Úvod do Inženýrské řešení pro západkový solenoid
Bistabilní západkový solenoid je elektromechanický aktuátor, který pracuje ve dvou mechanických stavech a tento stav si udržuje bez spotřeby energie. Díky svým vlastnostem nachází tento typ solenoidu široké uplatnění v nízkopříkonových, kompaktních lineárních aktuátorech a v jiných typech držáků polohy.
Stejnosměrné solenoidy potřebují k udržení aktivovaného stavu cívky nepřetržité napájení. Naproti tomu bistabilní solenoidy obvykle fungují magnetickým zablokováním polohy aktuátoru po ukončení elektrického impulsu.
Druhý elektrický signál přesune akční člen do druhého stavu.
Tento princip nabízí řadu výhod v zařízeních napájených bateriemi, systémech kontroly přístupu, elektronických zámcích, průmyslové automatizaci, lékařských zařízeních, měřicích zařízeních, bezpečnostních zařízeních a v mnoha dalších aplikacích, které vyžadují napájení pouze v okamžicích změny stavu.
Konstrukční řešení bistabilního západkového solenoidu zohledňuje parametry síly, výkon magnetického uchycení, energii pulzu, konstrukci cívky, mechanické zatížení, teplotu, toleranci, životnost, řídicí elektroniku a provozní prostředí. Následující průvodce popisuje všechny tyto body.
1. Co je bistabilní západkový solenoid a jak funguje?
Solenoid slouží k lineární přeměně elektrické energie na mechanickou energii.
Proud protékající cívkou vytváří magnetické pole, které interaguje s magnetickým obvodem a generuje sílu na pohyblivý aktuátor (kotvu nebo plunžr).
U běžného solenoidu s pružinovým návratem umožňuje odstranění elektrické energie pružině nebo vnějšímu zatížení vrátit píst do jeho původní polohy.
Bistabilní západkový solenoid však funguje opačně.
Zobrazuje dva stabilní mechanické stavy. Jakmile aktuátor dosáhne jednoho stavu, magnetický systém pomáhá udržet tento stav bez nepřetržitého proudu cívky.
Druhý elektrický signál vyslaný řídicím systémem mění stav akčního členu. Často to znamená změnu polarity cívky v závislosti na návrhu magnetického obvodu.
To znamená, že většina energie je spotřebována na změnu polohy.
A to je velmi výhodné pro bistabilní provoz, protože zařízení tráví většinu času v jednom stavu a jen zřídka mění svou polohu.
2. Rozdíly mezi jednoduché zapínání vs bistabilní západkové solenoidy
Inženýři by měli znát rozdíl mezi bistabilním a monostabilním provozem.
Monostabilní solenoid vykazuje pouze jednu primární stabilní polohu. Když elektromagnetická síla zmizí, pružina nebo jiná mechanická síla vrátí aktuátor do této polohy.
V bistabilním aktuátoru existují dvě stabilní polohy.
Podívejme se jako příklad na elektronický zamykací systém.
První elektrický impuls přesune blokovací kolík do zablokované polohy. Poté je kolík držen ve své poloze i po skončení elektrického impulsu.
Zpětný elektrický impuls přepne mechanismus aktuátoru do odemčené polohy, která je držena i po skončení elektrického impulsu.
Ani jedna z těchto pozic nevyžaduje k udržení nepřetržitý zdroj napájení.
To je jeden z důvodů, proč jsou bistabilní západkové solenoidy užitečné v zařízeních s nízkým výkonem.
Konstruktéři by si však měli pamatovat, že pohon si zachová svou polohu i při výpadku napájení.
3. Stanovení požadovaného zdvihu
Zdvih je celá lineární dráha z jedné stabilní polohy do druhé.
Pro typický AP může stačit několik milimetrů zdvihu, ale některé mechanismy potřebují delší zdvihy.
Inženýři by neměli specifikovat zbytečné cestování.
Dopad cévní mozkové příhody se zvyšuje:
Dostupná síla
Účinnost magnetického obvodu
Rozměry solenoidu
Hmotnost pístu
Doba odezvy
Požadovaný elektrický výkon
Pokud zámek potřebuje zdvih 4 mm, konstrukce delšího zdvihu zvětší velikost nebo účinnost solenoidu, aniž by byla nutná.
Během návrhu bistabilního západkového solenoidu by inženýři měli znát celý mechanický mechanismus a určit minimální hodnotu zdvihu s vhodnými tolerancemi.
4. Vyhodnocení síly bistabilního západkového solenoidu v průběhu zdvihu
Solenoid obvykle nevykazuje konstantní sílu po celou dobu svého pohybu.
Dostupná elektromagnetická síla závisí na poloze pístu a magnetické vzduchové mezeře.
V každém případě to může specifikaci síly učinit zavádějící.
Předpokládejme, že aplikace vyžaduje následující:
zdvih – 6 mm
Počáteční síla – 8 N
střední síla – 12 N
konečná síla – 20 N
V takovém případě, pokud solenoid dokáže poskytnout sílu 20 N pouze na konci zdvihu, ale nedokáže poskytnout sílu 8 N potřebnou k zahájení pohybu, nemůže fungovat správně.
Proto by inženýři měli, pokud je to možné, zkontrolovat graf síla/zdvih.
Mechanické zatížení by mělo také zahrnovat:
síla pružiny
tření.
gravitace
odpor vazby
těsnění
mechanická tolerance
zrychluje
účinky kontaminace
Zvolený bistabilní západkový solenoid by měl být schopen poskytnout dostatečnou sílu v celém pracovním rozsahu, nejen v určitém bodě.
5. Pochopení magnetické přídržné síly
Ovládací síla se nerovná přídržné síle.
Ovládací síla pohybuje pístem. Přídržná síla však udržuje požadovanou polohu i po skončení elektrického impulsu.
V bistabilním designu je pravděpodobně hlavním technickým parametrem výkon udržení.
Síla potřebná k udržení závisí na aplikaci.
Malý vnitřní spínací mechanismus vyžaduje pro udržení relativně malou sílu. Ale těžký zámek nebo průmyslový mechanismus vyžaduje mnohem více.
Inženýři by měli vědět, zda vnější zatížení, vibrace, rázy, pružiny nebo mechanické tolerance překonávají magnetickou přídržnou sílu.
Magnetický obvod bistabilního západkového solenoidu by proto měl být navržen s ohledem na pohyb i udržení polohy.
Platí to zejména pro bezpečnostní produkty, protože validace výkonu by měla být vždy prováděna u celého mechanismu.
6. Volba provozního napětí
Běžná stejnosměrná provozní napětí mohou být:
3 VDC
5 VDC
6 VDC
9 VDC
12 VDC
24 VDC
K dispozici jsou i jiná napětí cívky.
Volba napětí by měla být koordinována s elektrickou architekturou produktu.
Samotné napětí však není kritériem pro výběr solenoidu inženýry.
Důležité elektrické parametry jsou
napětí – potenciál přiváděný do cívky
odpor cívky – spolu s aplikovaným napětím určuje chování proudu
ovlivňuje elektromagnetickou sílu a spotřebu energie
délka pulzu – definuje, jak dlouho je cívka během aktivace napájena
energie na puls – potvrzuje, že k provedení přechodu je vynaloženo dostatek mechanické práce
Proudová a pulzní energie jsou obzvláště důležité v systémech napájených z baterií.
7. Optimalizace délky impulsu bistabilního západkového solenoidu
Jednou z hlavních technických výhod tohoto bistabilního provedení je, že cívka nevyžaduje nepřetržité napájení, aby zůstala ve stabilním stavu.
Nebo je možné použít krátké impulsy ke změně polohy aktuátoru.
Například jedna aplikace může pracovat s:
napětí – 12 V DC
délka pulzu – 100 ms
provozní frekvence – 20krát denně
Pro jiné aplikace je z důvodu většího mechanického zatížení nebo delšího zdvihu nutná délka impulsu 300 ms.
Délka impulsu závisí na cívce, magnetickém obvodu, mechanickém zatížení, zdvihu, napětí a dostupném proudu.
Pokud je impuls příliš krátký, bistabilní západkový solenoid nemusí dokončit svůj pohyb.
Delší puls však plýtvá energií a způsobuje nadměrné zahřívání.
Testování prototypu by mělo stanovit spolehlivou délku pulzu za nejhorších podmínek, nikoli pouze minimální pracovní pulz v jednom vzorku.
8. Věnujte pozornost obrácení polarity a pohonné elektronice
Mnoho bistabilních solenoidů mění svůj stav obrácením polarity proudu procházejícího cívkou.
To znamená, že elektronika pohonu by měla být schopna ovládat polaritu.
V závislosti na architektuře produktu by inženýři měli použít H-můstek nebo podobný spínací obvod.
Návrh elektroniky pohonu by měl být založen na
napětí cívky
maximální proud
délka pulzu
spínací frekvence
indukční proces
potřeby ochrany
dostupná baterie nebo napájecí zdroj
Zvláštní pozornost je třeba věnovat indukčním zátěžím, když je proud vypnutý.
Bistabilní západkový solenoid a jeho budicí elektronika by měly být vyvíjeny jako jeden systém, nikoli jako samostatné prvky.
Za podmínek nízkého nabití baterie nebo nejhoršího možného napětí může být mechanický provoz nespolehlivý, pokud elektronika elektrického pohonu nedokáže dodat dostatek proudu.
9. Posouzení požadavků na energii a výkon
Pro aplikace s nízkým příkonem není okamžitý proud jediným ukazatelem; inženýři by měli zvážit také energii na operaci.
Bistabilní aktuátor může během krátké doby spotřebovat relativně vysoký proud, přičemž za den spotřebuje jen málo celkové energie kvůli absenci přídržného proudu.
To znamená, že je atraktivní pro:
Chytré zámky (napájené bateriemi)
IoT gadgety
Přenosné vybavení
Elektronické skříňky:
Systémy dálkového ovládání
Inteligentní měřiče
Automatizace si je vědoma energetických požadavků
Při výběru bistabilního západkového solenoidu by inženýři měli odhadnout celkovou denní spotřebu energie, včetně typické délky impulzu a počtu operací.
Inženýři by také měli zkontrolovat nejhorší možný stav baterie vůči napětí a vnitřní odpor. Nová baterie může mít ke konci své životnosti odlišné napěťové charakteristiky.
10. Zkontrolujte tepelný výkon bistabilního západkového solenoidu.
S bistabilními solenoidy lze dosáhnout vhodných tepelných výhod, protože jsou napájeny elektřinou po krátkou dobu.
Krátké pulzy nemusí nutně znamenat, že teplotu lze vždy ignorovat.
Teplota se stane problémem, když:
Délka pulzu je příliš dlouhá.
Provozní frekvence je vysoká.
Napětí překračuje návrhovou hodnotu
Okolní teplota je vysoká.
Pouzdro aktuátoru je
Omezené chlazení
Odpor cívek je závislý na teplotě.
Proto je důležité testovat aktuátor při nejvyšší provozní frekvenci a okolní teplotě.
Správně navržený bistabilní západkový solenoid by měl poskytovat dostatečnou ovládací sílu v jakémkoli teplotním rozsahu.
11. Mějte na paměti dobu odezvy
Někdy jsou vyžadovány rychlé změny stavu, ale v některých případech je také vyžadována pomalá odezva a tichý provoz.
Doba odezvy může záviset na:
Délka zdvihu
Hmotnost pístu.
Napájecí napětí
Vlastnosti cívek
Mechanické namáhání
Napětí pružiny (síla pružiny)
Tření (n)
Přídržná síla magnetů
Návrh ovladače
Dodatečná elektrická energie může být v některých situacích užitečná, ale na druhou stranu může zvýšit nárazy, hluk a tvorbu tepla.
Proto je potřeba inženýrská optimalizace.
Pokud je přesnost kritická, je třeba měřit jak elektrické, tak mechanické časování.
12. Návrh bistabilního západkového solenoidu s dlouhou životností
Pohon, který prošel 100 laboratorními cykly, nemusí být nutně vhodný pro hromadnou výrobu.
Existují aplikace, kde počet cyklů může být stovky tisíc nebo dokonce miliony.
Opotřebení se může objevit na:
Vedení pístu
Mechanické zarážky
Hřídele.
Springs
Kontaktní plochy
Boční nakládání může způsobit vážné problémy.
Bistabilní západkový solenoid je obvykle navržen pro axiální lineární pohyb.
Pokud mechanismus zákazníka vytváří vysoké boční zatížení pístu, pak se mohou výrazně zvýšit účinky tření a opotřebení.
Proto je dobré mechanické seřízení nezbytné.
Kdykoli je to možné, měla by být zkouška životního cyklu provedena za stejných podmínek zdvihu, zatížení, napětí, trvání pulzu, frekvence, teploty a montáže jako u konečného produktu.
13. Kontrola hluku a mechanických nárazů
Aktivace solenoidu může způsobit slyšitelné cvaknutí v důsledku kontaktu pístu s dorazy na konci zdvihu.
Může být přijatelný v průmyslových zařízeních, ale ne v lékařství, produktech pro chytrou domácnost, kancelářském vybavení nebo prémiových systémech kontroly přístupu.
Zdroje hluku mohou být:
Plungerový efekt
Zastavovací efekt (mechanický)
Překročení povolené výšky
Rezonance pouzdra
Vazební efekt
Vysokorychlostní přepínání
Pro minimalizaci hluku může být nutné implementovat mechanické tlumení, optimalizovat vůle, změnit rychlost pístu, změnit dorazy nebo použít pulzní řízení.
Tlumení by však nemělo ovlivnit schopnost bistabilního západkového solenoidu dosáhnout konečné polohy.
Existuje tedy kompromis mezi minimalizací hluku a silou, rychlostí a spolehlivostí.
14. Podmínky prostředí a teplotní aspekty
Provozní prostředí by mělo být definováno již v rané fázi.
Důležité podmínky mohou být
Nejnižší teplota
Nejvyšší teplota
Vlhkost
Prach.
Vlhkost
Vibrace.
Mechanický náraz a/nebo
říjen 2023
Znečišťující látky
Nízké teploty mohou ovlivnit vlastnosti maziva a mechanické tření.
Vysoké teploty mohou ovlivnit odpor cívky a magnetický výkon.
Prach a nečistoty mohou omezit pohyb pístu.
Úplné zakrytí poskytuje velkou část ochrany životního prostředí pro venkovní aplikace.
Bistabilní západkový solenoid však musí být testován za podmínek odpovídajících konečnému produktu.
15. Zakázkové vs. standardní bistabilní západkové solenoidy
Standardní pohon je často nejlepším výchozím bodem, protože může zkrátit dobu konstrukčního návrhu, náklady na nástroje a dodací lhůtu pro prototypy.
Nicméně, aplikace OEM mohou vyžadovat úpravy.
Některé typické parametry přizpůsobení jsou
Napětí
Odpor cívky
Tahy
Aktivační síla
přídržná síla
Geometrie pístu
Délka hřídele
Celkové rozměry
Odmítnuto
Jaro
Olověné dráty
Konektory
16. Úpravy na míru by měly být provedeny z jasných technických důvodů.
Například pokud standardní bistabilní západkový solenoid splňuje všechny požadavky kromě délky pístu, pak může být změna pístu ekonomičtější než přepracování magnetické struktury od nuly.
Spolupráce se zákazníkem v rané fázi může vést k efektivnějšímu řešení.
- Validace předvýrobního návrhu
Inženýrské ověření by mělo být více než jen jednoduchý funkční test.
V závislosti na aplikaci mohou inženýři testovat:
Zkouška silou: Změřte sílu v určitých bodech zdvihu.
Zkouška přídržné síly: Ověřte stabilitu v obou stavech.
Zkouška napětím: Zkouška při nejnižším, jmenovitém a nejvyšším očekávaném napětí.
Pulzní test: Ověřte provoz v rámci zamýšleného rozsahu pulzů.
Teplotní test: Test výkonu v extrémních podmínkách prostředí.
Životní test: Simulujte dlouhodobý provoz.
Vibrační a rázové zkoušky: Jsou nezbytné pro mobilní a průmyslová zařízení.
Zkouška hluku: Je nezbytná pro výrobky citlivé na hluk.
Aplikační test: Otestujte aktuátor v konečném produktu.
Velmi důležitým aspektem je test bistabilního západkového solenoidu ve spojení s mechanismem zákazníka, protože aktuátor se po instalaci může chovat odlišně.
17. Klíčové parametry bistabilního západkového solenoidu v technickém RFQ
Při objednávání nového nebo upraveného solenoidu poskytněte dostatek technických údajů, aby bylo možné provést smysluplné posouzení.
Užitečné specifikace mohou zahrnovat:
Použití: Elektronický zámek
Typ solenoidu: Bistabilní západkový
Napětí: 12 VDC.
Maximální dostupný proud: 1.2 A
Zdvih: 5 mm
Počáteční síla: 8N
Požadovaná síla úchopu: 20 N
Délka pulzu: 150–250 ms
Maximální frekvence: 10 cyklů za minutu
Předpokládaná životnost: 500 000 cyklů
Rozsah provozních teplot: -20°C ~ 60°C
Maximální velikost: 35x25x20 mm
Požadavek na nízkou hlučnost
Roční množství: 100 000 kusů
Efektivnějšího inženýrství lze dosáhnout poskytnutím CAD souborů, výkresů mechanismů, fotografií a informací o zatížení.
Kontrolní seznam pro výběr inženýrských prací
Než schválíte návrh, ujistěte se, že:
Požadavek na mrtvici je dobře definovaný.
Pro pracovní zdvih je dostatek výkonu.
– Přídržná síla je v obou požadovaných stavech dostatečná.
Napětí je kompatibilní s elektronickým systémem.
Řidič je schopen akceptovat špičkový proud.
Pulzní čas je zaručený způsob pohybu.
Řízení polarity je implementováno správně.
Je testován stav slabé baterie.
Tepelný výkon je dobrý.
Doba odezvy splňuje systémové požadavky.
Mechanické vyrovnání zabraňuje přetížení bočním zatížením.
Zohledňují se podmínky prostředí.
Hluk je přijatelný.
Provozní životnost je prokázána.
Je zohledněna výrobní tolerance.
Celá sestava je testována.
18. Shrnutí
Bistabilní západkový solenoid je energeticky úsporné řešení pro aplikace vyžadující dvě stabilní mechanické polohy a nízkou přídržnou sílu.
Základní technická výhoda bistabilního solenoidu je jednoduchá: elektrická energie se používá hlavně ke změně stavu, nikoli k jeho udržení.
Úspěšná implementace akčního členu je však mnohem víc než jen výběr správného napětí.
Inženýři by měli vyhodnotit sílu během celého zdvihu, přídržnou sílu, energii pulzu, řízení polarity, elektroniku budiče, teplotu, mechanické zatížení, dobu odezvy, podmínky prostředí a životnost.
Navíc je nutné aktuátor a mechanismus zákazníka považovat za jeden elektromechanický systém.
Pro aplikace OEM je nutné provést testování prototypů za reálných podmínek.
Inženýři by měli testovat minimální a maximální napětí, teplotní extrémy, mechanické zatížení, výrobní tolerance a očekávanou provozní frekvenci.
Při správném návrhu a validaci poskytuje bistabilní technologie spolehlivé lineární ovládání se sníženou spotřebou energie a správou energie.
19: Často kladené otázky o bistabilním blokování
Řešení inženýrů solenoidů
1. Co je bistabilní západkový solenoid?
Bistabilní západkový solenoid je elektromagnetický aktuátor, který má dva stabilní stavy.
Dokáže se udržet ve zvolené poloze i po skončení elektrického impulsu, čímž se snižuje nebo eliminuje potřeba nepřetržitého přídržného proudu.
2. Jak funguje bistabilní západkový solenoid?
Kotva neboli plunžr se pohybuje magnetickým polem generovaným elektrickým proudem procházejícím cívkou.
Magnetické uzamčení si udrží zvolenou polohu i po odpojení napájení.
Pohon lze přepnout do jiného stabilního stavu elektrickým impulsem.
3. Vyžaduje bistabilní solenoid konstantní výkon?
Obecně řečeno, výkon cívky nemusí být nepřetržitý, aby se udržela stabilní poloha.
Hlavním využitím elektrické energie je změna skupenství.
Přesné chování závisí na magnetické a mechanické konstrukci aktuátoru.
4. Jaký je rozdíl mezi bistabilním a běžným solenoidem?
Běžný solenoid s vratnou pružinou se obvykle po odpojení napájení vrátí do klidové polohy.
Bistabilní solenoid se může udržet v jedné ze dvou stabilních poloh bez nutnosti nepřetržitého napájení.
5. Proč potřebujete bistabilní západkový solenoid pro produkty napájené z baterií?
Elektrická energie se využívá hlavně během změn stavů, což vede ke snížení průměrné spotřeby energie v aplikacích, které dlouhodobě zůstávají v jedné poloze.
To je užitečné pro chytré zámky, přenosná zařízení, produkty internetu věcí a další systémy napájené z baterií.
6. Jak zvolím správnou sílu solenoidu?
Měli byste vypočítat zatížení po celé délce zdvihu, včetně pružin, tření, gravitace, táhlových sil a zrychlení.
Poté vyhodnoťte charakteristiky síly aktuátoru v závislosti na zdvihu a zohledněte správnou technickou rezervu.
7. Jaká je přídržná síla bistabilního solenoidu?
Přídržná síla – Síla, která drží aktuátor v zajištěné poloze po odpojení napájení cívky.
Mělo by se to posuzovat odděleně od elektromagnetické síly, kterou se píst pohybuje.
8. Vyžaduje bistabilní západkový solenoid obrácenou polaritu?
Mnoho návrhů mění stav obrácením polarity proudu.
Detaily ovládání závisí na konstrukci magnetu a cívky.
Proto by měl být obvod budiče navržen pro vybraný aktuátor.
9. Jaká by měla být délka elektrického impulsu?
Délka pulzu je funkcí napětí, proudu, délky zdvihu, mechanického zatížení, vlastností cívky a magnetické konstrukce.
Mělo by být dostatečně dlouhé, aby spolehlivě pohybovalo pístem i za nejhorších podmínek bez zbytečné spotřeby energie a přehřívání.
Bistabilní solenoidy jsou skutečně přizpůsobitelné.
Ano.
Parametry jako napětí, odpor cívky, zdvih, síla, přídržná síla, geometrie pístu, rozměry, montáž, zapojení, konektory atd. lze přizpůsobit v závislosti na výrobních možnostech a požadavcích aplikace.
10. Jaké jsou typické aplikace bistabilních západkových solenoidů?
Typickými aplikacemi jsou inteligentní zámky, systémy kontroly přístupu, průmyslová automatizace, lékařské vybavení, elektronické kryty, měřicí zařízení, bezpečnostní mechanismy, přenosná zařízení a další nízkopříkonové elektromechanické systémy.
11. Jaké testy by měli inženýři provést před zahájením hromadné výroby?
Inženýři by měli zkontrolovat sílu, zdvih, přídržnou sílu, minimální a maximální napětí, dobu trvání pulzu, teplotu, životnost, mechanické vyrovnání, vibrace, hluk a vliv na životní prostředí.
Závěrečné testování by mělo být provedeno s pohonem namontovaným v konečném produktu.
