Introduction to Solução de Engenharia para Solenoide de Travamento
Um solenóide de travamento biestável é um atuador eletromecânico que opera em dois estados mecânicos e mantém seu estado sem consumo de energia. Devido às suas características, esse tipo de solenóide é amplamente utilizado em atuadores lineares compactos de baixa potência e em outros tipos de dispositivos de posicionamento.
Os solenoides CC precisam de alimentação contínua na bobina para manter o estado acionado. Em contraste, os solenoides biestáveis geralmente operam por meio do travamento magnético da posição do atuador após o término do pulso elétrico.
O segundo sinal elétrico move o atuador para o outro estado.
Este princípio oferece inúmeras vantagens em dispositivos alimentados por bateria, sistemas de controle de acesso, fechaduras eletrônicas, automação industrial, equipamentos médicos, dispositivos de medição, dispositivos de segurança e em muitas outras aplicações que requerem alimentação elétrica apenas em momentos de mudança de estado.
Uma solução de engenharia para solenóide de travamento biestável leva em consideração parâmetros de força, desempenho de retenção magnética, energia de pulso, projeto da bobina, carga mecânica, temperatura, tolerância, vida útil, eletrônica de controle e ambiente operacional. O guia a seguir descreve todos esses pontos.
1. O que é um solenóide de travamento biestável e como ele funciona?
Um solenoide serve para converter energia elétrica em energia mecânica de forma linear.
A corrente que flui pela bobina cria o campo magnético, que interage com o circuito magnético e gera força no atuador móvel (armadura ou êmbolo).
Em um solenóide de retorno por mola comum, a interrupção da energia elétrica permite que a mola ou uma carga externa traga o êmbolo de volta à sua posição inicial.
Mas um solenóide de travamento biestável opera de maneira oposta.
O diagrama mostra dois estados mecânicos estáveis. Uma vez que o atuador atinge um estado, o sistema magnético ajuda a mantê-lo sem corrente contínua na bobina.
O segundo sinal elétrico enviado pelo sistema de controle altera o estado do atuador. Frequentemente, isso significa inverter a polaridade da bobina de acordo com o projeto do circuito magnético.
Isso significa que a maior parte da energia é gasta na mudança de posição.
E isso é muito benéfico para a operação biestável, já que o dispositivo passa a maior parte do tempo em um estado e raramente muda de posição.
2. As diferenças entre os travamento único vs solenoides de travamento biestáveis
Os engenheiros devem saber a diferença entre operação biestável e monoestável.
Um solenóide monoestável apresenta apenas uma posição estável primária. Quando a força eletromagnética desaparece, a mola ou outra força mecânica retorna o atuador a essa posição.
Em um atuador biestável, existem duas posições estáveis.
Vejamos, por exemplo, um sistema de fechadura eletrônica.
O primeiro pulso elétrico move o pino de travamento para a posição travada. Depois disso, o pino permanece nessa posição mesmo após o término do pulso elétrico.
Um pulso elétrico reverso altera o mecanismo do atuador para a posição destravada, que também é mantida após o término do pulso elétrico.
Nenhuma das posições requer alimentação contínua para se manter ativa.
Essa é uma das razões pelas quais os solenoides de travamento biestáveis são úteis em dispositivos de baixa potência.
No entanto, os projetistas devem lembrar que o atuador mantém sua posição mesmo durante uma falha de energia.
3. Determinação do AVC necessário
Um AVC (acidente vascular cerebral) é todo o percurso linear de uma posição estável a outra.
Alguns milímetros de curso podem ser suficientes para um potencial de ação típico, mas alguns mecanismos necessitam de cursos mais longos.
Os engenheiros não devem especificar viagens desnecessárias.
Impacto crescente do AVC:
Força disponível
Eficiência do circuito magnético
Dimensões do solenoide
Peso do êmbolo
O tempo de resposta
Energia elétrica necessária
Se uma fechadura precisa de um curso de 4 mm, projetar um curso mais longo aumenta o tamanho ou a eficiência do solenoide sem necessidade.
Durante o projeto de um solenóide de travamento biestável, os engenheiros devem conhecer todo o mecanismo mecânico e determinar o valor mínimo do curso com as tolerâncias adequadas.
4. Avaliação da força do solenóide de travamento biestável ao longo do curso
Um solenoide normalmente não apresenta força constante durante todo o seu curso.
A força eletromagnética disponível depende da posição do êmbolo e do entreferro magnético.
Em qualquer caso, isso pode tornar a especificação de força enganosa.
Suponha que a aplicação exija o seguinte:
curso—6 mm
Força inicial — 8 N
força intermediária—12 N
força final — 20 N
Nesse caso, se o solenoide só consegue fornecer 20 N no final do curso, mas não consegue fornecer os 8 N necessários para iniciar o movimento, ele não funcionará corretamente.
Portanto, sempre que possível, os engenheiros devem verificar o gráfico força/curso.
Além disso, a carga mecânica deve incluir:
força da primavera
atrito.
gravidade
resistência de ligação
selar
tolerância mecânica
acelerando
efeitos da contaminação
O solenóide de travamento biestável selecionado deve ser capaz de fornecer força suficiente em toda a faixa de operação, e não apenas em um ponto específico.
5. Compreendendo a força de retenção magnética
A força de atuação não é igual à força de sustentação.
A força de atuação move o êmbolo. Já a força de retenção mantém a posição desejada após o término do pulso elétrico.
Em projetos biestáveis, o desempenho de retenção é provavelmente o principal parâmetro de engenharia.
A força necessária para segurar depende da aplicação.
Um pequeno mecanismo de comutação interna requer uma força relativamente baixa para ser acionado. Mas uma fechadura pesada ou um mecanismo industrial requer muito mais força.
Os engenheiros devem saber se cargas externas, vibrações, choques, molas ou tolerâncias mecânicas superam a força de retenção magnética.
Portanto, o circuito magnético do solenóide de travamento biestável deve ser projetado levando em consideração tanto o movimento quanto a retenção da posição.
Isso é especialmente verdadeiro para produtos de segurança, pois a validação de desempenho deve sempre ser realizada em todo o mecanismo.
6. Escolha da tensão de operação
As tensões de operação CC comuns podem ser:
3 VDC
5 VDC
6 VDC
9 VDC
12 VDC
24 VDC
Outras tensões de bobina estão disponíveis.
A escolha da voltagem deve ser coordenada com a arquitetura elétrica do produto.
No entanto, a voltagem por si só não é um critério para a seleção de um solenoide pelos engenheiros.
Os parâmetros elétricos importantes são
tensão — potencial fornecido à bobina
A resistência da bobina, juntamente com a tensão aplicada, determina o comportamento da corrente.
afeta a força eletromagnética e o consumo de energia
Duração do pulso — define por quanto tempo a bobina permanece energizada durante a atuação.
energia por pulso — confirma que há trabalho mecânico suficiente para realizar a transição.
A corrente e a energia de pulso são especialmente importantes em sistemas alimentados por bateria.
7. Otimização do comprimento de pulso do solenóide de travamento biestável
Uma das principais vantagens de engenharia desse projeto biestável é que a bobina não requer energia contínua para se manter em um estado estável.
Ou é possível usar pulsos curtos para alterar a posição do atuador.
Por exemplo, uma aplicação pode funcionar com:
Tensão – 12 V CC
duração do pulso — 100 ms
Frequência de operação — 20 vezes por dia
Para outras aplicações, é necessário um pulso de 300 ms devido à maior carga mecânica ou ao curso mais longo.
A duração do pulso depende da bobina, do circuito magnético, da carga mecânica, do curso, da tensão e da corrente disponível.
Se o pulso for muito curto, o solenóide de travamento biestável pode não completar seu movimento.
Mas um pulso mais longo desperdiça energia e causa calor excessivo.
Os testes de protótipo devem estabelecer uma duração de pulso confiável nas condições mais desfavoráveis, e não apenas um pulso de trabalho mínimo em uma única amostra.
8. Preste atenção à inversão de polaridade e à eletrônica de acionamento.
Muitos solenoides biestáveis mudam de estado pela inversão da polaridade da corrente que passa pela bobina.
Isso significa que os circuitos eletrônicos de acionamento devem ser capazes de controlar a polaridade.
Dependendo da arquitetura do produto, os engenheiros devem usar uma ponte H ou um circuito de comutação similar.
O projeto da eletrônica de acionamento deve ser baseado em
tensão da bobina
corrente máxima
duração do pulso
Freqüência de comutação
processo indutivo
necessidades de proteção
bateria ou fonte de alimentação disponível
Deve-se prestar atenção especial às cargas indutivas quando a corrente for desligada.
Um solenóide de travamento biestável e sua eletrônica de acionamento devem ser desenvolvidos como um único sistema, e não como elementos separados.
Em condições de bateria fraca ou de tensão extrema, o funcionamento mecânico pode ser instável se os componentes eletrônicos de acionamento elétrico não conseguirem fornecer corrente suficiente.
9. Avaliação das Necessidades de Energia e Potência
Para aplicações de baixa potência, a corrente instantânea não é o único parâmetro a ser considerado; os engenheiros também devem levar em conta a energia por operação.
Um atuador biestável pode consumir uma corrente relativamente alta durante um curto período de tempo, gastando pouca energia total por dia devido à ausência de corrente de manutenção.
Significa que é atrativo para:
Fechaduras inteligentes (alimentadas por bateria)
Gadgets IoT
Equipamento portátil
Armários eletrônicos:
Sistemas de controle remoto
Os contadores inteligentes
Automações que levam em consideração as necessidades energéticas
Ao selecionar um solenóide de travamento biestável, os engenheiros devem estimar o consumo total de energia diário, incluindo a duração típica do pulso e o número de operações.
Além disso, os engenheiros devem verificar a relação tensão/resistência interna e a tensão da bateria no pior cenário. Uma bateria nova pode apresentar características de tensão diferentes perto do fim de sua vida útil.
10. Verifique o desempenho térmico do solenóide de travamento biestável.
É possível obter vantagens térmicas significativas com solenoides biestáveis, uma vez que eles são alimentados com eletricidade por um curto período de tempo.
Pulsos curtos não implicam necessariamente que a temperatura possa sempre ser ignorada.
A temperatura se tornará um problema quando:
A duração do pulso é muito longa.
A frequência de operação é alta.
A tensão excede o valor de projeto.
A temperatura ambiente está alta.
A carcaça do atuador é
Resfriamento limitado
A resistência das bobinas depende da temperatura.
Portanto, é importante testar o atuador na frequência operacional e temperatura ambiente mais elevadas.
Um solenóide de travamento biestável projetado corretamente deve fornecer a força de atuação adequada em qualquer faixa de temperatura.
11. Leve em consideração o tempo de resposta.
Às vezes são necessárias mudanças rápidas de estado, mas em alguns casos também são exigidas respostas lentas e operação silenciosa.
O tempo de resposta pode depender de:
Comprimento do curso
Peso do êmbolo.
tensão de alimentação
Propriedades das bobinas
Tensão mecânica
Tensão da mola (força da mola)
Atrito (n)
Força de retenção dos ímãs
Design do driver
Energia elétrica adicional pode ser útil em algumas situações, mas, por outro lado, pode aumentar o impacto, o ruído e a geração de calor.
Assim, existe uma necessidade de otimização na engenharia.
Se a precisão for crítica, então tanto a temporização elétrica quanto a mecânica devem ser medidas.
12. Projeto de longa vida útil para o solenóide de travamento biestável
Um atuador que passou por 100 ciclos de laboratório não é necessariamente adequado para produção em massa.
Existem aplicações em que o número de ciclos pode chegar a centenas de milhares ou até milhões.
O desgaste pode aparecer em:
Guia do êmbolo
Paradas mecânicas
Veios.
Molas
Ligações
Superfícies de contato
A carga lateral pode causar problemas sérios.
Um solenóide de travamento biestável é normalmente projetado para movimento linear axial.
Se o mecanismo do cliente gerar uma carga lateral elevada no êmbolo, os efeitos do atrito e do desgaste podem aumentar consideravelmente.
Portanto, um bom alinhamento mecânico é imprescindível.
Sempre que possível, o teste de ciclo de vida deve ser realizado sob as mesmas condições de curso, carga, tensão, duração do pulso, frequência, temperatura e montagem do produto final.
13. Controle de Ruído e Impacto Mecânico
O acionamento do solenoide pode causar estalos audíveis devido ao contato do êmbolo com os batentes no final do curso.
Pode ser aceitável em equipamentos industriais, mas não em equipamentos médicos, produtos para casas inteligentes, equipamentos de escritório ou sistemas de controle de acesso de alta qualidade.
As fontes de ruído podem ser:
Efeito de êmbolo
Efeito de parada (mecânico)
Excesso de folga
Ressonância da habitação
Efeito de ligação
Comutação de alta velocidade
Para minimizar o ruído, pode ser necessário implementar amortecimento mecânico, otimizar folgas, alterar a velocidade do êmbolo, modificar os batentes ou aplicar controle de pulso.
No entanto, o amortecimento não deve afetar a capacidade do solenóide de travamento biestável de atingir a posição final.
Assim, existe uma relação de compromisso entre a minimização do ruído e a força, a velocidade e a confiabilidade.
14. Condições Ambientais e Considerações sobre a Temperatura
O ambiente operacional deve ser definido desde o início.
As condições importantes podem ser
Temperatura mais baixa
Temperatura mais alta
Umidade
Poeira.
Umidade
Vibrações.
Choque mecânico e/ou
Em Outubro de 2023
Poluentes
As baixas temperaturas podem afetar as propriedades do lubrificante e o atrito mecânico.
Altas temperaturas podem afetar a resistência da bobina e o desempenho magnético.
Poeira e contaminantes podem limitar o movimento do êmbolo.
O invólucro completo proporciona grande parte da proteção ambiental para aplicações externas.
No entanto, o solenóide de travamento biestável precisa ser testado em condições correspondentes ao produto final.
15. Solenoides de travamento biestáveis personalizados versus padrão
Um atuador padrão costuma ser o melhor ponto de partida, pois pode reduzir o tempo de engenharia, o custo das ferramentas e o prazo de entrega dos protótipos.
No entanto, as aplicações OEM podem exigir personalização.
Alguns dos parâmetros de personalização típicos são:
Voltagem
Resistência da bobina
Strokes
Força de ativação
força de retenção
Geometria do êmbolo
Comprimento do eixo
Dimensões totais
Demitido
Primavera
Fios condutores
Conectores
16. A personalização deve ser feita por razões técnicas claras.
Por exemplo, se o solenóide de travamento biestável padrão atender a todos os requisitos, exceto o comprimento do êmbolo, então trocar o êmbolo pode ser mais econômico do que redesenhar a estrutura magnética do zero.
A colaboração com o cliente numa fase inicial pode levar a uma solução mais eficiente.
- Validação do projeto de pré-produção
A validação de engenharia deve ser mais do que um simples teste funcional.
Dependendo da aplicação, os engenheiros podem testar:
Teste de força: Meça a força em pontos específicos do movimento.
Teste de força de retenção: Verificar a estabilidade em ambos os estados.
Teste de tensão: Teste nas tensões mínima, nominal e máxima esperadas.
Teste de pulso: Verificar o funcionamento na faixa de pulso pretendida.
Teste de temperatura: Teste de desempenho em condições ambientais extremas.
Teste de vida útil: Simulação de operação a longo prazo.
Testes de vibração e choque: São necessários para equipamentos móveis e industriais.
Teste de ruído: É necessário para produtos sensíveis ao ruído.
Teste de aplicação: Teste o atuador no produto final.
Um aspecto muito importante é o teste do solenóide de travamento biestável em conjunto com o mecanismo do cliente, visto que o atuador pode se comportar de maneira diferente após a instalação.
17. Parâmetros-chave do solenóide de travamento biestável na solicitação de cotação de engenharia
Ao encomendar um solenóide novo ou personalizado, forneça dados técnicos suficientes para permitir uma avaliação adequada.
As especificações úteis podem incluir:
Aplicação: Fechadura eletrônica
Tipo de solenóide: Trava biestável
Tensão: 12 VCC.
Corrente máxima disponível: 1.2 A
Curso: 5 mm
Força inicial: 8N
Força de preensão necessária: 20 N
Duração do pulso: 150-250 ms
Frequência máxima: 10 ciclos por minuto
Vida útil esperada: 500,000 ciclos
Faixa de temperatura de operação: -20°C ~ 60°C
Dimensões máximas: 35x25x20 mm
Requisito de baixo ruído
Quantidade anual: 100,000 peças
Uma engenharia mais eficiente pode ser alcançada fornecendo arquivos CAD, desenhos de mecanismos, fotos e informações de carga.
Lista de verificação para seleção de engenharia
Antes de aprovar o projeto, certifique-se de:
A demanda por serviços de saúde relacionados ao AVC está bem definida.
Há energia suficiente para o ciclo de trabalho.
– A força de retenção é suficiente em ambos os estados requeridos.
A voltagem é compatível com o sistema eletrônico.
O driver é capaz de suportar a corrente de pico.
O tempo de pulsação é a maneira garantida de se movimentar.
O controle de polaridade está implementado corretamente.
O estado de bateria fraca é testado.
O desempenho térmico é bom.
O tempo de resposta atende aos requisitos do sistema.
O alinhamento mecânico evita a sobrecarga causada por cargas laterais.
As condições ambientais são levadas em consideração.
O ruído é aceitável.
A vida útil operacional está comprovada.
A tolerância de produção é levada em consideração.
Todo o conjunto é testado.
18. Resumo
Um solenóide de travamento biestável é uma solução energeticamente eficiente para aplicações que exigem duas posições mecânicas estáveis e baixa força de retenção.
A principal vantagem de engenharia do solenoide biestável é simples: a energia elétrica é usada principalmente para mudar de estado, e não para mantê-lo.
No entanto, a implementação bem-sucedida do atuador vai muito além da simples seleção da voltagem correta.
Os engenheiros devem avaliar a força ao longo do curso, a força de retenção, a energia do pulso, o controle de polaridade, a eletrônica do acionador, a temperatura, a carga mecânica, o tempo de resposta, as condições ambientais e a vida útil.
Além disso, o atuador e o mecanismo do cliente devem ser considerados como um único sistema eletromecânico.
Para aplicações OEM, é necessário realizar testes de protótipos em condições realistas.
Os engenheiros devem testar a tensão mínima e máxima, as temperaturas extremas, a carga mecânica, as tolerâncias de produção e a frequência operacional esperada.
Quando projetada e validada corretamente, a tecnologia biestável proporciona atuação linear confiável com consumo de energia reduzido e gerenciamento de energia otimizado.
19: Perguntas Frequentes sobre Travamento Biestável
soluções de engenharia de solenoides
1. O que é um solenóide de travamento biestável?
Um solenóide de travamento biestável é um atuador eletromagnético que possui dois estados estáveis.
Ele consegue manter-se na posição escolhida mesmo após o término do pulso elétrico, reduzindo ou eliminando assim a necessidade de corrente de sustentação contínua.
2. Como funciona um solenóide de travamento biestável?
A armadura, ou êmbolo, é movimentada pelo campo magnético gerado pela corrente elétrica que passa pela bobina.
O fecho magnético mantém a posição escolhida mesmo após a remoção da energia.
O atuador pode ser alternado para o outro estado estável por meio de um pulso elétrico.
3. Um solenóide biestável requer alimentação constante?
De um modo geral, a energia da bobina não precisa ser contínua para manter a posição estável.
A principal utilização da energia elétrica é a mudança de estados.
O comportamento exato depende do projeto magnético e mecânico do atuador.
4. Qual a diferença entre um solenóide biestável e um solenóide comum?
Um solenóide de retorno por mola comum normalmente retorna à posição de repouso quando a energia é cortada.
Um solenóide biestável pode se manter em uma de duas posições estáveis sem a necessidade de fornecimento contínuo de energia.
5. Por que você precisa de um solenóide de travamento biestável para produtos alimentados por bateria?
A energia elétrica é utilizada principalmente durante mudanças de estado, o que leva a uma redução no consumo médio de energia em aplicações que permanecem em uma mesma posição por um longo período.
Isso é útil para fechaduras inteligentes, equipamentos portáteis, produtos de IoT e outros sistemas alimentados por bateria.
6. Como faço para selecionar a força adequada do solenoide?
Você deve calcular a carga ao longo de todo o curso, incluindo molas, atrito, gravidade, forças de articulação e aceleração.
Em seguida, avalie as características de força versus curso do atuador e considere a margem de engenharia adequada.
7. Qual é a força de retenção do solenoide biestável?
Força de retenção – A força que mantém o atuador em sua posição travada após a remoção da alimentação da bobina.
Deve ser considerada separadamente da força eletromagnética com que o êmbolo é movido.
8. Um solenóide de travamento biestável requer polaridade reversa?
Muitos projetos alteram o estado invertendo a polaridade da corrente.
Os detalhes do controle dependem do projeto magnético e da bobina.
Portanto, o circuito de acionamento deve ser projetado para o atuador selecionado.
9. Qual deve ser a duração do pulso elétrico?
A duração do pulso é uma função da tensão, da corrente, do comprimento do curso, da carga mecânica, das propriedades da bobina e do projeto magnético.
Deve ser suficientemente longo para movimentar o êmbolo de forma confiável mesmo nas piores condições, sem consumo desnecessário de energia ou superaquecimento.
Os solenoides biestáveis são, de fato, personalizáveis.
Sim. Travas deslizantes portáteis
Parâmetros como tensão, resistência da bobina, curso, força, força de retenção, geometria do êmbolo, dimensões, montagem, fiação, conectores e outros podem ser personalizados dependendo das capacidades de fabricação e dos requisitos da aplicação.
10. Quais são as aplicações típicas de solenoides de travamento biestáveis?
As aplicações típicas incluem fechaduras inteligentes, sistemas de controle de acesso, automação industrial, equipamentos médicos, gabinetes eletrônicos, dispositivos de medição, mecanismos de segurança, equipamentos portáteis e outros sistemas eletromecânicos de baixa potência.
11. Que testes os engenheiros devem realizar antes da produção em massa?
Os engenheiros devem verificar força, curso, força de retenção, tensões mínima e máxima, duração do pulso, temperatura, vida útil, alinhamento mecânico, vibração, ruído e desempenho ambiental.
Os testes finais devem ser realizados com o atuador montado no produto final.
