Introduction à la Solution d'ingénierie pour solénoïde de verrouillage
Un solénoïde bistable à verrouillage est un actionneur électromécanique fonctionnant dans deux états mécaniques et conservant l'un ou l'autre sans consommation d'énergie. Grâce à ses caractéristiques, ce type de solénoïde est largement utilisé dans les actionneurs linéaires compacts basse consommation et dans d'autres types de dispositifs de maintien de position.
Les solénoïdes à courant continu nécessitent une alimentation continue de la bobine pour maintenir l'état actionné. En revanche, les solénoïdes bistables fonctionnent généralement par verrouillage magnétique de la position de l'actionneur après la fin de l'impulsion électrique.
Le deuxième signal électrique fait passer l'actionneur dans l'autre état.
Ce principe offre de nombreux avantages dans les appareils alimentés par batterie, les systèmes de contrôle d'accès, les serrures électroniques, l'automatisation industrielle, les équipements médicaux, les appareils de mesure, les dispositifs de sécurité et dans de nombreuses autres applications qui ne nécessitent une alimentation électrique que lors de changements d'état.
La conception d'un solénoïde bistable à verrouillage tient compte des paramètres de force, des performances de maintien magnétique, de l'énergie d'impulsion, de la conception de la bobine, de la charge mécanique, de la température, des tolérances, de la durée de vie, de l'électronique de commande et de l'environnement d'exploitation. Le guide suivant décrit tous ces points.
1. Qu'est-ce qu'un solénoïde bistable à verrouillage, et comment fonctionne-t-il ?
Un solénoïde sert à convertir l'énergie électrique en énergie mécanique de manière linéaire.
Le courant traversant la bobine crée le champ magnétique, qui interagit avec le circuit magnétique et génère une force sur l'actionneur mobile (armature ou piston).
Dans un solénoïde à ressort de rappel classique, la coupure de l'alimentation électrique permet au ressort ou à une charge externe de ramener le piston à sa position initiale.
Mais un solénoïde bistable à verrouillage fonctionne dans l'autre sens.
Il présente deux états mécaniques stables. Une fois que l'actionneur a atteint un état, le système magnétique contribue à maintenir cet état sans courant continu dans la bobine.
Le second signal électrique envoyé par le système de commande modifie l'état de l'actionneur. Le plus souvent, cela consiste à inverser la polarité de la bobine conformément à la conception du circuit magnétique.
Cela signifie que la majeure partie de l'énergie est consommée par le changement de position.
Et ceci est très avantageux pour un fonctionnement bistable, car le dispositif passe la majeure partie de son temps dans un même état et change rarement de position.
2. Les différences entre les verrouillage simple vs. solénoïdes de verrouillage bistables
Les ingénieurs doivent connaître la différence entre le fonctionnement bistable et le fonctionnement monostable.
Un solénoïde monostable ne possède qu'une seule position stable principale. Lorsque la force électromagnétique disparaît, le ressort ou une autre force mécanique ramène l'actionneur à cette position.
Dans un actionneur bistable, il existe deux positions stables.
Prenons l'exemple d'un système de verrouillage électronique.
La première impulsion électrique amène la goupille de verrouillage en position verrouillée. Ensuite, la goupille reste maintenue dans cette position même après la fin de l'impulsion électrique.
Une impulsion électrique inverse déplace le mécanisme de l'actionneur en position déverrouillée, qui est maintenue même après la fin de l'impulsion électrique.
Aucune des deux positions ne nécessite une alimentation électrique continue pour être maintenue.
C'est l'une des raisons pour lesquelles les solénoïdes bistables à verrouillage sont utiles dans les appareils à faible consommation.
Toutefois, les concepteurs doivent garder à l'esprit que l'actionneur conserve sa position même en cas de panne de courant.
3. Détermination de la course requise
Un coup est le trajet linéaire complet d'une position stable à l'autre.
Quelques millimètres de course peuvent suffire pour une AP typique, mais certains mécanismes nécessitent des courses plus longues.
Les ingénieurs ne devraient pas prescrire de déplacements inutiles.
L'impact des AVC augmente :
Force disponible
Efficacité du circuit magnétique
Dimensions du solénoïde
Poids du piston
Le temps de réponse
Puissance électrique requise
Si une serrure nécessite une course de 4 mm, concevoir une course plus longue augmente inutilement la taille ou l'efficacité du solénoïde.
Lors de la conception d'un solénoïde de verrouillage bistable, les ingénieurs doivent connaître l'intégralité du mécanisme mécanique et déterminer la valeur minimale de la course avec les tolérances appropriées.
4. Évaluation de la force du solénoïde de verrouillage bistable au cours de la course
Un solénoïde ne présente généralement pas une force constante durant toute sa course.
La force électromagnétique disponible dépend de la position du piston et de l'entrefer magnétique.
Dans tous les cas, cela peut rendre la spécification de la force trompeuse.
Supposons que l'application exige ce qui suit :
course—6 mm
Force de démarrage : 8 N
force intermédiaire — 12 N
force finale — 20 N
Dans un tel cas, si le solénoïde ne peut fournir que 20 N à la fin de sa course mais ne peut pas fournir les 8 N nécessaires pour démarrer le mouvement, il ne peut pas fonctionner correctement.
Par conséquent, lorsque cela est possible, les ingénieurs devraient vérifier le graphique force/course.
La charge mécanique doit également comprendre :
force du ressort
friction.
la gravité
résistance de liaison
sceller
tolérance mécanique
accélérer
effets de la contamination
Le solénoïde de verrouillage bistable sélectionné doit être capable de fournir une force suffisante sur toute la plage de fonctionnement, et non seulement à certains moments.
5. Compréhension de la force de maintien magnétique
La force d'actionnement n'est pas égale à la force de maintien.
La force d'actionnement déplace le piston. Mais la force de maintien conserve la position requise après la fin de l'impulsion électrique.
Dans la conception bistable, la performance de maintien est probablement le principal paramètre d'ingénierie.
La force nécessaire pour le maintien dépend de l'application.
Un petit mécanisme de commutation interne nécessite une force de maintien relativement faible. En revanche, une serrure lourde ou un mécanisme industriel en requiert beaucoup plus.
Les ingénieurs doivent savoir si les charges externes, les vibrations, les chocs, les ressorts ou les tolérances mécaniques l'emportent sur la force de maintien magnétique.
Par conséquent, le circuit magnétique du solénoïde de verrouillage bistable doit être conçu en tenant compte à la fois du mouvement et du maintien de la position.
Cela est particulièrement vrai pour les produits de sécurité, car la validation des performances doit toujours être effectuée sur l'ensemble du mécanisme.
6. Choix de la tension de fonctionnement
Les tensions de fonctionnement CC courantes peuvent être :
3 VDC
5 VDC
6 VDC
9 VDC
12 VDC
24 VDC
D'autres tensions de bobine sont disponibles.
Le choix de la tension doit être coordonné avec l'architecture électrique du produit.
Cependant, la tension seule ne constitue pas un critère de sélection d'un solénoïde par les ingénieurs.
Les paramètres électriques importants sont
tension — potentiel fourni à la bobine
La résistance de la bobine, associée à la tension appliquée, détermine le comportement du courant.
influence la force électromagnétique et la consommation d'énergie
Durée d'impulsion — définit la durée pendant laquelle la bobine est alimentée lors de l'actionnement.
L'énergie par impulsion confirme qu'il y a suffisamment de travail mécanique pour effectuer la transition.
L'énergie du courant et des impulsions est particulièrement importante dans les systèmes alimentés par batterie.
7. Optimisation de la durée d'impulsion du solénoïde de verrouillage bistable
L'un des principaux avantages techniques de cette conception bistable est que la bobine ne nécessite pas d'alimentation continue pour rester dans un état stable.
Ou bien, il est possible d'utiliser de courtes impulsions pour modifier la position de l'actionneur.
Par exemple, une application peut fonctionner avec :
tension – 12 V CC
Durée d'impulsion : 100 ms
Fréquence de fonctionnement : 20 fois par jour
Pour d'autres applications, une durée d'impulsion de 300 ms est nécessaire en raison d'une charge mécanique plus importante ou d'une course plus longue.
La durée de l'impulsion dépend de la bobine, du circuit magnétique, de la charge mécanique, de la course, de la tension et du courant disponible.
Si l'impulsion est trop courte, le solénoïde de verrouillage bistable risque de ne pas achever son mouvement.
Mais une impulsion plus longue gaspille de l'énergie et provoque une chaleur excessive.
Les essais de prototypes doivent établir une longueur d'impulsion fiable dans les conditions les plus défavorables, et non pas seulement une impulsion de fonctionnement minimale sur un seul échantillon.
8. Faites attention à l'inversion de polarité et à l'électronique de commande.
De nombreux solénoïdes bistables changent d'état par inversion de polarité du courant traversant la bobine.
Cela signifie que l'électronique de commande doit pouvoir contrôler la polarité.
En fonction de l'architecture du produit, les ingénieurs doivent utiliser un pont en H ou un circuit de commutation similaire.
La conception de l'électronique de commande doit être basée sur
tension de bobine
courant maximum
durée de l'impulsion
fréquence de commutation
processus inductif
besoins de protection
batterie ou alimentation électrique disponible
Une attention particulière doit être portée aux charges inductives lorsque le courant est coupé.
Un solénoïde bistable à verrouillage et son électronique de commande doivent être développés comme un seul système, et non comme des éléments séparés.
En cas de batterie faible ou de tension extrêmement basse, le fonctionnement mécanique peut être peu fiable si l'électronique d'entraînement électrique ne peut pas fournir un courant suffisant.
9. Évaluation des besoins en puissance et en énergie
Pour les applications à faible puissance, le courant instantané n'est pas le seul critère de performance ; les ingénieurs doivent également prendre en compte l'énergie par opération.
Un actionneur bistable peut consommer un courant relativement élevé pendant une courte période, tout en consommant peu d'énergie totale par jour grâce à l'absence de courant de maintien.
Cela signifie qu'il est attrayant pour :
Serrures intelligentes (alimentées par batterie)
Gadgets IoT
Équipement portable
Casiers électroniques :
Systèmes de contrôle à distance
Les compteurs intelligents
Automatisations conscientes des besoins énergétiques
Lors du choix d'un solénoïde bistable à verrouillage, les ingénieurs doivent estimer la consommation énergétique quotidienne totale, y compris la durée d'impulsion typique et le nombre de cycles de fonctionnement.
Les ingénieurs doivent également vérifier la tension de la batterie dans le pire des cas, ainsi que sa résistance interne. Une batterie neuve peut présenter des caractéristiques de tension différentes en fin de vie.
10. Vérifier les performances thermiques du solénoïde de verrouillage bistable
Les solénoïdes bistables présentent des avantages thermiques significatifs puisqu'ils sont alimentés en électricité pendant une courte période.
Des impulsions courtes n'impliquent pas nécessairement que la température puisse toujours être négligée.
La température deviendra un problème lorsque :
La durée de l'impulsion est trop longue.
La fréquence de fonctionnement est élevée.
La tension dépasse la valeur nominale
La température ambiante est élevée.
Le boîtier de l'actionneur est
Refroidissement limité
La résistance des bobines dépend de la température.
Il est donc important de tester l'actionneur à la fréquence de fonctionnement et à la température ambiante les plus élevées.
Un solénoïde bistable à verrouillage correctement conçu devrait fournir la force d'actionnement adéquate dans n'importe quelle plage de températures.
11. Tenez compte du temps de réponse.
Des changements d'état rapides sont parfois nécessaires, mais une réponse lente et un fonctionnement silencieux sont également requis dans certains cas.
Le délai de réponse peut dépendre de :
Longueur de course
Poids du piston.
Tension d'alimentation
Propriétés des bobines
Stress mécanique
Tension du ressort (force du ressort)
Friction (n)
Force de maintien des aimants
Conception du pilote
Un apport d'énergie électrique supplémentaire peut s'avérer utile dans certaines situations, mais il peut en revanche accroître l'impact, le bruit et la production de chaleur.
Il existe donc un besoin d'optimisation en ingénierie.
Si la précision est essentielle, il convient de mesurer à la fois la synchronisation électrique et mécanique.
12. Conception d'un solénoïde de verrouillage bistable à longue durée de vie
Un actionneur ayant subi 100 cycles en laboratoire n'est pas nécessairement adapté à la production en série.
Il existe des applications où le nombre de cycles peut atteindre des centaines de milliers, voire des millions.
L'usure peut apparaître à :
Guide du piston
Butées mécaniques
Arbres.
Ressorts
Liens
Surfaces de contact
Le chargement latéral peut engendrer de graves problèmes.
Un solénoïde de verrouillage bistable est généralement conçu pour un mouvement linéaire axial.
Si le mécanisme du client crée une charge latérale élevée sur le piston, les effets du frottement et de l'usure peuvent alors augmenter considérablement.
Un bon alignement mécanique est donc indispensable.
Dans la mesure du possible, le test de cycle de vie doit être réalisé dans les mêmes conditions de course, de charge, de tension, de durée d'impulsion, de fréquence, de température et de montage que celles du produit final.
13. Contrôle du bruit et des impacts mécaniques
L'actionnement du solénoïde peut provoquer un cliquetis audible dû au contact du piston avec les butées en fin de course.
Cela peut être acceptable dans les équipements industriels, mais pas dans les domaines médical, des produits domotiques, des équipements de bureau ou des systèmes de contrôle d'accès haut de gamme.
Les sources de bruit peuvent être :
Effet piston
Effet d'arrêt (mécanique)
Dégagement excessif
Résonance du logement
Effet de liaison
Commutation à grande vitesse
Pour minimiser le bruit, il peut être nécessaire de mettre en œuvre un amortissement mécanique, d'optimiser les jeux, de modifier la vitesse du piston, de changer les butées ou d'appliquer une commande par impulsions.
Toutefois, l'amortissement ne doit pas affecter la capacité du solénoïde de verrouillage bistable à atteindre la position finale.
Il existe donc un compromis entre la minimisation du bruit et la force, la vitesse et la fiabilité.
14. Conditions environnementales et considérations relatives à la température
L'environnement opérationnel doit être défini dès le début.
Les conditions importantes peuvent être
Température la plus basse
Température la plus élevée
Humidité
Poussière.
Humidité
Les vibrations.
choc mécanique et/ou
Octobre 2023
Polluants
Les basses températures peuvent affecter les propriétés du lubrifiant et le frottement mécanique.
Les températures élevées peuvent affecter la résistance de la bobine et ses performances magnétiques.
La poussière et les contaminants peuvent limiter le mouvement du piston.
Le boîtier intégral assure une grande partie de la protection environnementale pour les applications extérieures.
Toutefois, le solénoïde de verrouillage bistable doit être testé dans des conditions correspondant au produit final.
15. Électrovannes bistables à verrouillage personnalisées vs. standard
Un actionneur standard constitue souvent le meilleur point de départ car il permet de réduire le temps d'ingénierie, le coût de l'outillage et le délai de livraison des prototypes.
Néanmoins, les applications OEM peuvent nécessiter une personnalisation.
Voici quelques exemples de paramètres de personnalisation typiques :
Tension
Résistance de la bobine
Strokes
Force d'activation
force de maintien
Géométrie du piston
Longueur de l'arbre
Dimensions totales
Rejeté
Printemps
Fils conducteurs
Connecteurs
16. La personnalisation doit être effectuée pour des raisons techniques claires.
Par exemple, si le solénoïde bistable à verrouillage standard répond à toutes les exigences sauf la longueur du plongeur, alors changer le plongeur peut être plus économique que de repenser entièrement la structure magnétique.
Collaborer avec le client dès le début peut mener à une solution plus efficace.
- Validation de la conception avant production
La validation technique doit être plus qu'un simple test fonctionnel.
Selon l'application, les ingénieurs peuvent tester :
Test de force : Mesurer la force à certains points de la course.
Test de force de maintien : Vérifier la stabilité dans les deux états.
Test de tension : tester aux tensions minimale, nominale et maximale attendues.
Test d'impulsion : Vérifier le fonctionnement sur la plage d'impulsion prévue.
Test de température : Tester les performances dans des conditions environnementales extrêmes.
Test de durée de vie : simulation d'un fonctionnement à long terme.
Essais de vibrations et de chocs : ils sont nécessaires pour les équipements mobiles et industriels.
Test de bruit : Il est nécessaire pour les produits sensibles au bruit.
Test d'application : tester l'actionneur dans le produit final.
Un aspect très important est le test du solénoïde de verrouillage bistable en conjonction avec le mécanisme du client, car l'actionneur peut se comporter différemment après l'installation.
17. Paramètres clés d'un solénoïde de verrouillage bistable dans le cadre d'un appel d'offres d'ingénierie
Lors de la commande d'un solénoïde neuf ou personnalisé, veuillez fournir suffisamment de données techniques pour permettre une évaluation pertinente.
Les spécifications utiles peuvent inclure :
Application : Serrure électronique
Type de solénoïde : à verrouillage bistable
Tension : 12 VCC.
Courant maximal disponible : 1.2 A
Course : 5 mm
Force initiale : 8 N
Force de préhension requise : 20 N
Durée de l'impulsion : 150-250 ms
Fréquence maximale : 10 cycles par minute
Durée de vie prévue : 500 000 cycles
Plage de température de fonctionnement : -20°C ~ 60°C
Dimensions maximales : 35 x 25 x 20 mm
Exigence de faible niveau sonore
Quantité annuelle : 100 000 pièces
Une ingénierie plus efficace peut être réalisée en fournissant des fichiers CAO, des schémas de mécanismes, des photos et des informations sur les charges.
Liste de vérification pour la sélection en ingénierie
Avant d'approuver le projet, assurez-vous de :
La demande liée à l'AVC est bien définie.
La puissance est suffisante pour la course de travail.
– La force de maintien est suffisante dans les deux états requis.
La tension est compatible avec le système électronique.
Le circuit de commande est capable de supporter le courant de crête.
Le rythme cardiaque est la méthode infaillible pour bouger.
Le contrôle de polarité est correctement implémenté.
Le niveau de batterie faible est testé.
Les performances thermiques sont bonnes.
Le temps de réponse satisfait aux exigences du système.
L'alignement mécanique empêche la surcharge latérale.
Les conditions environnementales sont prises en compte.
Le bruit est acceptable.
La durée de vie opérationnelle est prouvée.
La tolérance de production est prise en compte.
L'ensemble complet est testé.
18. Résumé
Un solénoïde de verrouillage bistable est une solution écoénergétique pour les applications nécessitant deux positions mécaniques stables et une faible force de maintien.
L'avantage technique fondamental du solénoïde bistable est simple : l'énergie électrique est principalement utilisée pour changer d'état, et non pour le maintenir.
Cependant, la réussite de la mise en œuvre de l'actionneur ne se résume pas à la simple sélection de la tension appropriée.
Les ingénieurs doivent évaluer la force tout au long de la course, la force de maintien, l'énergie d'impulsion, le contrôle de polarité, l'électronique du pilote, la température, la charge mécanique, le temps de réponse, les conditions environnementales et la durée de vie.
De plus, l'actionneur et le mécanisme du client doivent être considérés comme un seul système électromécanique.
Pour les applications OEM, il est nécessaire de réaliser des tests de prototypes dans des conditions réalistes.
Les ingénieurs doivent tester la tension minimale et maximale, les températures extrêmes, la charge mécanique, les tolérances de production et la fréquence de fonctionnement prévue.
Correctement conçue et validée, la technologie bistable assure une actionnement linéaire fiable avec une consommation d'énergie réduite et une gestion optimisée de l'énergie.
19 : Questions fréquemment posées sur le verrouillage bistable
Solutions d'ingénierie pour solénoïdes
1. Qu'est-ce qu'un solénoïde de verrouillage bistable ?
Un solénoïde bistable à verrouillage est un actionneur électromagnétique qui possède deux états stables.
Il peut se maintenir dans la position choisie même après la fin de l'impulsion électrique, réduisant ainsi ou éliminant le besoin d'un courant de maintien continu.
2. Comment fonctionne un solénoïde de verrouillage bistable ?
L'armature, ou piston, est déplacée par le champ magnétique généré par le courant électrique traversant la bobine.
Le verrouillage magnétique maintient la position choisie après la coupure de courant.
L'actionneur peut être basculé vers l'autre état stable par une impulsion électrique.
3. Un solénoïde bistable nécessite-t-il une alimentation constante ?
De manière générale, l'alimentation de la bobine n'a pas besoin d'être continue pour maintenir une position stable.
L'utilisation principale de l'énergie électrique est le changement d'état.
Le comportement exact dépend de la conception magnétique et mécanique de l'actionneur.
4. Quelle est la différence entre un solénoïde bistable et un solénoïde ordinaire ?
Un solénoïde à ressort de rappel ordinaire revient généralement à sa position de repos lorsque l'alimentation est coupée.
Un solénoïde bistable peut se maintenir dans l'une de ses deux positions stables sans nécessiter une alimentation électrique continue.
5. Pourquoi avez-vous besoin d'un solénoïde de verrouillage bistable pour les produits alimentés par batterie ?
L'énergie électrique est principalement utilisée lors des changements d'état, ce qui entraîne une réduction de la consommation électrique moyenne dans les applications qui restent longtemps dans la même position.
Ceci est utile pour les serrures intelligentes, les équipements portables, les produits IoT et autres systèmes alimentés par batterie.
6. Comment sélectionner la force appropriée du solénoïde ?
Vous devez calculer la charge sur toute la longueur de la course, en incluant les ressorts, le frottement, la gravité, les forces de liaison et l'accélération.
Évaluez ensuite les caractéristiques de la force de l'actionneur par rapport à sa course et prévoyez la marge d'ingénierie appropriée.
7. Quelle est la force de maintien du solénoïde bistable ?
Force de maintien – La force qui maintient l'actionneur dans sa position verrouillée après la coupure de l'alimentation de la bobine.
Elle doit être considérée séparément de la force électromagnétique qui actionne le piston.
8. Un solénoïde de verrouillage bistable nécessite-t-il une polarité inverse ?
De nombreux dispositifs modifient l'état en inversant la polarité du courant.
Les détails de la commande dépendent de la conception magnétique et de la bobine.
Par conséquent, le circuit de commande doit être conçu pour l'actionneur sélectionné.
9. Quelle doit être la durée de l'impulsion électrique ?
La durée de l'impulsion dépend de la tension, du courant, de la longueur de la course, de la charge mécanique, des propriétés de la bobine et de la conception magnétique.
Elle doit être suffisamment longue pour permettre un déplacement fiable du piston même dans les pires conditions, sans consommation d'énergie inutile ni surchauffe.
Les solénoïdes bistables sont effectivement personnalisables.
Oui.
Des paramètres tels que la tension, la résistance de la bobine, la course, la force, la force de maintien, la géométrie du piston, les dimensions, le montage, le câblage, les connecteurs, etc. peuvent être personnalisés en fonction des capacités de fabrication et des exigences de l'application.
10. Quelles sont les applications typiques des solénoïdes à verrouillage bistables ?
Les applications typiques sont les serrures intelligentes, les systèmes de contrôle d'accès, l'automatisation industrielle, les équipements médicaux, les boîtiers électroniques, les appareils de mesure, les mécanismes de sécurité, les équipements portables et autres systèmes électromécaniques à faible consommation.
11. Quels tests les ingénieurs doivent-ils effectuer avant la production en série ?
Les ingénieurs doivent vérifier la force, la course, la force de maintien, les tensions minimales et maximales, la durée d'impulsion, la température, la durée de vie, l'alignement mécanique, les vibrations, le bruit et les performances environnementales.
Les tests finaux doivent être effectués avec l'actionneur monté sur le produit final.
