Introducere în Soluție inginerească pentru solenoizi cu blocare
Un solenoid bistabil cu blocare este un actuator electromecanic care funcționează în două stări mecanice și își menține starea fără consum de energie. Datorită caracteristicilor sale, acest tip de solenoid este utilizat pe scară largă în actuatoarele liniare compacte de putere redusă și în alte tipuri de suporturi de poziție.
Solenoizii de curent continuu au nevoie de energie continuă către bobină pentru a menține starea acționată. În schimb, solenoizii bistabili funcționează de obicei prin blocarea magnetică a poziției actuatorului după terminarea impulsului electric.
Al doilea semnal electric deplasează actuatorul în cealaltă stare.
Acest principiu oferă numeroase avantaje în dispozitivele alimentate cu baterii, sistemele de control al accesului, încuietorile electronice, automatizările industriale, echipamentele medicale, dispozitivele de contorizare, dispozitivele de siguranță și în multe alte aplicații care necesită o sursă de alimentare doar în momentele de schimbare a stării.
O soluție inginerească pentru un solenoid bistabil cu blocare ia în considerare parametrii forței, performanța de menținere magnetică, energia impulsului, designul bobinei, sarcina mecanică, temperatura, toleranța, durata de viață, electronica de control și mediul de funcționare. Următorul ghid descrie toate aceste aspecte.
1. Ce este un solenoid bistabil cu blocare și cum funcționează?
Un solenoid servește la transformarea energiei electrice în energie mecanică într-un mod liniar.
Curentul care curge prin bobină creează câmpul magnetic, care interacționează cu circuitul magnetic și generează forță asupra actuatorului mobil (armătura sau pistonul).
Într-un solenoid obișnuit cu arc de revenire, îndepărtarea energiei electrice permite arcului sau sarcinii externe să readucă pistonul în poziția sa inițială.
Dar un solenoid cu blocare bistabil funcționează în alt mod.
Prezintă două stări mecanice stabile. Odată ce actuatorul atinge o anumită stare, sistemul magnetic ajută la menținerea acestei stări fără curent continuu al bobinei.
Al doilea semnal electric trimis de sistemul de control modifică starea actuatorului. Adesea, aceasta înseamnă schimbarea polarității bobinei în funcție de designul circuitului magnetic.
Aceasta înseamnă că cea mai mare parte a energiei este consumată pentru schimbarea poziției.
Și acest lucru este foarte benefic pentru funcționarea bistabilă, deoarece dispozitivul își petrece cea mai mare parte a timpului într-o singură stare și își schimbă rareori poziția.
2. Diferențele dintre blocare simplă Raport solenoizi cu blocare bistabili
Inginerii ar trebui să cunoască diferența dintre funcționarea bistabilă și cea monostabilă.
Un solenoid monostabil prezintă o singură poziție stabilă primară. Când forța electromagnetică dispare, arcul sau o altă forță mecanică readuce actuatorul în acea poziție.
Într-un actuator bistabil, există două poziții stabile.
Să luăm ca exemplu un sistem electronic de închidere.
Primul impuls electric deplasează știftul de blocare în poziția sa blocată. După aceasta, știftul este menținut în poziția sa chiar și după terminarea impulsului electric.
Un impuls electric invers schimbă mecanismul de acționare în poziția deblocată, care este menținută și după ce impulsul electric se termină.
Nicio poziție nu necesită o sursă de alimentare continuă pentru a se menține.
Acesta este unul dintre motivele pentru care solenoizii cu blocare bistabili sunt utili în dispozitivele de putere redusă.
Totuși, proiectanții ar trebui să țină cont de faptul că actuatorul își menține poziția chiar și în timpul unei pene de curent.
3. Determinarea cursei necesare
O cursă este întreaga traiectorie liniară de la o poziție stabilă la alta.
Câțiva milimetri de cursă pot fi suficienți pentru o AP tipică, dar unele mecanisme necesită curse mai lungi.
Inginerii nu ar trebui să specifice deplasări inutile.
Impactul accidentului vascular cerebral în creștere:
Forța disponibilă
Eficiența circuitului magnetic
Dimensiunile solenoidului
Greutatea pistonului
Timp de raspuns
Putere electrică necesară
Dacă o încuietoare are nevoie de o cursă de 4 mm, proiectarea unei curse mai lungi crește dimensiunea sau eficiența solenoidului fără nicio necesitate.
În timpul proiectării unui solenoid bistabil cu zăvoare, inginerii ar trebui să cunoască întregul mecanism mecanic și să determine valoarea minimă a cursei cu toleranțe adecvate.
4. Evaluarea forței solenoidului de blocare bistabil pe parcursul cursei
Un solenoid nu prezintă de obicei o forță constantă pe întreaga cursă.
Forța electromagnetică disponibilă depinde de poziția pistonului și de întrefierul magnetic.
În orice caz, acest lucru poate face ca specificația forței să inducă în eroare.
Să presupunem că aplicația necesită următoarele:
cursă — 6 mm
Forță de pornire — 8 N
forță intermediară — 12 N
forță finală — 20 N
Într-un astfel de caz, dacă solenoidul poate furniza doar 20 N la sfârșitul cursei, dar nu poate furniza cei 8 N necesari pentru a porni mișcarea, acesta nu poate funcționa corect.
Prin urmare, atunci când este posibil, inginerii ar trebui să verifice graficul forță/cursă.
De asemenea, sarcina mecanică ar trebui să includă:
forța arcului
frecare.
gravitate
rezistența legăturii
sigila
toleranță mecanică
accelerarea
efectele contaminării
Solenoidul bistabil de blocare selectat ar trebui să poată furniza suficientă forță pe întregul interval de lucru, nu doar într-un anumit punct.
5. Înțelegerea forței de susținere magnetică
Forța de acționare nu este egală cu forța de menținere.
Forța de acționare mișcă pistonul. Însă forța de menținere menține poziția necesară după terminarea impulsului electric.
În proiectarea bistabilă, performanța de menținere este probabil principalul parametru ingineresc.
Forța necesară pentru fixare depinde de aplicație.
Un mecanism intern de comutare mic necesită o forță relativ mică pentru fixare. Însă o încuietoare grea sau un mecanism industrial necesită mult mai mult.
Inginerii ar trebui să știe dacă sarcinile externe, vibrațiile, șocurile, arcurile sau toleranțele mecanice depășesc forța magnetică de fixare.
Prin urmare, circuitul magnetic al solenoidului bistabil cu blocare ar trebui proiectat ținând cont atât de mișcare, cât și de menținerea poziției.
Acest lucru este valabil mai ales pentru produsele de securitate sau siguranță, deoarece validarea performanței ar trebui întotdeauna efectuată pe întregul mecanism.
6. Alegerea tensiunii de funcționare
Tensiunile de funcționare comune în curent continu pot fi:
3 VDC
5 VDC
6 VDC
9 VDC
12 VDC
24 VDC
Sunt disponibile și alte tensiuni ale bobinei.
Alegerea tensiunii trebuie coordonată cu arhitectura electrică a produsului.
Totuși, tensiunea în sine nu este un criteriu pentru selecția unui solenoid de către ingineri.
Parametrii electrici importanți sunt
tensiune - potențialul furnizat bobinei
rezistența bobinei - împreună cu tensiunea aplicată determină comportamentul curentului
afectează forța electromagnetică și consumul de energie
lungimea impulsului - definește cât timp este energizată bobina în timpul acționării
energie per impuls - confirmă că există suficient lucru mecanic pentru a face tranziția
Curentul și energia impulsurilor sunt deosebit de importante în sistemele alimentate de baterii.
7. Optimizarea lungimii impulsului solenoidului bistabil cu blocare
Unul dintre principalele avantaje inginerești ale acestui design bistabil este că bobina nu necesită energie continuă pentru a rămâne într-o stare stabilă.
Sau este posibil să se utilizeze impulsuri scurte pentru a schimba poziția actuatorului.
De exemplu, o aplicație poate funcționa cu:
tensiune – 12 V CC
lungimea impulsului — 100 ms
frecvența de funcționare — de 20 de ori pe zi
Pentru alte aplicații, este necesară o lungime a impulsului de 300 ms din cauza sarcinii mecanice mai mari sau a cursei mai lungi.
Durata impulsului depinde de bobină, circuitul magnetic, sarcina mecanică, cursă, tensiune și curentul disponibil.
Dacă impulsul este prea scurt, este posibil ca solenoidul bistabil de blocare să nu își finalizeze mișcarea.
Dar un impuls mai lung risipește energie și provoacă căldură excesivă.
Testarea prototipului ar trebui să stabilească o lungime fiabilă a impulsului în cele mai defavorabile condiții, nu doar un impuls minim de lucru într-o singură probă.
8. Acordați atenție inversării polarității și componentelor electronice de acționare
Mulți solenoizi bistabili își schimbă starea prin inversarea polarității curentului prin bobină.
Aceasta înseamnă că electronica de acționare ar trebui să poată controla polaritatea.
În funcție de arhitectura produsului, inginerii ar trebui să utilizeze o punte H sau un circuit de comutare similar.
Proiectarea electronicii de acționare ar trebui să se bazeze pe
tensiunea bobinei
curent maxim
lungimea impulsului
frecventa de comutare
proces inductiv
nevoi de protectie
baterie sau sursă de alimentare disponibilă
O atenție deosebită trebuie acordată sarcinilor inductive atunci când curentul este întrerupt.
Un solenoid cu blocare bistabil și electronica sa de acționare ar trebui dezvoltate ca un singur sistem, nu ca elemente separate.
În condiții de baterie descărcată sau în cel mai rău caz de tensiune, funcționarea mecanică poate fi nesigură dacă electronica de acționare electrică nu poate furniza suficient curent.
9. Evaluarea necesarului de energie și putere
Pentru aplicațiile de putere redusă, curentul instantaneu nu este singura figură de merit; inginerii ar trebui să ia în considerare și energia per operație.
Un actuator bistabil poate consuma un curent relativ mare într-un timp scurt, cheltuind puțină energie totală pe zi din cauza absenței curentului de menținere.
Înseamnă că este atractiv pentru:
Încuietori inteligente (alimentate cu baterii)
Gadgeturi IoT
Echipament portabil
Dulapuri electronice:
Sisteme de control de la distanță
Contoare inteligente
Automatizări conștiente de nevoile energetice
Atunci când selectează un solenoid cu blocare bistabil, inginerii ar trebui să estimeze consumul total zilnic de energie, inclusiv durata tipică a impulsului și numărul de operațiuni.
De asemenea, inginerii ar trebui să verifice raportul baterie-tensiune și rezistența internă în cel mai defavorabil caz. O baterie nouă poate avea caracteristici de tensiune diferite spre sfârșitul duratei sale de viață.
10. Verificați performanța termică a solenoidului bistabil cu blocare
Solenoizii bistabili pot obține avantaje termice adecvate, deoarece aceștia sunt alimentați cu electricitate pentru o perioadă scurtă de timp.
Impulsurile scurte nu implică neapărat că temperatura poate fi întotdeauna ignorată.
Temperatura va deveni o problemă atunci când:
Durata impulsului este prea lungă.
Frecvența de funcționare este mare.
Tensiunea depășește valoarea de proiectare
Temperatura ambientală este ridicată.
Carcasa actuatorului este
Răcire limitată
Rezistența bobinelor depinde de temperatură.
Prin urmare, este important să testați actuatorul la cea mai mare frecvență de funcționare și la temperatura ambiantă.
Un solenoid bistabil cu blocare proiectat corespunzător ar trebui să ofere forța de acționare adecvată în orice interval de temperatură.
11. Ține cont de timpul de răspuns
Uneori sunt necesare schimbări rapide de stare, dar în unele cazuri sunt necesare și un răspuns lent și o funcționare silențioasă.
Timpul de răspuns poate depinde de:
Lungimea cursei
Greutatea pistonului.
Tensiunea de alimentare
Proprietățile bobinelor
Stres mecanic
Tensiunea arcului (forța arcului)
Frecare (n)
Forța de susținere a magneților
Designul driverului
Energia electrică suplimentară poate fi utilă în anumite situații, dar, pe de altă parte, poate crește impactul, zgomotul și generarea de căldură.
Prin urmare, există o nevoie de optimizare inginerească.
Dacă precizia este critică, atunci ar trebui măsurate atât sincronizarea electrică, cât și cea mecanică.
12. Proiectarea unei durate lungi de viață pentru solenoidul bistabil cu blocare
Un actuator care a trecut 100 de cicluri de laborator nu este neapărat potrivit pentru producția de masă.
Există aplicații în care numărul de cicluri poate fi de sute de mii sau chiar milioane.
Uzura poate apărea la:
Ghidul pistonului
Opritoare mecanice
Arborii.
Springs
Link-uri
Suprafețe de contact
Încărcarea laterală poate cauza probleme grave.
Un solenoid bistabil cu zăvoare este proiectat în mod normal pentru mișcare liniară axială.
Dacă mecanismul clientului creează o sarcină laterală mare a pistonului, atunci efectele frecării și uzurii pot crește considerabil.
Prin urmare, o bună aliniere mecanică este esențială.
Ori de câte ori este posibil, testul ciclului de viață trebuie efectuat în aceleași condiții de cursă, sarcină, tensiune, durată a impulsului, frecvență, temperatură și montare ca în produsul final.
13. Controlul zgomotului și al impactului mecanic
Acționarea solenoidului poate provoca un clic audibil din cauza contactului pistonului cu opritoarele de la capătul cursei.
Poate fi acceptabil în echipamentele industriale, dar nu în produsele medicale, produsele inteligente pentru casă, echipamentele de birou sau sistemele premium de control al accesului.
Sursele de zgomot pot fi:
Efectul pistonului
Efect de oprire (mecanic)
Supradepășire
Rezonanța carcasei
Efectul de legătură
Comutare de mare viteză
Pentru a minimiza zgomotul, poate fi necesară implementarea unei amortizări mecanice, optimizarea jocurilor, modificarea vitezei pistonului, modificarea opritoarelor sau aplicarea controlului prin impulsuri.
Totuși, amortizarea nu ar trebui să afecteze capacitatea solenoidului de blocare bistabil de a atinge poziția finală.
Astfel, există un compromis între minimizarea zgomotului și forță, viteză și fiabilitate.
14. Condiții de mediu și considerații privind temperatura
Mediul de operare ar trebui definit din timp.
Condițiile importante pot fi
Temperatura cea mai scăzută
Cea mai ridicată temperatură
Umiditate
Praf.
Umiditate
Vibrații.
Șoc mecanic sau/și
octombrie 2023
Poluanții
Temperaturile scăzute pot afecta proprietățile lubrifiantului și frecarea mecanică.
Temperaturile ridicate pot afecta rezistența bobinei și performanța magnetică.
Praful și contaminanții pot limita mișcarea pistonului.
Carcasa completă oferă o mare parte din protecția mediului pentru aplicațiile în aer liber.
Totuși, solenoidul bistabil cu zăvoare trebuie testat în condiții corespunzătoare produsului final.
15. Solenoizi cu blocare bistabili personalizați vs. standard
Un actuator standard este adesea cel mai bun punct de plecare, deoarece poate reduce timpul de proiectare, costul sculelor și timpul de livrare pentru prototipuri.
Cu toate acestea, aplicațiile OEM pot necesita personalizare.
Unii dintre parametrii de personalizare tipici sunt
Voltaj
Rezistența bobinei
Strokes
Forța de activare
forță de susținere
Geometria pistonului
Lungimea axului
Dimensiuni totale
respinge
Spring
Fire de plumb
conectori
16. Personalizarea ar trebui făcută din motive inginerești clare.
De exemplu, dacă solenoidul bistabil standard cu zăvoare îndeplinește toate cerințele, cu excepția lungimii pistonului, atunci schimbarea pistonului poate fi mai economică decât reproiectarea structurii magnetice de la zero.
Colaborarea cu clientul într-o fază incipientă poate duce la o soluție mai eficientă.
- Validarea designului de pre-producție
Validarea inginerească ar trebui să fie mai mult decât un simplu test funcțional.
În funcție de aplicație, inginerii pot testa:
Test de forță: Măsurați forța în anumite puncte ale cursei.
Testul forței de fixare: Verificați stabilitatea în ambele stări.
Test de tensiune: Testați la cele mai mici, nominale și maxime tensiuni așteptate.
Test de impuls: Verificați funcționarea în intervalul de impulsuri prevăzut.
Test de temperatură: Testează performanța la condiții extreme de mediu.
Test de viață: Simulează funcționarea pe termen lung.
Teste de vibrații și șocuri: Sunt necesare pentru echipamentele mobile și industriale.
Test de zgomot: Este necesar pentru produsele sensibile la zgomot.
Test de aplicație: Testați actuatorul în produsul finit.
Un aspect foarte important este testarea solenoidului bistabil de blocare împreună cu mecanismul clientului, deoarece actuatorul se poate comporta diferit după instalare.
17. Parametrii cheie ai solenoidului bistabil cu blocare în cererea de ofertă pentru inginerie
Când comandați un solenoid nou sau personalizat, furnizați suficiente date tehnice pentru a permite o evaluare relevantă.
Specificațiile utile pot include:
Aplicație: Încuietoare electronică
Tipul solenoidului: Cu blocare bistabilă
Tensiune: 12 VDC.
Curent maxim disponibil: 1.2A
Cursa: 5 mm
Forță de pornire: 8N
Forță de prindere necesară: 20 N
Durata impulsului: 150-250 ms
Frecvență maximă: 10 cicluri pe minut
Durată de viață așteptată: 500,000 de cicluri
Interval de temperatură de funcționare: -20°C ~ 60°C
Dimensiune maximă: 35x25x20 mm
Cerință de zgomot redus
Cantitate anuală: 100,000 de bucăți
O inginerie mai eficientă poate fi obținută prin furnizarea de fișiere CAD, desene ale mecanismelor, fotografii și informații despre sarcină.
Listă de verificare a selecției inginerești
Înainte de a aproba designul, asigurați-vă că:
Cererea privind accidentul vascular cerebral este bine definită.
Există suficientă putere pentru cursa de lucru.
– Forța de fixare este suficientă în ambele stări necesare.
Tensiunea este compatibilă cu sistemul electronic.
Șoferul este capabil să accepte curentul de vârf.
Timpul pulsului este modalitatea garantată de a te mișca.
Controlul polarității este implementat corect.
Se testează starea de baterie descărcată.
Performanța termică este bună.
Timpul de răspuns îndeplinește cerințele sistemului.
Alinierea mecanică previne supraîncărcarea la încărcarea laterală.
Se iau în considerare condițiile de mediu.
Zgomotul este acceptabil.
Durata de viață a funcționării este dovedită.
Se ia în considerare toleranța de producție.
Întregul ansamblu este testat.
18. Rezumat
Un solenoid cu blocare bistabil este o soluție eficientă din punct de vedere energetic pentru aplicațiile care necesită două poziții mecanice stabile și o forță de menținere redusă.
Avantajul ingineresc de bază al solenoidului bistabil este simplu: energia electrică este utilizată în principal pentru schimbarea stării, nu pentru menținerea ei.
Totuși, implementarea cu succes a actuatorului înseamnă mult mai mult decât simpla selectare a tensiunii corecte.
Inginerii ar trebui să evalueze forța pe parcursul cursei, forța de menținere, energia impulsurilor, controlul polarității, electronica driverului, temperatura, sarcina mecanică, timpul de răspuns, condițiile de mediu și durata de viață.
Mai mult, actuatorul și mecanismul clientului trebuie considerate ca un singur sistem electromecanic.
Pentru aplicațiile OEM, este necesar să se efectueze testarea prototipurilor în condiții realiste.
Inginerii ar trebui să testeze tensiunea minimă și maximă, temperaturile extreme, sarcina mecanică, toleranțele de producție și frecvența de funcționare așteptată.
Atunci când este proiectată și validată corespunzător, tehnologia bistabilă oferă o acționare liniară fiabilă, cu un consum redus de energie și o bună gestionare a energiei.
19: Întrebări frecvente despre blocarea bistabilă
soluții pentru inginerie de solenoizi
1. Ce este un solenoid bistabil cu blocare?
Un solenoid bistabil cu blocare este un actuator electromagnetic care are două stări stabile.
Se poate menține în poziția aleasă chiar și după terminarea impulsului electric, reducând sau eliminând astfel nevoia de curent de menținere continuu.
2. Cum funcționează un solenoid bistabil cu blocare?
Armătura, sau pistonul, este mișcată de câmpul magnetic generat de curentul electric care trece prin bobină.
Blocarea magnetică menține poziția aleasă după întreruperea alimentării.
Actuatorul poate fi comutat în cealaltă stare stabilă prin impuls electric.
3. Un solenoid bistabil necesită o putere constantă?
În general, puterea bobinei nu trebuie să fie continuă pentru a menține poziția stabilă.
Principala utilizare a energiei electrice este schimbarea stărilor.
Comportamentul exact depinde de designul magnetic și mecanic al actuatorului.
4. Care este diferența dintre un bistabil și un solenoid obișnuit?
Un solenoid obișnuit cu arc de revenire revine de obicei în poziția de repaus atunci când alimentarea este întreruptă.
Un solenoid bistabil se poate menține într-una din două poziții stabile fără a fi nevoie de alimentare continuă cu energie electrică.
5. De ce aveți nevoie de un solenoid bistabil cu blocare pentru produsele alimentate cu baterii?
Energia electrică este utilizată în principal în timpul schimbărilor de stare, ceea ce duce la reducerea consumului mediu de energie în aplicațiile care rămân într-o singură poziție pentru o perioadă lungă de timp.
Acest lucru este util pentru încuietori inteligente, echipamente portabile, produse IoT și alte sisteme alimentate de baterii.
6. Cum selectez forța corectă a solenoidului?
Ar trebui să calculați sarcina pe toată lungimea cursei, inclusiv arcurile, frecarea, gravitația, forțele de articulație și accelerația.
Apoi, evaluați forța actuatorului în funcție de caracteristicile cursei și luați în considerare marja de proiectare corespunzătoare.
7. Care este forța de menținere a solenoidului bistabil?
Forța de menținere – Forța care menține actuatorul în poziția sa blocată după întreruperea alimentării bobinei.
Ar trebui luată în considerare separat de forța electromagnetică cu care este mișcat pistonul.
8. Necesită un solenoid bistabil cu blocare polaritate inversă?
Multe modele schimbă starea prin inversarea polarității curentului.
Detaliile controlului depind de designul magnetului și al bobinei.
Prin urmare, circuitul driverului ar trebui proiectat pentru actuatorul selectat.
9. Ce lungime ar trebui să aibă impulsul electric?
Durata impulsului este o funcție de tensiune, curent, lungimea cursei, sarcina mecanică, proprietățile bobinei și designul magnetic.
Ar trebui să fie suficient de lung pentru a mișca în mod fiabil pistonul în cele mai nefavorabile condiții, fără un consum inutil de energie și supraîncălzire.
Solenoizii bistabili sunt într-adevăr personalizabili.
Da.
Parametri precum tensiunea, rezistența bobinei, cursa, forța, forța de fixare, geometria pistonului, dimensiunile, montarea, cablarea, conectorii și așa mai departe pot fi personalizați în funcție de capacitățile de fabricație și cerințele aplicației.
10. Care sunt aplicațiile tipice ale solenoizilor bistabili cu blocare?
Aplicațiile tipice sunt încuietori inteligente, sisteme de control al accesului, automatizări industriale, echipamente medicale, carcase electronice, dispozitive de contorizare, mecanisme de siguranță, echipamente portabile și alte sisteme electromecanice de consum redus de energie.
11. Ce teste ar trebui să efectueze inginerii înainte de producția de masă?
Inginerii ar trebui să verifice forța, cursa, forța de menținere, tensiunile minime și maxime, durata impulsului, temperatura, durata de viață, alinierea mecanică, vibrațiile, zgomotul și performanța de mediu.
Testarea finală trebuie efectuată cu actuatorul montat în produsul finit.
