郑天云

(甘肃工业职业技术学院 电气工程系，甘肃 天水 741025)

电磁花椒采摘器的设计

郑天云

(甘肃工业职业技术学院 电气工程系，甘肃 天水 741025)

针对花椒树是多尖刺的植物生长特征，提出了利用直流电磁原理设计双盘平板式电磁采摘器的方案，主要由三部分组成，即机械部分、控制部分和电磁部分，其中电磁部分创新的提出了双线圈直流电磁铁同时作用的理念和方法，通过控制部分使磁铁正行程和逆行程安全高效运行，避免了因刺扎手而降低的采摘效率，方案经仿真和实验切实可行。

直流电磁铁；采摘；单刀双掷开关；优化设计；Ansoft Maxwell软件

0 引 言

花椒树是木本佐料植物，其特殊的多尖刺植物形态给采摘带来很大的困难。传统的人工采摘，效率低下，成本较高。尽管市场上也有剪刀式机械采摘器、锯形式(有条形和盘形两种)电动采摘器等。但都因花椒树的多刺、分枝杂乱、稠密等因素而不易灵活操作，且在采摘花椒颗粒的同时，会伤害树叶及第二年的芽苗，所以市场推广不好，为此针对花椒颗粒生长的簇式特征(见图1)及采摘要求，设计出了双盘平板式直流电磁采摘器。该采摘器将簇式花椒颗粒用衔口“拽下”而非其它采摘器的“剪下”或“锯下”，这样既避免了伤害树叶及芽苗，同时没有枝叶等杂质。

图1 花椒簇式特征图

1 机械结构及工作原理

机械结构有上衔口、下衔口、转轴、支架、力臂、软布袋等组成。(见图2)

图2 花椒采摘器机械结构图

上、下衔口的最大张角为30°，对称上下衔口直径为8厘米，衔口边沿宽度为3毫米，并在下衔口边沿上，粘贴带有两个1.5毫米高安全凸点的软橡胶垫圈，并将下衔口所连接的力臂固定于转轴处的支架顶端。上下衔口将花椒颗粒簇吃进闭合时，椒叶从安全凸点预留的1.5毫米缝隙漏出，而花椒颗粒被“拽入”下衔口的软布袋中。上、下衔口采用合页式平板结构，力臂前端为衔口，末端安装直流电磁铁。上力臂=下力臂=8 cm，电磁铁A和电磁铁B的几何形状及电磁参数完全一致，整个结构应上下完全对称。

支架采用可伸缩的空心结构，便于高低、远近灵活采摘。空心便于放置导线及开关。衔口、力臂、支架均采用轻质镍合金材料。

2 控制电路

控制电路的主要功能是控制上、下衔口的张开与闭合，是利用上、下直流电磁铁的吸引与排斥来完成。(见图3)

图3 花椒采摘器电气控制图

工作电压为24 V的直流充电电源.为了防止因电流过大而损毁线圈，在两个线圈回路中分别接入一个1 KΩ的限流电阻。KA为电源总开关，KB为单刀双掷按钮开关。开关安装在手柄处，便于操作。

通过KB控制电磁铁B的电流方向而改变磁铁极性，完成衔口的张开与闭合。在KA闭合的情况下，KB位于2-2＇位置时，直流电流使电磁铁A的极性为上N极下S极，电磁铁B的极性为下N极上S极，此时电磁铁A和电磁铁B正对面极性相同，电磁铁B做相对运动与电磁铁A排斥，通过支点联动使上、下衔口张开，将簇式花椒颗粒吃进衔口。然后将KB置于1-1＇位置，此时电磁铁A的电流方向不变，磁极也不改变。而电磁铁B的电流方向改变了，极性也随之改变，则电磁铁A和电磁铁B的正对面因极性相异而吸合，通过支点联动使衔口闭合，轻微一拽，树叶、芽苗从安全缝隙漏出，花椒颗粒落入袋中，至此完成了一次采摘。

电磁线圈在电源接通、断开及改变电流方向的瞬间，存在一定的互感，但因结构对称且是直流，不影响机构动作，所以可忽略。同时，KB在切换的瞬间，使电磁铁自身产生一定的磁滞[1]，延缓了衔口张开和闭合的速度，更符合实际操作的需求，也降低了机械损伤的风险。

3 电磁参数

3.1 电磁铁的基本概念和主要参数[2]

直流电磁铁的主要特征是磁势NI不变，所以是恒磁动势；吸力与间隙的平方成反比；无需铁芯分磁环且可以获得边沿平坦的吸力特性；无振动及噪音。

因为是直流，所以采用软钢为导磁材料；磁铁形状为圆柱形；周围温度从-30 ℃～+50 ℃；耐热结构应达到80 ℃的温升设计要求。

直流电磁铁的计算需要或确定以下原始数据：

(1)初始电磁吸力Q(kg)

(2)衔铁的行程δ(cm)

(3)工作制系数τ

(4)电磁铁的工作电压U(V)

3.2 园盘平板式电磁铁主要参数的初算

电磁铁的设计方法有两种：经验公式法和仿真设计法。本文采用经验公式法完成[3]

(1)电磁额定吸力公式

(1)

考虑到电磁铁漏磁等因素的影响，在进行电磁吸力计算时应增加额定吸力的30%[4]。式中B为气隙中的磁通密度(高斯)。因为是长期短时反复工作制，所以B应提高10%～15%，同时确定τ<1。

(2)铁心半径

(2)

(3)线圈的总磁动势方程

(3)

KCT=1.2～1.55，因为试验表明，导磁体内磁动势占电磁铁总磁动势的10%～25%，非工作气隙中的磁动势占总磁动势的5%～10%，则材料选择最经济。

(4)确定线圈的长度

(4)

式中ρ漆包线的电阻率，K散热系数，f填充系数,θ温升.

(5)线圈的内径

D1=D0+2Φ(cm)

(5)

式中Φ为线圈和铁心之间间隙,一般为0.05～0.1(cm)可忽略，所以线圈的内径D1≈D0。

线圈的外径

(6)

线圈的厚度

H=D2-D1(cm)

(7)

(6)确定漆包线直径

(8)

4 复算

上述初算中，因为采用了一些经验参数，这些参数选取是否恰当，需要通过复算来检验和修正。复算中主要验算以下几项：

(1)实际填充系数

(9)

式中S漆包线的截面积(mm2)，N线圈总匝数。

(2)单个线圈的电阻

(10)

阻值大小受温度影响的因素可忽略。

式中单个线圈漆包线长度

L0=2πR0N(m)

(11)

其中

(12)

(3)单个线圈电流的大小

(13)

(4)单个线圈的磁势

F∑=IN(安匝)

(14)

(5)真正温升

(15)

温升θ应小于线圈所用材料的绝缘等级。长期工作制电流密度应在2 A/mm2～4 A/mm2,如果超过允许温升,说明电流太大,应增加匝数N，而增加匝数N就要修改线圈的长度和厚度等参数。所以更好的办法是适度增大限流电阻，同时采用变压器油浸自冷式方法对线圈进行散热处理[5]。

5 产品电磁部分设计

(1)有效功

W=Q1δ=1.56×1=1.56(kg cm)

(16)

(2)铁心半径

(17)

(3)铁心的长度λ=4(cm)

(4)确定总磁动势

(18)

(5)确定线圈的长度

(19)

漆包线80 ℃时电阻率ρ=2.38×10-6Ω·m，散热系数K= 11.6 W/m2·K，填充系数f=0.41。

(6)确定线圈的外径

(20)

(7)确定线圈的厚度

H=D2-D1=1.79-1.04=0.75(cm)

(21)

(8)确定线圈外壳的半径

D3=D2+ψ=1.79+0.3=2.09(cm)

(22)

其中ψ为线圈和外壳的油浸空隙

(9)确定漆包线直径

(23)

6 仿真及实验

本文通过经验公式法完成了初算和复算，然后利用Magnet有限元分析软件对该产品的部分参数进行优化[7]，再利用Ansoft Maxwell软件对其进行静态和动态的仿真，得出最优化的直流电磁铁的主要性能参数。并对该产品模型进行了实测，结果如表1所示。

表1 不同气隙长度的电磁吸力仿真与实测数据对比

通过对仿真和实测数据的对比，结果基本接近，而且能满足气隙为1 cm时，电磁吸力足以使衔口闭合而完成采摘,所以设计完全符合要求。

7 结束语

本文的设计新意在于：

(1)机械部分避免了采摘过程中损伤椒树，且采摘时花椒一次性收集于布袋中，而其他采摘器要进行落地后的二次收集，所以杂质较多且易散落土里而造成损耗。

(2)电路控制部分创新的用单刀双掷开关的转换，实现了一个线圈电流方向的交替改变，完成了电磁铁的吸合与分离。

(3)磁铁部分采用了双圆盘平板式电磁结构，而且是两块磁铁同时作用，实现了其他单磁铁-衔铁结构无法完成的功能，而且采用变压器油浸自冷式对线圈进行散热处理，有效的提高了产品的热稳定性，是散热技术的拓展应用。

(4)该产品操作简单实用，批量生产成本较低，有一定的市场推广前景。

[1] 马婷.本质安全型电磁铁的结构优化与性能研究[D].太原:太原理工大学，2013.

[2] 史秋明.直流电磁铁的动特性研究[J].自动化仪表，2007,28(5)20-30.

[3] 周小擎.直流电磁铁的优化设计[J].华南理工大学学报(自然科学版),1994,22(5):138-146.

[4] 张鲁,李永光,高向宗,等.变压器冷却技术的发展[J].能源与节能,2016,128(5):109-110.

[5] 李玲.小型低功率插装阀研究[D].长沙：湖南科技大学，2015.

[6] 张齐.基于Ansoft的比例电磁铁电磁力的有限元分析[J].沈阳师范大学学报,2009,27(3):306-309.

[7] 高彩霞,王福忠,焦留成.基于Magnet直流电磁铁的优化设计[J].工矿自动化，2010,36(5)：69.

Design of an Electromagnetic Pepper Picking Device

Zheng Tianyun

(Department of Electrical Engineering,Gansu Industrial Technical College, Tianshui Gansu 741025, China)

Considering pepper tree has growth characteristics of multi-stylus plants, this paper presents a scheme for designing a double-disk plate type electromagnetic picking device by using the DC electromagnetic principle. The scheme is mainly composed of three parts, namely mechanical part, control part and electromagnetic part. This paper proposes an innovative idea and method to enable double-coil DC electromagnets to function at the same time in the electromagnetic part, and the control part ensures safe and highly efficient operation of forward and backward strokes of the electromagnet, thus avoiding reduction of picking efficiency due to picking hand. Simulation and experimental result verify the feasibility of this scheme.

DC electromagnet; picking; SPDT switch; optimization design; Ansoft Maxwell software

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.032

TP205

A

1000-3886(2017)04-0108-03

定稿日期: 2016-11-11

郑天云(1965-)男，甘肃武威人，副教授，本科，研究方向电气工程技术和光伏发电。