Introduktion til Teknisk løsning til låsende solenoid
En bistabil låsende solenoid er en elektromekanisk aktuator, der fungerer i to mekaniske tilstande og bevarer sin tilstand uden strømforbrug. På grund af dens egenskaber finder denne type solenoid bred anvendelse i kompakte lineære aktuatorer med lavt strømforbrug og i andre typer positionsholdere.
DC-solenoider skal have kontinuerlig strøm til spolen for at holde den aktiverede tilstand. I modsætning hertil fungerer bistabile solenoider normalt ved magnetisk låsning af aktuatorpositionen, efter at den elektriske puls er afsluttet.
Det andet elektriske signal flytter aktuatoren til den anden tilstand.
Dette princip tilbyder adskillige fordele i batteridrevne enheder, adgangskontrolsystemer, elektroniske låse, industriel automation, medicinsk udstyr, måleudstyr, sikkerhedsanordninger og i mange andre applikationer, der kun kræver strømforsyning i tilstandsændrende øjeblikke.
En bistabil låsende solenoidløsning tager højde for kraftparametre, magnetisk holdeevne, pulsenergi, spoledesign, mekanisk belastning, temperatur, tolerance, levetid, styreelektronik og driftsmiljø. Den følgende vejledning beskriver alle disse punkter.
1. Hvad er en bistabil låsende solenoid, og hvordan fungerer den?
En solenoid tjener til at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi på en lineær måde.
Strøm, der flyder gennem spolen, skaber et magnetfelt, som interagerer med det magnetiske kredsløb og genererer kraft på den bevægelige aktuator (anker eller stempel).
I en almindelig fjederretur-solenoid gør fjernelsen af elektrisk strøm det muligt for fjederen eller den eksterne belastning at bringe stemplet tilbage til dets udgangsposition.
Men en bistabil låsende solenoid fungerer på den anden måde.
Den viser to stabile mekaniske tilstande. Når aktuatoren når én tilstand, hjælper det magnetiske system med at opretholde denne tilstand uden kontinuerlig spolestrøm.
Det andet elektriske signal, der sendes af styresystemet, ændrer aktuatorens tilstand. Det betyder ofte, at spolens polaritet skal ændres i henhold til det magnetiske kredsløbsdesign.
Det betyder, at det meste af strømforsyningen bruges på at skifte position.
Og dette er meget gavnligt for bistabil drift, da enheden bruger det meste af sin tid i én tilstand og sjældent ændrer sin position.
2. Forskellene mellem enkelt låsning vs bistabile låsende solenoider
Ingeniører bør kende forskellen mellem bistabil og monostabil drift.
En monostabil solenoid viser kun én primær stabil position. Når den elektromagnetiske kraft forsvinder, returnerer fjederen eller en anden mekanisk kraft aktuatoren til den position.
I en bistabil aktuator er der to stabile positioner.
Lad os se på et elektronisk låsesystem som et eksempel.
Den første elektriske puls flytter låsestiften til sin låste position. Derefter holdes stiften i sin position, selv når den elektriske puls slutter.
En omvendt elektrisk puls ændrer aktuatormekanismen til den ulåste position, som også holdes efter den elektriske puls slutter.
Ingen af positionerne kræver en kontinuerlig strømforsyning for at opretholde den.
Det er en af grundene til, at bistabile låsende solenoider er nyttige i enheder med lavt strømforbrug.
Designere skal dog huske, at aktuatoren bevarer sin position selv under strømsvigt.
3. Bestemmelse af krævet slaglængde
Et streg er hele den lineære bane fra en stabil position til den anden.
Flere millimeter slaglængde kan være nok til typisk AP, men nogle mekanismer kræver længere slaglængder.
Ingeniører bør ikke specificere unødvendige rejser.
Virkningen af slagtilfælde stiger:
Tilgængelig kraft
Effektivitet af magnetisk kredsløb
Magnetventilens dimensioner
Stempelvægt
Svartid
Nødvendig elektrisk strøm
Hvis en lås har brug for 4 mm slaglængde, øger design af en længere slaglængde solenoidens størrelse eller effektivitet uden behov.
Under designet af en bistabil låsende solenoid bør ingeniører kende den fulde mekaniske mekanisme og bestemme den minimale slaglængde med korrekte tolerancer.
4. Evaluering af den bistabile låsende solenoidkraft gennem slaget
En solenoid viser normalt ikke konstant kraft under hele bevægelsen.
Den tilgængelige elektromagnetiske kraft afhænger af stemplets position og det magnetiske luftspalte.
Under alle omstændigheder kan dette gøre kraftspecifikationen misvisende.
Antag at applikationen kræver følgende:
slaglængde — 6 mm
Startkraft – 8 N
mellemliggende kraft — 12 N
slutkraft — 20 N
I et sådant tilfælde, hvis solenoiden kun kan yde 20 N ved slutningen af slaget, men ikke kan yde de 8 N, der er nødvendige for at begynde at bevæge sig, kan den ikke fungere korrekt.
Derfor bør ingeniører, når det er muligt, kontrollere kraft/slaglængde-grafen.
Den mekaniske belastning bør også omfatte:
fjederkraft
friktion.
tyngdekraften
modstand af kobling
forsegle
mekanisk tolerance
accelererende
kontamineringseffekter
Den valgte bistabile låsemagnet skal kunne yde tilstrækkelig kraft i hele arbejdsområdet, ikke kun på et bestemt punkt.
5. Forståelse af magnetisk holdekraft
Aktiveringskraft er ikke lig med holdekraft.
Aktiveringskraften bevæger stemplet. Men holdekraften bevarer den ønskede position, efter at den elektriske impuls er afsluttet.
I bistabilt design er holdeevnen sandsynligvis den vigtigste tekniske parameter.
Den nødvendige kraft til fastholdelse afhænger af anvendelsen.
En lille intern afbrydermekanisme kræver relativt lav kraft for at holde den fast. Men en tung lås eller industriel mekanisme kræver meget mere.
Ingeniører bør vide, om eksterne belastninger, vibrationer, stød, fjedre eller mekaniske tolerancer overvinder den magnetiske holdekraft.
Derfor bør det magnetiske kredsløb i den bistabile låsende solenoid designes med hensyntagen til både bevægelse og positionsfastholdelse.
Det gælder især for sikkerhedsprodukter, fordi ydeevnevalidering altid bør udføres på hele mekanismen.
6. Valg af driftsspænding
Almindelige DC-driftsspændinger kan være:
3 VDC
5 VDC
6 VDC
9 VDC
12 VDC
24 VDC
Andre spolespændinger er tilgængelige.
Spændingsvalget bør koordineres med produktets elektriske arkitektur.
Spænding alene er dog ikke et kriterium for ingeniørers valg af en solenoid.
Vigtige elektriske parametre er
spænding - potentiale tilført spolen
spolemodstand - sammen med den påførte spænding bestemmer strømmens opførsel
påvirker elektromagnetisk kraft og strømforbrug
pulslængde — definerer, hvor længe spolen er aktiveret under aktivering
energi pr. puls - bekræfter, at der er nok mekanisk arbejde til at foretage overgangen
Strøm- og pulsenergi er særligt vigtige i batteridrevne systemer.
7. Optimering af den bistabile låsende solenoid Pulslængde
En af de vigtigste tekniske fordele ved dette bistabile design er, at spolen ikke kræver kontinuerlig strøm for at forblive i en stabil tilstand.
Eller det er muligt at bruge korte impulser til at ændre aktuatorens position.
For eksempel kan én applikation fungere med:
spænding – 12 V DC
pulslængde — 100 ms
driftsfrekvens - 20 gange om dagen
Til andre anvendelser er en pulslængde på 300 ms nødvendig på grund af tungere mekanisk belastning eller længere slaglængde.
Pulslængden afhænger af spolen, det magnetiske kredsløb, den mekaniske belastning, slaglængden, spændingen og den tilgængelige strøm.
Hvis pulsen er for kort, fuldfører den bistabile låsende solenoid muligvis ikke sin bevægelse.
Men en længere puls spilder energi og forårsager overdreven varme.
Prototypetestning bør fastslå pålidelig pulslængde under worst-case forhold, ikke kun minimal arbejdspuls i én prøve.
8. Vær opmærksom på polaritetsomvending og drivelektronik
Mange bistabile solenoider ændrer deres tilstand ved at strømmen gennem spolen omvendes med polariteten.
Det betyder, at drivelektronikken skal kunne styre polariteten.
Afhængigt af produktarkitekturen bør ingeniører bruge en H-bro eller et lignende koblingskredsløb.
Design af drevelektronik bør baseres på
spolespænding
maksimal strøm
pulslængde
skifte frekvens
induktiv proces
beskyttelsesbehov
tilgængeligt batteri eller strømforsyning
Der skal lægges særlig vægt på induktive belastninger, når strømmen er afbrudt.
En bistabil låsende solenoid og dens driverelektronik bør udvikles som ét system, ikke som separate elementer.
Under lav batterispænding eller i værst tænkelige tilfælde kan den mekaniske drift være upålidelig, hvis den elektriske drivelektronik ikke kan levere tilstrækkelig strøm.
9. Vurdering af effekt- og energibehov
For applikationer med lavt strømforbrug er øjeblikkelig strøm ikke den eneste fordel; ingeniører bør også overveje energi pr. operation.
En bistabil aktuator kan bruge relativt høj strøm i løbet af kort tid og bruger kun lidt samlet energi pr. dag på grund af fraværet af holdestrøm.
Det betyder, at det er attraktivt for:
Smarte låse (batteridrevne)
IoT-gadgets
Bærbart udstyr
Elektroniske skabe:
Fjernbetjeningssystemer
Smarte målere
Automatiseringer, der er opmærksomme på energibehov
Når man vælger en bistabil låsende solenoid, bør ingeniører estimere det samlede daglige energiforbrug, herunder typisk pulslængde og antal operationer.
Ingeniører bør også kontrollere det værst tænkelige batteri-til-spænding-forhold og den indre modstand. Et nyt batteri kan have andre spændingskarakteristika nær slutningen af dets levetid.
10. Kontroller den bistabile låsende solenoids termiske ydeevne
Der kan opnås passende termiske fordele med bistabile solenoider, da de forsynes med strøm i en kort periode.
Korte pulser betyder ikke nødvendigvis, at temperaturen altid kan ignoreres.
Temperaturen bliver et problem, når:
Pulsvarigheden er for lang.
Driftsfrekvensen er høj.
Spændingen overstiger designværdien
Omgivelsestemperaturen er høj.
Aktuatorens hus er
Begrænset køling
Spolernes modstand er temperaturafhængig.
Derfor er det vigtigt at teste aktuatoren ved den højeste driftsfrekvens og omgivelsestemperatur.
En korrekt designet bistabil låsende solenoid bør give den tilstrækkelige aktiveringskraft ved ethvert temperaturområde.
11. Husk responstiden
Hurtige tilstandsændringer er nogle gange nødvendige, men langsom respons og stille drift er også påkrævet i nogle tilfælde.
Svartid kan afhænge af:
Slaglængde
Stempelvægt.
Forsyningsspænding
Spolernes egenskaber
Mekanisk stress
Fjederspænding (fjederkraft)
Friktion (n)
Magneternes holdekraft
Driverdesign
Yderligere elektrisk energi kan være nyttig i nogle situationer, men på den anden side kan det øge stød, støj og varmeudvikling.
Der er derfor et behov for ingeniøroptimering.
Hvis præcisionen er kritisk, bør både elektrisk og mekanisk timing måles.
12. Design med lang levetid for den bistabile låsende solenoid
En aktuator, der har bestået 100 laboratoriecyklusser, er ikke nødvendigvis egnet til masseproduktion.
Der er applikationer, hvor antallet af cyklusser kan være hundredtusinder eller endda millioner.
Sliddet kan forekomme ved:
Styring af stemplet
Mekaniske stop
Skafter.
Springs
Links
Kontaktflader
Sidebelastning kan forårsage alvorlige problemer.
En bistabil låsende solenoid er normalt designet til aksial lineær bevægelse.
Hvis kundens mekanisme skaber en høj sidebelastning af stemplet, kan virkningerne af friktion og slid øges betydeligt.
Derfor er god mekanisk justering et must.
Når det er muligt, bør livscyklustesten udføres under samme slaglængde, belastning, spænding, pulsvarighed, frekvens, temperatur og monteringsforhold som i det endelige produkt.
13. Støj- og mekanisk stødkontrol
Aktivering af solenoiden kan forårsage en hørbar kliklyd på grund af stemplets kontakt med stopklodserne for enden af slaget.
Det kan være acceptabelt i industrielt udstyr, men ikke i medicinsk udstyr, smart home-produkter, kontorudstyr eller premium adgangskontrolsystemer.
Kilderne til støj kan være:
Stempeleffekt
Stopeffekt (mekanisk)
Overclearance
Resonans af huset
Koblingseffekt
Højhastighedsskift
For at minimere støj kan det være nødvendigt at implementere mekanisk dæmpning, optimere frigange, ændre stempelhastigheden, ændre stop eller anvende pulsstyring.
Dæmpning bør dog ikke påvirke den bistabile låsesolenoids evne til at opnå den endelige position.
Der er således en afvejning mellem støjminimering og kraft, hastighed og pålidelighed.
14. Miljøforhold og temperaturhensyn
Driftsmiljøet bør defineres tidligt.
De vigtige betingelser kan være
Laveste temperatur
Højeste temperatur
Fugtighed
Støv.
Fugtighed
Vibrationer.
Mekanisk stød og/eller
oktober 2023
Miljøgifte
Lave temperaturer kan påvirke smøremidlets egenskaber og den mekaniske friktion.
Høje temperaturer kan påvirke spolens modstand og magnetiske ydeevne.
Støv og forurenende stoffer kan begrænse stemplets bevægelse.
Fuld indkapsling giver en stor del af miljøbeskyttelsen til udendørs applikationer.
Den bistabile låsesolenoid skal dog testes under forhold, der svarer til det endelige produkt.
15. Tilpassede vs. standard bistabile låsende solenoider
En standardaktuator er ofte det bedste udgangspunkt, fordi den kan reducere ingeniørtiden, værktøjsomkostningerne og leveringstiden for prototyper.
Ikke desto mindre kan OEM-applikationer kræve tilpasning.
Nogle af de typiske tilpasningsparametre er
Spænding
Spolens modstand
Strokes
Aktiveringskraft
holdekraft
Stemplets geometri
Aksellængde
Samlede dimensioner
afskediget
Forår
Bly ledninger
Stik
16. Tilpasning bør foretages af klare tekniske årsager.
For eksempel, hvis den standard bistabile låsende solenoid opfylder alle kravene undtagen stemplets længde, kan det være mere økonomisk at udskifte stemplet end at redesigne den magnetiske struktur fra bunden.
Samarbejde med kunden på et tidligt stadie kan føre til en mere effektiv løsning.
- Validering af præproduktionsdesign
Den tekniske validering bør være mere end en simpel funktionstest.
Afhængigt af anvendelsen kan ingeniørerne teste:
Krafttest: Mål kraften på bestemte punkter i slaget.
Holdekrafttest: Verificér stabiliteten i begge tilstande.
Spændingstest: Test ved den laveste, nominelle og højeste forventede spænding.
Pulstest: Bekræft driften inden for det tilsigtede pulsområde.
Temperaturtest: Test af ydeevne ved ekstreme miljøforhold.
Levetidstest: Simuler langvarig drift.
Vibrations- og stødtest: De er nødvendige for mobilt og industrielt udstyr.
Støjtest: Det er nødvendigt for støjfølsomme produkter.
Applikationstest: Test aktuatoren i slutproduktet.
Et meget vigtigt aspekt er testen af den bistabile låsemagnet i forbindelse med kundens mekanisme, da aktuatoren kan opføre sig anderledes efter installationen.
17. Nøgleparametre for bistabil låsende solenoid i tekniske RFQ'er
Ved bestilling af en ny eller specialtilpasset solenoid skal der fremlægges tilstrækkelige tekniske data til at muliggøre en meningsfuld vurdering.
Nyttige specifikationer kan omfatte:
Anvendelse: Elektronisk lås
Magnetventilens type: Bistabil låsning
Spænding: 12 VDC.
Maksimal tilgængelig strøm: 1.2A
Slaglængde: 5 mm
Startkraft: 8N
Nødvendig gribekraft: 20 N
Pulslængde: 150-250 ms
Maksimal frekvens: 10 cyklusser pr. minut
Forventet levetid: 500,000 cyklusser
Driftstemperaturområde: -20°C ~ 60°C
Maksimal størrelse: 35x25x20 mm
Krav til lavt støjniveau
Årlig mængde: 100,000 stk.
Mere effektiv ingeniørkunst kan opnås ved at levere CAD-filer, mekanismetegninger, fotos og belastningsoplysninger.
Tjekliste til valg af ingeniør
Før du godkender designet, skal du sørge for:
Kravet på slagtilfælde er veldefineret.
Der er nok kraft til arbejdsslaget.
– Holdekraften er tilstrækkelig i begge nødvendige tilstande.
Spændingen er kompatibel med det elektroniske system.
Driveren er i stand til at acceptere spidsstrømmen.
Pulstid er den garanterede måde at bevæge sig på.
Polaritetskontrollen er korrekt implementeret.
Tilstanden for lavt batteriniveau testes.
Den termiske ydeevne er god.
Svartid opfylder systemkravene.
Mekanisk justering forhindrer overbelastning ved sidebelastning.
Miljøforhold tages i betragtning.
Støj er acceptabelt.
Driftslevetiden er dokumenteret.
Produktionstolerance tages i betragtning.
Hele samlingen testes.
18. Resumé
En bistabil låsemagnet er en energieffektiv løsning til applikationer, der kræver to stabile mekaniske positioner og lav holdekraft.
Den grundlæggende tekniske fordel ved den bistabile solenoid er enkel: elektrisk energi bruges primært til at ændre tilstand, ikke til at opretholde den.
En vellykket implementering af aktuatoren er dog langt mere end blot at vælge den korrekte spænding.
Ingeniørerne bør evaluere kraften gennem hele slaget, holdekraft, pulsenergi, polaritetskontrol, driverelektronik, temperatur, mekanisk belastning, responstid, miljøforhold og levetid.
Desuden skal aktuatoren og kundens mekanisme betragtes som ét elektromekanisk system.
For OEM-applikationer er det nødvendigt at udføre prototypetestning under realistiske forhold.
Ingeniørerne bør teste minimums- og maksimumspænding, ekstreme temperaturer, mekanisk belastning, produktionstolerancer og den forventede driftsfrekvens.
Når bistabil teknologi er korrekt konstrueret og valideret, giver den pålidelig lineær aktivering med reduceret strømforbrug og energistyring.
19: Ofte stillede spørgsmål om bistabil låsning
solenoidingeniørløsninger
1. Hvad er en bistabil låsende solenoid?
En bistabil låsende solenoid er en elektromagnetisk aktuator, der har to stabile tilstande.
Den kan holde sig selv i den valgte position, selv efter at den elektriske puls er slut, hvilket reducerer eller eliminerer behovet for kontinuerlig holdestrøm.
2. Hvordan fungerer en bistabil låsende solenoid?
Ankeret, eller stemplet, bevæges af det magnetiske felt, der genereres af elektrisk strøm, der passerer gennem spolen.
Magnetisk låsning bevarer den valgte position efter afbrydelse af strømmen.
Aktuatoren kan skiftes til den anden stabile tilstand ved hjælp af den elektriske impuls.
3. Kræver en bistabil solenoid konstant strøm?
Generelt behøver spolens effekt ikke at være kontinuerlig for at holde den stabile position.
Den primære anvendelse af elektrisk energi er tilstandsændring.
Den nøjagtige opførsel afhænger af aktuatorens magnetiske og mekaniske design.
4. Hvad er forskellen på en bistabil og en almindelig solenoid?
En almindelig fjederreturmagnet vender normalt tilbage til hvilepositionen, når strømmen afbrydes.
En bistabil solenoid kan holde sig selv i en af to stabile positioner uden behov for kontinuerlig strømforsyning.
5. Hvorfor har du brug for en bistabil låsende solenoid til batteridrevne produkter?
Elektrisk energi bruges primært under tilstandsændringer, hvilket fører til reduceret gennemsnitligt strømforbrug i applikationer, der forbliver i én position i lang tid.
Dette er nyttigt til smarte låse, bærbart udstyr, IoT-produkter og andre batteridrevne systemer.
6. Hvordan vælger jeg den korrekte solenoidkraft?
Du bør beregne belastningen over hele slaglængden, inklusive fjedre, friktion, tyngdekraft, koblingskræfter og acceleration.
Vurder derefter aktuatorens kraft i forhold til slaglængdekarakteristika, og sørg for den passende tekniske margen.
7. Hvad er holdekraften for den bistabile solenoid?
Holdekraft – Den kraft, der holder aktuatoren i sin låste position efter afbrydelse af spolestrømmen.
Det bør betragtes separat fra den elektromagnetiske kraft, hvormed stemplet bevæges.
8. Kræver en bistabil låsende solenoid omvendt polaritet?
Mange designs ændrer tilstanden ved at vende strømmens polaritet.
Detaljerne i styringen afhænger af magnet- og spoledesignet.
Derfor bør driverkredsløbet designes til den valgte aktuator.
9. Hvor lang skal den elektriske puls være?
Pulsvarigheden er en funktion af spænding, strøm, slaglængde, mekanisk belastning, spoleegenskaber og magnetisk design.
Den skal være lang nok til pålideligt at bevæge stemplet under de værst tænkelige forhold uden unødvendigt energiforbrug og overophedning.
Bistabile solenoider kan faktisk tilpasses.
Ja.
Parametre som spænding, spolemodstand, slaglængde, kraft, holdekraft, stempelgeometri, dimensioner, montering, ledningsføring, stik osv. kan tilpasses afhængigt af produktionskapaciteter og applikationskrav.
10. Hvad er de typiske anvendelser af bistabile låsende solenoider?
Typiske anvendelser er smarte låse, adgangskontrolsystemer, industriel automation, medicinsk udstyr, elektroniske kabinetter, måleinstrumenter, sikkerhedsmekanismer, bærbart udstyr og andre elektromekaniske systemer med lavt strømforbrug.
11. Hvilke tests bør ingeniører udføre før masseproduktion?
Ingeniører bør kontrollere kraft, slaglængde, holdekraft, minimums- og maksimumspændinger, pulsvarighed, temperatur, levetid, mekanisk justering, vibrationer, støj og miljømæssig ydeevne.
Den endelige testning bør udføres med aktuatoren monteret i det færdige produkt.
