鄭天云

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院 電氣工程系，甘肅 天水 741025)

電磁花椒采摘器的設計

鄭天云

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院 電氣工程系，甘肅 天水 741025)

針對花椒樹是多尖刺的植物生長特征，提出了利用直流電磁原理設計雙盤平板式電磁采摘器的方案，主要由三部分組成，即機械部分、控制部分和電磁部分，其中電磁部分創(chuàng)新的提出了雙線圈直流電磁鐵同時作用的理念和方法，通過控制部分使磁鐵正行程和逆行程安全高效運行，避免了因刺扎手而降低的采摘效率，方案經(jīng)仿真和實驗切實可行。

直流電磁鐵；采摘；單刀雙擲開關；優(yōu)化設計；Ansoft Maxwell軟件

0 引 言

花椒樹是木本佐料植物，其特殊的多尖刺植物形態(tài)給采摘帶來很大的困難。傳統(tǒng)的人工采摘，效率低下，成本較高。盡管市場上也有剪刀式機械采摘器、鋸形式(有條形和盤形兩種)電動采摘器等。但都因花椒樹的多刺、分枝雜亂、稠密等因素而不易靈活操作，且在采摘花椒顆粒的同時，會傷害樹葉及第二年的芽苗，所以市場推廣不好，為此針對花椒顆粒生長的簇式特征(見圖1)及采摘要求，設計出了雙盤平板式直流電磁采摘器。該采摘器將簇式花椒顆粒用銜口“拽下”而非其它采摘器的“剪下”或“鋸下”，這樣既避免了傷害樹葉及芽苗，同時沒有枝葉等雜質。

圖1 花椒簇式特征圖

1 機械結構及工作原理

機械結構有上銜口、下銜口、轉軸、支架、力臂、軟布袋等組成。(見圖2)

圖2 花椒采摘器機械結構圖

上、下銜口的最大張角為30°，對稱上下銜口直徑為8厘米，銜口邊沿寬度為3毫米，并在下銜口邊沿上，粘貼帶有兩個1.5毫米高安全凸點的軟橡膠墊圈，并將下銜口所連接的力臂固定于轉軸處的支架頂端。上下銜口將花椒顆粒簇吃進閉合時，椒葉從安全凸點預留的1.5毫米縫隙漏出，而花椒顆粒被“拽入”下銜口的軟布袋中。上、下銜口采用合頁式平板結構，力臂前端為銜口，末端安裝直流電磁鐵。上力臂=下力臂=8 cm，電磁鐵A和電磁鐵B的幾何形狀及電磁參數(shù)完全一致，整個結構應上下完全對稱。

支架采用可伸縮的空心結構，便于高低、遠近靈活采摘?？招谋阌诜胖脤Ь€及開關。銜口、力臂、支架均采用輕質鎳合金材料。

2 控制電路

控制電路的主要功能是控制上、下銜口的張開與閉合，是利用上、下直流電磁鐵的吸引與排斥來完成。(見圖3)

圖3 花椒采摘器電氣控制圖

工作電壓為24 V的直流充電電源.為了防止因電流過大而損毀線圈，在兩個線圈回路中分別接入一個1 KΩ的限流電阻。KA為電源總開關，KB為單刀雙擲按鈕開關。開關安裝在手柄處，便于操作。

通過KB控制電磁鐵B的電流方向而改變磁鐵極性，完成銜口的張開與閉合。在KA閉合的情況下，KB位于2-2＇位置時，直流電流使電磁鐵A的極性為上N極下S極，電磁鐵B的極性為下N極上S極，此時電磁鐵A和電磁鐵B正對面極性相同，電磁鐵B做相對運動與電磁鐵A排斥，通過支點聯(lián)動使上、下銜口張開，將簇式花椒顆粒吃進銜口。然后將KB置于1-1＇位置，此時電磁鐵A的電流方向不變，磁極也不改變。而電磁鐵B的電流方向改變了，極性也隨之改變，則電磁鐵A和電磁鐵B的正對面因極性相異而吸合，通過支點聯(lián)動使銜口閉合，輕微一拽，樹葉、芽苗從安全縫隙漏出，花椒顆粒落入袋中，至此完成了一次采摘。

電磁線圈在電源接通、斷開及改變電流方向的瞬間，存在一定的互感，但因結構對稱且是直流，不影響機構動作，所以可忽略。同時，KB在切換的瞬間，使電磁鐵自身產(chǎn)生一定的磁滯[1]，延緩了銜口張開和閉合的速度，更符合實際操作的需求，也降低了機械損傷的風險。

3 電磁參數(shù)

3.1 電磁鐵的基本概念和主要參數(shù)[2]

直流電磁鐵的主要特征是磁勢NI不變，所以是恒磁動勢；吸力與間隙的平方成反比；無需鐵芯分磁環(huán)且可以獲得邊沿平坦的吸力特性；無振動及噪音。

因為是直流，所以采用軟鋼為導磁材料；磁鐵形狀為圓柱形；周圍溫度從-30 ℃～+50 ℃；耐熱結構應達到80 ℃的溫升設計要求。

直流電磁鐵的計算需要或確定以下原始數(shù)據(jù)：

(1)初始電磁吸力Q(kg)

(2)銜鐵的行程δ(cm)

(3)工作制系數(shù)τ

(4)電磁鐵的工作電壓U(V)

3.2 園盤平板式電磁鐵主要參數(shù)的初算

電磁鐵的設計方法有兩種：經(jīng)驗公式法和仿真設計法。本文采用經(jīng)驗公式法完成[3]

(1)電磁額定吸力公式

(1)

考慮到電磁鐵漏磁等因素的影響，在進行電磁吸力計算時應增加額定吸力的30%[4]。式中B為氣隙中的磁通密度(高斯)。因為是長期短時反復工作制，所以B應提高10%～15%，同時確定τ<1。

(2)鐵心半徑

(2)

(3)線圈的總磁動勢方程

(3)

KCT=1.2～1.55，因為試驗表明，導磁體內磁動勢占電磁鐵總磁動勢的10%～25%，非工作氣隙中的磁動勢占總磁動勢的5%～10%，則材料選擇最經(jīng)濟。

(4)確定線圈的長度

(4)

式中ρ漆包線的電阻率，K散熱系數(shù)，f填充系數(shù),θ溫升.

(5)線圈的內徑

D1=D0+2Φ(cm)

(5)

式中Φ為線圈和鐵心之間間隙,一般為0.05～0.1(cm)可忽略，所以線圈的內徑D1≈D0。

線圈的外徑

(6)

線圈的厚度

H=D2-D1(cm)

(7)

(6)確定漆包線直徑

(8)

4 復算

上述初算中，因為采用了一些經(jīng)驗參數(shù)，這些參數(shù)選取是否恰當，需要通過復算來檢驗和修正。復算中主要驗算以下幾項：

(1)實際填充系數(shù)

(9)

式中S漆包線的截面積(mm2)，N線圈總匝數(shù)。

(2)單個線圈的電阻

(10)

阻值大小受溫度影響的因素可忽略。

式中單個線圈漆包線長度

L0=2πR0N(m)

(11)

其中

(12)

(3)單個線圈電流的大小

(13)

(4)單個線圈的磁勢

F∑=IN(安匝)

(14)

(5)真正溫升

(15)

溫升θ應小于線圈所用材料的絕緣等級。長期工作制電流密度應在2 A/mm2～4 A/mm2,如果超過允許溫升,說明電流太大,應增加匝數(shù)N，而增加匝數(shù)N就要修改線圈的長度和厚度等參數(shù)。所以更好的辦法是適度增大限流電阻，同時采用變壓器油浸自冷式方法對線圈進行散熱處理[5]。

5 產(chǎn)品電磁部分設計

(1)有效功

W=Q1δ=1.56×1=1.56(kg cm)

(16)

(2)鐵心半徑

(17)

(3)鐵心的長度λ=4(cm)

(4)確定總磁動勢

(18)

(5)確定線圈的長度

(19)

漆包線80 ℃時電阻率ρ=2.38×10-6Ω·m，散熱系數(shù)K= 11.6 W/m2·K，填充系數(shù)f=0.41。

(6)確定線圈的外徑

(20)

(7)確定線圈的厚度

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

(21)

(8)確定線圈外殼的半徑

D3=D2+ψ=1.79+0.3=2.09(cm)

(22)

其中ψ為線圈和外殼的油浸空隙

(9)確定漆包線直徑

(23)

6 仿真及實驗

本文通過經(jīng)驗公式法完成了初算和復算，然后利用Magnet有限元分析軟件對該產(chǎn)品的部分參數(shù)進行優(yōu)化[7]，再利用Ansoft Maxwell軟件對其進行靜態(tài)和動態(tài)的仿真，得出最優(yōu)化的直流電磁鐵的主要性能參數(shù)。并對該產(chǎn)品模型進行了實測，結果如表1所示。

表1 不同氣隙長度的電磁吸力仿真與實測數(shù)據(jù)對比

通過對仿真和實測數(shù)據(jù)的對比，結果基本接近，而且能滿足氣隙為1 cm時，電磁吸力足以使銜口閉合而完成采摘,所以設計完全符合要求。

7 結束語

本文的設計新意在于：

(1)機械部分避免了采摘過程中損傷椒樹，且采摘時花椒一次性收集于布袋中，而其他采摘器要進行落地后的二次收集，所以雜質較多且易散落土里而造成損耗。

(2)電路控制部分創(chuàng)新的用單刀雙擲開關的轉換，實現(xiàn)了一個線圈電流方向的交替改變，完成了電磁鐵的吸合與分離。

(3)磁鐵部分采用了雙圓盤平板式電磁結構，而且是兩塊磁鐵同時作用，實現(xiàn)了其他單磁鐵-銜鐵結構無法完成的功能，而且采用變壓器油浸自冷式對線圈進行散熱處理，有效的提高了產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性，是散熱技術的拓展應用。

(4)該產(chǎn)品操作簡單實用，批量生產(chǎn)成本較低，有一定的市場推廣前景。

[1] 馬婷.本質安全型電磁鐵的結構優(yōu)化與性能研究[D].太原:太原理工大學，2013.

[2] 史秋明.直流電磁鐵的動特性研究[J].自動化儀表，2007,28(5)20-30.

[3] 周小擎.直流電磁鐵的優(yōu)化設計[J].華南理工大學學報(自然科學版),1994,22(5):138-146.

[4] 張魯,李永光,高向宗,等.變壓器冷卻技術的發(fā)展[J].能源與節(jié)能,2016,128(5):109-110.

[5] 李玲.小型低功率插裝閥研究[D].長沙：湖南科技大學，2015.

[6] 張齊.基于Ansoft的比例電磁鐵電磁力的有限元分析[J].沈陽師范大學學報,2009,27(3):306-309.

[7] 高彩霞,王福忠,焦留成.基于Magnet直流電磁鐵的優(yōu)化設計[J].工礦自動化，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

鄭天云(1965-)男，甘肅武威人，副教授，本科，研究方向電氣工程技術和光伏發(fā)電。