsorption device for wall-climbing robot based on ANSYS ［J］. Science Technology and Engineering ， 2020 ， 20 （ 17 ）： 6931 - 6937 . （In Chinese）

骆杨，张兴国，徐康 . 爬壁机器人磁吸附结构的磁路优化设计与试验分析［J］. 机床与液压， 2021 ， 49 （ 23 ）： 61 - 66 .

LUO Yang ， ZHANG Xingguo ， XU Kang . Optimal design and experimental analysis of magnetic circuit of magnetic adsorption structure of the wall-climbing robot ［J］. Machine Tool & Hydraulics ， 2021 ， 49 （ 23 ）： 61 - 66 . （In Chinese）

苏忠富，莫丽，郭振兴，等 . 基于Halbach阵列的新型吸附结构设计及其优化［J］. 陕西科技大学学报， 2024 ， 42 （ 5 ）： 149 - 156 .

SU Zhongfu ， MO Li ， GUO Zhenxing ， et al . Design and optimization of novel adsorption structures based on Halbach arrays ［J］. Journal of Shaanxi University of Science & Technology ， 2024 ， 42 （ 5 ）： 149 - 156 . （In Chinese）

张永杰，张诺，杨振，等 . 船用机器人爬壁平台研究进展［J］. 应用力学学报， 2024 ， 41 （ 1 ）： 25 - 35 .

ZHANG Yongjie ， ZHANG Nuo ， YANG Zhen ， et al . Advances in research on wall climbing platform for marine robots ［J］. Chinese Journal of Applied Mechanics ， 2024 ， 41 （ 1 ）： 25 - 35 . （In Chinese）

樊昂，李录平，刘瑞，等 . 不同风速对单桩式海上风电动机组塔筒动态特性的影响［J］. 发电技术， 2024 ， 45 （ 2 ）： 312 - 322 .

FAN Ang ， LI Luping ， LIU Rui ， et al . Research on dynamic characteristics of monopile offshore wind turbine tower under different wind speed conditions ［J］. Power Generation Technology ， 2024 ， 45 （ 2 ）： 312 - 322 . （In Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Study on structural design and energy absorption characteristics of protective devices under the super⁃large impact load

RESEARCH ON INFLUENCES OF DRILLING VERTICALITY ON BEARING CAPACITY OF RIVETS UNDER THE AXIAL VIBRATION LOAD

Research on tool wear and surface quality of ultrasonic vibration assisted drilling HR-2 hydrogen resistant steel deep small holes

STRENGTH SIMULATION AND TOPOLOGY OPTIMIZATION DESIGN OF OFF-ROAD VEHICLES’ HUB MOTOR HOUSING

Study on elastic properties of re-entrant regular tetrahedral cell of novel negative poisson ratio materials

Related Author

WEI Tieping

KOU Chao

LIN Shuo

LIN Zupeng

ZENG Shoujin

GUO Jinquan

LI Chuanzhao

ZHANG Hui

Related Institution

Fujian Key Laboratory of Force Measurement, Fujian Institute of Metrology

Fujian Key Laboratory of Intelligent Machining Technology and Equipment

School of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology

School of Civil Aviation, Shenyang Aerospace University

Shenyang Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Shenyang 110034, China］

⁰