Введение в Инженерное решение для фиксирующего соленоида
Бистабильный фиксирующий соленоид — это электромеханический привод, работающий в двух механических состояниях и сохраняющий их без потребления энергии. Благодаря своим особенностям, этот тип соленоида широко используется в маломощных, компактных линейных приводах и в других типах позиционных держателей.
Соленоиды постоянного тока требуют непрерывного питания катушки для удержания в рабочем состоянии. В отличие от них, бистабильные соленоиды обычно работают за счет магнитной фиксации положения привода после прекращения электрического импульса.
Второй электрический сигнал переводит исполнительный механизм в другое состояние.
Этот принцип предоставляет многочисленные преимущества в устройствах с батарейным питанием, системах контроля доступа, электронных замках, промышленной автоматизации, медицинском оборудовании, измерительных приборах, устройствах безопасности и во многих других областях применения, требующих источника питания только в моменты изменения состояния.
При проектировании бистабильного фиксирующего соленоида учитываются параметры силы, характеристики магнитного удержания, энергия импульса, конструкция катушки, механическая нагрузка, температура, допуски, срок службы, управляющая электроника и условия эксплуатации. В данном руководстве описаны все эти аспекты.
1. Что такое бистабильный фиксирующий соленоид и как он работает?
Соленоид служит для преобразования электрической энергии в механическую линейным способом.
Протекающий через катушку ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитной цепью и генерирует силу, действующую на подвижный исполнительный механизм (якорь или поршень).
В обычном соленоиде с пружинным возвратом отключение электрического питания позволяет пружине или внешней нагрузке вернуть поршень в исходное положение.
Однако бистабильный фиксирующий соленоид работает в обратном направлении.
На изображении показаны два стабильных механических состояния. Как только актуатор достигает одного из этих состояний, магнитная система помогает поддерживать это состояние без непрерывного протекания тока в катушке.
Второй электрический сигнал, посылаемый системой управления, изменяет состояние исполнительного механизма. Часто это означает изменение полярности катушки в соответствии с конструкцией магнитной цепи.
Это означает, что большая часть энергии расходуется на изменение положения.
Это очень выгодно для бистабильной работы, поскольку устройство большую часть времени находится в одном состоянии и редко меняет свое положение.
2. Различия между одинарная защелка против бистабильные защелкивающие соленоиды
Инженеры должны знать разницу между бистабильным и моностабильным режимами работы.
Моностабильный соленоид имеет только одно основное устойчивое положение. Когда электромагнитная сила исчезает, пружина или другая механическая сила возвращает исполнительный механизм в это положение.
В бистабильном актуаторе существуют два стабильных положения.
Рассмотрим в качестве примера электронную систему запирания.
Первый электрический импульс перемещает фиксирующий штифт в заблокированное положение. После этого штифт удерживается в этом положении даже после окончания электрического импульса.
Обратный электрический импульс переводит механизм привода в разблокированное положение, которое сохраняется и после окончания электрического импульса.
Для удержания в любом из этих положений не требуется постоянный источник питания.
Это одна из причин, почему бистабильные фиксирующие соленоиды полезны в маломощных устройствах.
Однако разработчикам следует помнить, что исполнительный механизм сохраняет свое положение даже при отключении электропитания.
3. Определение необходимого объема удара
Плавный ход — это весь линейный путь от одного устойчивого положения до другого.
Для типичного аритмического поражения головного мозга может быть достаточно нескольких миллиметров хода иглы, но для некоторых механизмов требуются более длинные ходы.
Инженерам не следует указывать в договоре ненужные поездки.
Последствия инсульта возрастают:
Доступная сила
Эффективность магнитной цепи
Размеры соленоида
Вес поршня
Время реакции
Требуемая электрическая мощность
Если для замка требуется ход в 4 мм, то увеличение хода позволяет повысить размер или эффективность соленоида без каких-либо дополнительных затрат.
При проектировании бистабильного фиксирующего соленоида инженеры должны знать всю механическую схему и определить минимальное значение хода с учетом соответствующих допусков.
4. Оценка силы бистабильного запорного соленоида на протяжении всего хода.
Соленоид обычно не демонстрирует постоянного усилия на протяжении всего хода.
Доступная электромагнитная сила зависит от положения поршня и магнитного воздушного зазора.
В любом случае, это может привести к тому, что спецификация силы будет вводить в заблуждение.
Предположим, что приложению требуется следующее:
ход поршня — 6 мм
Начальная сила — 8 Н
промежуточная сила — 12 Н
конечная сила — 20 Н
В таком случае, если соленоид может обеспечить усилие в 20 Н только в конце хода, но не может обеспечить усилие в 8 Н, необходимое для начала движения, он не сможет работать правильно.
Поэтому, по возможности, инженерам следует проверять график зависимости силы от хода.
Кроме того, механическая нагрузка должна включать в себя:
сила пружины
трение.
вес
сопротивление связи
механическая толерантность
ускоряющий
последствия загрязнения
Выбранный бистабильный фиксирующий соленоид должен обеспечивать достаточное усилие во всем рабочем диапазоне, а не только в какой-либо точке.
5. Понимание силы магнитного удержания
Сила воздействия не равна силе удержания.
Сила воздействия перемещает поршень. Однако удерживающая сила сохраняет требуемое положение после окончания электрического импульса.
В бистабильных конструкциях, вероятно, основным инженерным параметром является способность удерживать заряд.
Усилие, необходимое для удержания, зависит от области применения.
Для удержания небольшого внутреннего механизма переключения требуется относительно небольшое усилие. Но для тяжелого замка или промышленного механизма требуется гораздо большее усилие.
Инженеры должны знать, преодолевают ли внешние нагрузки, вибрации, удары, пружины или механические допуски силу магнитного удержания.
Следовательно, магнитная цепь бистабильного фиксирующего соленоида должна быть спроектирована с учетом как перемещения, так и удержания положения.
Это особенно актуально для средств обеспечения безопасности, поскольку проверка работоспособности всегда должна проводиться для всего механизма в целом.
6. Выбор рабочего напряжения
Типичные рабочие напряжения постоянного тока:
3 VDC
5 VDC
6 VDC
9 VDC
12 VDC
24 VDC
Доступны и другие напряжения катушки.
Выбор напряжения должен соответствовать электрической архитектуре изделия.
Однако напряжение само по себе не является критерием выбора соленоида инженерами.
Важные электрические параметры:
напряжение — потенциал, подаваемый на катушку
Сопротивление катушки, наряду с приложенным напряжением, определяет поведение тока.
влияет на электромагнитную силу и потребление энергии
Длительность импульса — определяет, как долго катушка находится под напряжением во время срабатывания.
энергия на импульс — подтверждает наличие достаточной механической работы для осуществления перехода.
Энергия тока и импульсов особенно важна в системах с батарейным питанием.
7. Оптимизация длительности импульса бистабильного фиксирующего соленоида.
Одним из главных инженерных преимуществ этой бистабильной конструкции является то, что катушке не требуется постоянное питание для поддержания стабильного состояния.
Или же можно использовать короткие импульсы для изменения положения исполнительного механизма.
Например, одно приложение может работать со следующими функциями:
напряжение – 12 В постоянного тока
Длительность импульса — 100 мс
частота работы — 20 раз в день
Для других применений необходима длительность импульса 300 мс из-за большей механической нагрузки или большего хода.
Длительность импульса зависит от катушки, магнитной цепи, механической нагрузки, хода, напряжения и доступного тока.
Если импульс слишком короткий, бистабильный фиксирующий соленоид может не завершить свое движение.
Однако более длительный импульс приводит к растрате энергии и чрезмерному нагреву.
В ходе испытаний прототипа необходимо установить надежную длительность импульса в наихудших условиях, а не только минимальную рабочую длительность импульса в одном образце.
8. Обратите внимание на инверсию полярности и управляющую электронику.
Многие бистабильные соленоиды меняют свое состояние при изменении полярности тока, протекающего через катушку.
Это означает, что электроника управления должна уметь контролировать полярность.
В зависимости от архитектуры изделия инженерам следует использовать H-мост или аналогичную схему переключения.
Разработка электроники привода должна основываться на
напряжение катушки
Максимальный ток
длительность импульса
частота переключения
индуктивный процесс
потребности в защите
доступная батарея или источник питания
Особое внимание следует уделять индуктивным нагрузкам при отключении тока.
Бистабильный фиксирующий соленоид и управляющая им электроника должны разрабатываться как единая система, а не как отдельные элементы.
В условиях низкого заряда батареи или наихудшего напряжения механическая работа может быть ненадежной, если электронная система управления не сможет обеспечить достаточный ток.
9. Оценка потребностей в электроэнергии.
Для маломощных приложений мгновенный ток — не единственный показатель качества; инженерам следует также учитывать энергию, затрачиваемую на одну операцию.
Бистабильный актуатор может потреблять относительно большой ток в течение короткого времени, расходуя при этом мало энергии в сутки из-за отсутствия тока удержания.
Это означает, что он привлекателен для:
Умные замки (с питанием от батареек)
Гаджеты IoT
Портативное оборудование
Электронные шкафчики:
Системы дистанционного управления
Интеллектуальные счетчики
Системы автоматизации, учитывающие энергетические потребности.
При выборе бистабильного фиксирующего соленоида инженерам следует оценить общее суточное энергопотребление, включая типичную длительность импульса и количество срабатываний.
Кроме того, инженерам следует проверить наихудшее значение напряжения батареи и внутреннее сопротивление. У новой батареи могут быть другие характеристики напряжения ближе к концу срока службы.
10. Проверьте тепловые характеристики бистабильного фиксирующего соленоида.
Бистабильные соленоиды обеспечивают существенные тепловые преимущества, поскольку на них подается электричество в течение короткого промежутка времени.
Короткие импульсы не обязательно означают, что температурой всегда можно пренебречь.
Температура станет проблемой, когда:
Длительность импульса слишком велика.
Рабочая частота высокая.
Напряжение превышает расчетное значение
Температура окружающей среды высокая.
Корпус привода
Ограниченное охлаждение
Сопротивление катушек зависит от температуры.
Поэтому важно протестировать исполнительный механизм на самой высокой рабочей частоте и при самой высокой температуре окружающей среды.
Правильно спроектированный бистабильный фиксирующий соленоид должен обеспечивать достаточное усилие срабатывания в любом диапазоне температур.
11. Учитывайте время реакции.
Иногда требуются быстрые изменения состояния, но в некоторых случаях также необходимы медленная реакция и бесшумная работа.
Время ответа может зависеть от:
Длина хода
Вес поршня.
Напряжение питания
Свойства катушек
Механическое напряжение
Натяжение пружины (сила пружины)
Трение (сущ.)
Сила удержания магнитов
Конструкция драйвера
Дополнительная электроэнергия может быть полезна в некоторых ситуациях, но, с другой стороны, она может увеличить ударную нагрузку, шум и тепловыделение.
Таким образом, возникает необходимость в инженерной оптимизации.
Если точность имеет решающее значение, то следует измерять как электрическую, так и механическую синхронизацию.
12. Проектирование бистабильного фиксирующего соленоида с длительным сроком службы.
Исполнительный механизм, прошедший 100 лабораторных циклов, не обязательно пригоден для массового производства.
В некоторых областях применения количество циклов может достигать сотен тысяч или даже миллионов.
Износ может проявляться в следующих местах:
Направляющая плунжера
Механические упоры
Валы.
Springs
Ссылки
Контактные поверхности
Боковая загрузка может вызвать серьезные проблемы.
Бистабильный фиксирующий соленоид обычно предназначен для осевого линейного перемещения.
Если механизм, разработанный заказчиком, создает высокую боковую нагрузку на поршень, то трение и износ могут значительно усилиться.
Следовательно, правильная механическая центровка является обязательным условием.
По возможности, испытание на долговечность следует проводить при тех же параметрах хода поршня, нагрузке, напряжении, длительности импульса, частоте, температуре и условиях монтажа, что и в конечном изделии.
13. Контроль шума и механических воздействий
При нажатии на соленоид может раздаваться слышимый щелчок из-за контакта плунжера с упорами в конце хода.
Это может быть допустимо в промышленном оборудовании, но не в медицинском оборудовании, товарах для «умного дома», офисной технике или системах контроля доступа премиум-класса.
Источниками шума могут быть:
Эффект поршня
Эффект остановки (механический)
Избыточный зазор
Резонанс жилья
Эффект связи
Высокоскоростное переключение
Для минимизации шума может потребоваться применение механического демпфирования, оптимизация зазоров, изменение скорости вращения поршня, изменение упоров или использование импульсного управления.
Однако демпфирование не должно влиять на способность бистабильного фиксирующего соленоида достигать конечного положения.
Таким образом, существует компромисс между минимизацией шума и силой, скоростью и надежностью.
14. Условия окружающей среды и температурные параметры
Операционная среда должна быть определена на раннем этапе.
Важными условиями могут быть
Самая низкая температура
Самая высокая температура
Влажность
Пыли.
Влажность
Вибрации.
Механический удар и/или
Октябрь 2023
Загрязнители
Низкие температуры могут влиять на свойства смазки и механическое трение.
Высокие температуры могут повлиять на сопротивление катушки и её магнитные характеристики.
Пыль и загрязнения могут ограничивать движение поршня.
Полная герметизация обеспечивает значительную защиту от воздействия окружающей среды при использовании на открытом воздухе.
Однако бистабильный защелкивающий соленоид необходимо тестировать в условиях, соответствующих конечному продукту.
15. Специализированные и стандартные бистабильные фиксирующие соленоиды
Стандартный исполнительный механизм часто является лучшей отправной точкой, поскольку он позволяет сократить время проектирования, затраты на оснастку и сроки изготовления прототипов.
Тем не менее, для OEM-приложений может потребоваться индивидуальная настройка.
Вот некоторые из типичных параметров настройки:
Напряжение
Сопротивление катушки
Штрихи
Сила активации
удерживающая сила
Геометрия поршня
Длина вала
Общие размеры
уволенный
Весна
Подводящие провода
Разъемы
16. Индивидуальная настройка должна производиться по очевидным инженерным соображениям.
Например, если стандартный бистабильный фиксирующий соленоид отвечает всем требованиям, кроме длины поршня, то замена поршня может оказаться более экономичной, чем полная перепроектировка магнитной структуры.
Сотрудничество с клиентом на раннем этапе может привести к более эффективному решению.
- Предсерийная проверка конструкции
Инженерная проверка должна представлять собой нечто большее, чем просто функциональное тестирование.
В зависимости от задачи инженеры могут проводить тестирование следующих элементов:
Тест на силу: измерение силы в определенных точках хода.
Проверка удерживающей силы: Убедитесь в стабильности в обоих состояниях.
Проверка напряжения: Проведите проверку при самом низком, номинальном и самом высоком ожидаемом напряжении.
Импульсная проверка: Убедитесь в работоспособности устройства в заданном диапазоне импульсов.
Температурные испытания: Проверка работоспособности в экстремальных условиях окружающей среды.
Испытание на долговечность: имитация длительной эксплуатации.
Вибрационные и ударные испытания: они необходимы для мобильного и промышленного оборудования.
Проверка уровня шума: необходима для изделий, чувствительных к шуму.
Тестирование в реальных условиях: Проверка работы привода в конечном изделии.
Очень важным аспектом является проверка бистабильного фиксирующего соленоида в сочетании с механизмом заказчика, поскольку после установки исполнительный механизм может вести себя иначе.
17. Ключевые параметры бистабильного фиксирующего соленоида в инженерном запросе предложений.
При заказе нового или изготовленного на заказ соленоида предоставьте достаточно технических данных для проведения содержательной оценки.
В качестве полезных технических характеристик могут быть указаны:
Применение: Электронный замок
Тип соленоида: бистабильный защелкивающий.
Напряжение: 12 В постоянного тока.
Максимально допустимый ток: 1.2 А
Ход: 5 мм
Начальная сила: 8 Н
Требуемая сила захвата: 20 Н
Длительность импульса: 150-250 мс
Максимальная частота: 10 циклов в минуту.
Ожидаемый срок службы: 500 000 циклов.
Диапазон рабочих температур: от -20°C до 60°C
Максимальный размер: 35х25х20 мм
Требования к низкому уровню шума
Годовой объем производства: 100 000 штук.
Более эффективное проектирование может быть достигнуто за счет предоставления файлов САПР, чертежей механизмов, фотографий и информации о нагрузках.
Контрольный список для отбора инженеров
Прежде чем утвердить дизайн, убедитесь в следующем:
Потребности, связанные с инсультом, четко определены.
Мощности достаточно для рабочего хода.
– В обоих требуемых состояниях удерживающей силы достаточно.
Напряжение совместимо с электронной системой.
Драйвер способен выдерживать пиковый ток.
Измерение пульса — это гарантированный способ двигаться.
Управление полярностью реализовано корректно.
Проверяется состояние низкого заряда батареи.
Тепловые характеристики хорошие.
Время отклика соответствует требованиям системы.
Механическая центровка предотвращает перегрузку при боковой нагрузке.
Учитываются условия окружающей среды.
Уровень шума приемлемый.
Срок службы доказан.
Учитывается производственный допуск.
Вся сборка протестирована.
18. Резюме
Бистабильный фиксирующий соленоид — это энергоэффективное решение для применений, требующих двух стабильных механических положений и низкой удерживающей силы.
Основное инженерное преимущество бистабильного соленоида простое: электрическая энергия используется главным образом для изменения состояния, а не для его поддержания.
Однако успешная реализация исполнительного механизма — это гораздо больше, чем просто выбор правильного напряжения.
Инженеры должны оценить усилие на протяжении всего хода, удерживающее усилие, энергию импульса, управление полярностью, электронику привода, температуру, механическую нагрузку, время отклика, условия окружающей среды и срок службы.
Кроме того, исполнительный механизм и механизм заказчика следует рассматривать как единую электромеханическую систему.
Для OEM-приложений необходимо проводить испытания прототипов в реалистичных условиях.
Инженеры должны провести испытания минимального и максимального напряжения, экстремальных температур, механической нагрузки, производственных допусков и ожидаемой рабочей частоты.
При правильном проектировании и проверке бистабильная технология обеспечивает надежное линейное управление с уменьшенным энергопотреблением и упрощенным управлением энергией.
19: Часто задаваемые вопросы о бистабильных защелках
инженерные решения для соленоидов
1. Что такое бистабильный фиксирующий соленоид?
Бистабильный фиксирующий соленоид — это электромагнитный исполнительный механизм, имеющий два стабильных состояния.
Она способна удерживаться в выбранном положении даже после окончания электрического импульса, что снижает или исключает необходимость постоянного поддержания тока.
2. Как работает бистабильный фиксирующий соленоид?
Якорь, или поршень, приводится в движение магнитным полем, создаваемым электрическим током, проходящим через катушку.
Магнитная защелка сохраняет выбранное положение после отключения питания.
Исполнительный механизм может быть переключен в другое стабильное состояние с помощью электрического импульса.
3. Требует ли бистабильный соленоид постоянного питания?
В общем случае, для удержания катушки в стабильном положении не обязательно, чтобы питание было непрерывным.
Основное применение электрической энергии заключается в изменении агрегатных состояний.
Точное поведение зависит от магнитной и механической конструкции привода.
4. В чём разница между бистабильным и обычным соленоидом?
Обычный пружинный соленоид обычно возвращается в исходное положение при отключении питания.
Бистабильный соленоид может удерживаться в одном из двух стабильных положений без необходимости постоянного питания.
5. Зачем нужен бистабильный фиксирующий соленоид для устройств, работающих от батарей?
Электрическая энергия используется преимущественно при изменении состояния, что приводит к снижению среднего энергопотребления в приложениях, которые длительное время остаются в одном положении.
Это полезно для умных замков, портативного оборудования, устройств Интернета вещей и других систем с батарейным питанием.
6. Как выбрать подходящую силу воздействия соленоида?
Необходимо рассчитать нагрузку по всей длине хода, включая пружины, трение, силу тяжести, силы, действующие на рычаги, и ускорение.
Затем оцените зависимость усилия привода от хода и учтите соответствующий инженерный запас.
7. Какова удерживающая сила бистабильного соленоида?
Удерживающая сила – сила, которая удерживает исполнительный механизм в зафиксированном положении после отключения питания катушки.
Этот фактор следует рассматривать отдельно от электромагнитной силы, с которой перемещается поршень.
8. Требуется ли обратная полярность для бистабильного фиксирующего соленоида?
Во многих конструкциях состояние изменяется путем изменения полярности тока.
Детали управления зависят от конструкции магнита и катушки.
Следовательно, схема управления должна быть разработана с учетом выбранного типа исполнительного механизма.
9. Какой должна быть длительность электрического импульса?
Длительность импульса зависит от напряжения, тока, длины хода, механической нагрузки, свойств катушки и конструкции магнита.
Длина должна быть достаточной, чтобы надежно перемещать поршень в наихудших условиях без излишнего расхода энергии и перегрева.
Бистабильные соленоиды действительно поддаются индивидуальной настройке.
Да.
Такие параметры, как напряжение, сопротивление катушки, ход, усилие, удерживающее усилие, геометрия плунжера, размеры, способ крепления, проводка, разъемы и т. д., могут быть настроены в зависимости от производственных возможностей и требований к применению.
10. Каковы типичные области применения бистабильных фиксирующих соленоидов?
Типичные области применения включают в себя интеллектуальные замки, системы контроля доступа, промышленную автоматизацию, медицинское оборудование, электронные корпуса, измерительные приборы, механизмы безопасности, портативное оборудование и другие маломощные электромеханические системы.
11. Какие испытания должны провести инженеры перед началом серийного производства?
Инженеры должны проверить усилие, ход, удерживающее усилие, минимальное и максимальное напряжение, длительность импульса, температуру, срок службы, механическую соосность, вибрацию, шум и экологические характеристики.
Заключительные испытания следует проводить после установки исполнительного механизма в готовое изделие.
