Kapitola 1: Úvod do zbytkového magnetismu
Jedním z nejvýznamnějších aspektů ovlivňujících fungování a účinnost solenoidu a elektromagnetu je efekt zbytkového magnetismu. Solenoid musí ve většině průmyslových prostředí reagovat správně a rychle, když dojde k výpadku proudu. Nicméně v kotvě nebo jádru solenoidu po odpojení napájení zůstává určitý magnetismus kvůli fyzikálním vlastnostem feromagnetických materiálů.
Nadměrná remanence solenoidu v solenoidech způsobuje řadu technických problémů, jako je pomalý pohyb pístu, pomalejší doba odezvy, porucha ventilu, opotřebení a neefektivní spínací proces. Výše uvedené účinky jsou obzvláště významné pro provoz přesných nástrojů, jako jsou dávkovací čerpadla, lékařské přístroje, solenoidové ventily a automatizační systémy.
Pro ty, kteří vyvíjejí vysoce účinné solenoidové produkty, je zásadní znát příčiny zbytkového magnetismu a způsoby jeho omezení.
Kapitola 2: Co je to zbytkový magnetismus?
Zbytkový magnetismus označuje zbytkový magnetismus, který zůstává uvnitř materiálu po odstranění vnějšího magnetického pole nebo elektrického proudu.
Když cívka solenoidu přijímá elektrickou energii, proud protéká drátem navinutým v cívce a generuje magnetické pole. Toto magnetické pole zmagnetizují železné jádro a kotvu v solenoidu. Teoreticky by po vypnutí napájení magnetické pole zcela zmizelo. Ve skutečnosti však některé domény zůstávají zmagnetizované a generují magnetické pole.
Tento druh zbytkové magnetické síly se označuje jako zbytkový magnetismus.
BrB_rBr
kde BrB_rBr je zbytková hustota magnetického toku.
Remanence solenoidu je přirozenou vlastností feromagnetických materiálů, jako je železo a ocel.
Kapitola 3: Jak vzniká zbytkový magnetismus?
Proč magnetické domény zůstávají i po magnetizaci?
Uvnitř magnetického materiálu se nachází množství mikroskopických magnetických oblastí, které se označují jako magnetické domény. Za normálních okolností jsou magnetické domény uvnitř materiálu uspořádány náhodně.
Po průchodu elektrického proudu:
magnetické pole způsobuje zarovnání domén
Magnetický materiál se silně zmagnetizuje
Magnetická síla přitahuje kotvu nebo píst
Nicméně po odpojení napájení:
většina magnetických domén se vrátí do původního stavu;
některé magnetické domény se stále zarovnávají;
uvnitř materiálu existuje zbytkové magnetické pole;
Takhle vzniká zbytkový magnetismus.
Kapitola 4: Hlavní příčiny zbytkového magnetismu
4.1 Magnetická saturace
Vysoká magnetická saturace má za následek, že po odpojení napájení zůstane více zarovnaných domén.
4.2 Magneticky tvrdé materiály
Magneticky tvrdý materiál si uchovává magnetismus po dlouhou dobu.
4.3 Absence vzduchové mezery
Absence mezery mezi jádrem a kotvou vede k vysokému zbytkovému magnetismu.
4.4 Nepřetržitý stejnosměrný napájecí zdroj
Nepřetržité napájení výrazně zvyšuje zbytkovou magnetickou sílu.
4.5 Špatný návrh magnetického obvodu
Chybný návrh magnetického obvodu zvyšuje pravděpodobnost zachycení zbytkového magnetismu.
Kapitola 5: Důsledky vysoké remanence solenoidu
Nadměrný zbytkový magnetismus by mohl způsobit mnoho problémů v provozu solenoidu.
5.1 Zaseklý píst
Hlavním problémem je zasekávání pístu po odpojení napájení. V tomto případě se píst nevrátí do původní polohy.
Výsledek:
Zpožděné uvolnění;
Nestálý pohyb;
Neúplné přepínání.
5.2 Nízká rychlost spínání
Zbytková magnetická síla působí proti síle vratné pružiny. Proto
Rychlost přepínání se sníží.
5.3 Porucha ventilu
Zejména v aplikacích solenoidových ventilů nebo dávkovacích čerpadel,
Úniky kapalin;
Řízení průtoku je nesprávné.
5.4 Více opotřebení
Se zbytkovým magnetismem,
Vzniká větší tření;
Povrch jádra se snadno opotřebovává;
Více hluku;
Opotřebení dílů.
5.5 Vyšší spotřeba energie
Pro překonání zbytkového magnetismu jsou nutné systémy využívající silné pružiny nebo vysoký budicí proud.
Kapitola 6: Rozdíl mezi solenoidem s pružinovým návratem a nepružinovým solenoidem v remanenci solenoidu
6.1 ：Typ struktury solenoidu ovlivňuje remanenci solenoidu.
Solenoid s vratnou pružinou
Mechanismus s vratnou pružinou se používá k zatlačení pístu zpět po odpojení napájení.
Výhoda:
Mechanická pružina působí proti zbytkové magnetické síle.
Nevýhoda:
Dlouhá doba uvolnění;
Vysoká spotřeba energie.
Ve srovnání s pružinovým solenoidem je solenoid bez pružinové konstrukce ve většině případů náchylný k zasekávání v důsledku zbytkového magnetismu.
6.2 Solenoid bez vratné pružiny
Bez použití mechanické pružiny využívá k dosažení účelu uvolnění jiné síly, jako je gravitace nebo zatěžovací síla.
Výhoda:
Nízká spotřeba energie;
Jednoduchá struktura;
Tichá práce.
Nevýhoda:
Účinek zbytkového magnetismu je mnohem větší;
Snadno se zasekne po vypnutí napájení.
Proto se ve většině průmyslových aplikací dává přednost solenoidu s pružinovým návratem, a to z důvodu menšího problému se zbytkovým magnetismem.
Kapitola 7: Faktory ovlivňující remanenci solenoidu
Materiál
Výběr vhodného materiálu hraje klíčovou roli při návrhu solenoidu.
Měkké magnetické materiály
Má následující vlastnosti:
Nízká magnetická koertivní síla;
Rychlá demagnetizace;
Mezi oblíbené materiály patří:
7.2 : železo
křemíková ocel;
měkká nerezová ocel;
Měkké magnetické materiály jsou vysoce použitelné v aplikacích vyžadujících rychlé a přesné spínání a řízení.
Magneticky tvrdé materiály
Magneticky tvrdé materiály si trvale udržují magnetismus.
Vlastnosti magneticky tvrdých materiálů:
vysoká magnetická koertivní síla;
silný zbytkový magnetismus;
Typické magneticky tvrdé materiály:
ocel s vysokým obsahem uhlíku;
permanentní magnetická slitina;
Obecně se magneticky tvrdý materiál nedoporučuje pro aplikace s rychlým uvolněním.
7.3 Vliv struktury
Struktura solenoidu má velký vliv na magnetickou retenci.
7.3.1. Návrh vzduchové mezery
Menší vzduchová mezera mezi jádrem a kotvou snižuje magnetickou retenci;
Výhoda:
Snížení magnetického účinku;
Zkrácení doby uvolnění;
Pro dosažení menší vzduchové mezery:
použití nemagnetické podložky;
použití zarážek;
gravírování povrchu jádra;
7.3.2. Návrh kontaktní plochy
Menší kontaktní plocha snižuje magnetickou sílu;
Výhoda:
Snížení zbytkového magnetismu;
Zvyšte rychlost uvolnění;
7.3.3. Návrh magnetického obvodu
Dobrý magnetický obvod zabraňuje koncentraci magnetického toku;
Zabraňuje magnetickému nasycení;
Zvyšuje magnetickou účinnost;
Špatný návrh magnetického obvodu má za následek vyšší zbytkový magnetický tok.
7.3.4. Návrh s vratnou pružinou
Síla pružiny musí přesně odpovídat zbytkovému magnetismu.
Pokud je pružina příliš slabá:
zbytkový magnetismus dominuje a způsobuje zaseknutí pístu;
Pokud je síla pružiny příliš velká:
snižuje tažnou sílu a zvyšuje spotřebu energie;
Kapitola 8: Řešení proti remanenci solenoidu
Jak minimalizovat zbytkový magnetismus během návrhu
Existuje několik způsobů, jak snížit zbytkový magnetismus v solenoidech.
8.1. Výběr vhodných magnetických materiálů
Měkké magnetické materiály s
vysoká magnetická permeabilita,
nízká magnetická koercivita
se doporučují. Běžně se používá magneticky měkký železný materiál.
8.2. Zamezení magnetické saturace
Vyhněte se provozu solenoidů v oblasti magnetické saturace.
B=μHB=\mu HB=μH
Vhodný návrh toku, aby se zabránilo retenci domény.
8.3. Přidání nemagnetických distančních vložek
Mosazné nebo nerezové distanční vložky vytvářejí v struktuře solenoidu malou vzduchovou mezeru.
Výhoda:
výrazně snížit zbytkovou magnetickou sílu;
8.4. Optimalizace elektrického proudu
Příliš velký proud vede k saturaci a zbytkovému magnetickému toku.
Vhodný proud:
správné napájení;
pulzní řízení proudu;
přesné načasování elektrického proudu;
8.5. Přesná povrchová úprava
Drsný povrch zvyšuje magnetickou přitažlivost.
Používejte techniku přesného broušení;
8.6. Proces demagnetizace
V některých přesných aplikacích může být proces demagnetizace střídavým proudem proveden až po výrobě.
Tím se účinně eliminuje zbytkové magnetické zarovnání.
Kapitola 9: Typy různých solenoidů a jejich remanence solenoidů
Typy solenoidů vykazují různý zbytkový magnetismus.
9.1 Stejnosměrný solenoid
Stejnosměrný typ je více ovlivněn zbytkovým magnetismem než jeho střídavý protějšek.
Hlavní důvody:
Stejnosměrné magnetické pole zůstává vždy v jednom směru;
Domény se neustále udržují zarovnané;
Vysoké riziko:
lepení;
pomalá rychlost uvolnění;
vyšší magnetická retence.
9.2 Solenoid střídavého proudu
Protože se magnetický směr v cyklu střídavého proudu neustále mění,
nižší zbytkový magnetismus;
rychlejší uvolňování;
Solenoid střídavého proudu však má tendenci vydávat hluk.
9.3 Rotační solenoid
Struktura obvykle vyžaduje složitý magnetický obvod.
Účinky:
neúplná rotace;
chyba polohování;
dlouhá doba uvolnění;
9.4 Zajišťovací solenoid
Je záměrně navržen tak, aby si zachoval magnetickou retenci;
výhoda:
nízká spotřeba energie během údržby;
napájení pouze během přepínání;
9.5 Trubkový solenoid
Trubková konstrukce zajišťuje dobrý magnetický výkon a
rovnoměrné rozložení toku;
Správná konstrukce zabraňuje problémům se zbytkovým magnetismem.
Kapitola 10: Důležité faktory pro zamezení problému se zbytkovým magnetismem během návrhu
Během procesu návrhu jsou klíčové následující aspekty.
výběr materiálu:
měkký magnetický materiál;
vzduchová mezera:
vyhněte se kontaktu celého povrchu bez ohledu na vzduchovou mezeru;
magnetická saturace:
udržujte hustotu magnetického toku v příslušném rozsahu;
přizpůsobení síly pružiny:
vyhněte se magnetickému nasycení způsobenému nesprávnou silou pružiny;
povrchová úprava:
dobrá povrchová úprava;
tepelný management:
teplota ovlivňuje magnetické vlastnosti;
kontrola tolerance:
malá změna velikosti má velký vliv na magnetickou retenci;
Kapitola 11: Závěr
Remanence solenoidu je přirozený fyzikální jev, který existuje uvnitř jakýchkoli elektromagnetů nebo solenoidů. Jeho účinky však lze kontrolovat rozumným návrhem.
Pokud se remanence solenoidu neřeší, způsobí v solenoidech následující problémy:
lepení;
dlouhá doba uvolnění;
porucha ventilu;
zvýšené opotřebení;
snížený výkon a stabilita;
Tajemství minimalizace zbytkového magnetismu spočívá v:
výběr materiálu;
návrh magnetického obvodu;
návrh vzduchové mezery;
pružinový design;
vyhněte se magnetické saturaci;
Kapitola 12: Často kladené otázky o remanenci solenoidu
12.1 Co je to remanence solenoidu?
Remanence solenoidu označuje slabou magnetickou sílu, která zůstane uvnitř solenoidu po odpojení napájení. K tomuto jevu dochází v důsledku toho, že některé magnetické domény se po vypnutí magnetického pole zcela nevyrovnají.
12.2 Co způsobuje zaseknutí pístu po vypnutí napájení?
Pokud je zbytková magnetická síla v solenoidu nadměrně velká, píst se zasekne a nemůže se vrátit do původní polohy, protože zbytková síla je větší než gravitační síla nebo vratná pružina.
Příčiny zasekávání pístu:
žádná vzduchová mezera;
špatný výběr materiálu;
slabá síla vratné pružiny;
vysoká magnetická saturace;
12.3 Které typy solenoidů jsou více ovlivněny zbytkovým magnetismem?
Stejnosměrný solenoid je více ovlivněn kvůli konstantní magnetizaci magnetických domén během provozu.
Aplikace, které běžně trpí problémy se zbytkovým magnetismem, jsou:
solenoidové ventily;
dávkovací čerpadla;
zámek dveří;
rotační solenoidy;
přesné přístroje.
12.4 Jak mohou inženýři během návrhu snížit zbytkový magnetismus?
Pro snížení zbytkového magnetismu v solenoidech lze použít následující techniky:
výběr magneticky měkkého materiálu;
přidání vzduchové mezery;
instalace nemagnetické distanční podložky;
nedodržování saturace magnetické síly;
nastavení síly pružiny;
12.5 Které materiály mají nízkou retenci?
Měkké magnetické materiály včetně
čisté železo;
křemíková ocel;
měkká nerezová ocel.
Při aplikaci se doporučuje vyhnout se magneticky tvrdým materiálům.
12.6 Může vratná pružina zmírnit problém se zbytkovým magnetismem?
Mechanická pružina pomáhá oddělit píst od jádra po vypnutí napájení.
Proto má solenoid s pružinovým vratným mechanismem lepší výkon při rychlém spínání.
12.7 Proč hraje vzduchová mezera důležitou roli v konstrukci solenoidů?
Vzduchová mezera v konstrukci solenoidu zajišťuje prostor mezi jádrem a kotvou, a tím zabraňuje úplnému kontaktu magnetických povrchů, čímž snižuje zbytkový magnetismus.
Výhody konstrukce se vzduchovou mezerou:
zvýšit rychlost uvolnění;
snížit zbytkovou magnetickou sílu;
zajistit konzistenci vydání;
12.8 Může zbytkový magnetismus poškodit solenoidy?
Zbytkový magnetismus sám o sobě nemůže zařízení poškodit, ale provozní problémy způsobené zbytkovým magnetismem nakonec vedou k opotřebení.
12.9 Jaký je rozdíl mezi zbytkovým magnetismem a permanentním magnetismem?
Rozdíl mezi permanentním a zbytkovým magnetismem:
permanentní označuje záměrně vytvořený magnetismus, který trvale udržuje magnetickou sílu;
zatímco zbytková znamená neúmyslnou magnetizaci magneticky citlivého materiálu.
12.10 Jak testovat zbytkový magnetismus v solenoidech?
Testovací kritéria zahrnují:
doba uvolnění pístu po vypnutí napájení;
přídržná síla;
výbojová vzdálenost;
hustota magnetického toku;
představení v rámci cyklu života.
