Hướng dẫn thiết kế van điện từ đẩy cho các ứng dụng công nghiệp

 

 

 

 

Chương 1: A là gì? Van điện từ đẩy?

Van điện từ đẩy là một loại thiết bị truyền động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động tuyến tính và lực. Cụ thể, van điện từ đẩy kéo dài cần đẩy để điều khiển một số cơ cấu hoặc van trong thiết bị công nghiệp. Van điện từ đẩy là những bộ phận không thể thiếu trong máy móc tự động hóa nhờ khả năng chuyển động tuyến tính nhanh chóng, đáng tin cậy và nhỏ gọn.
Trái ngược với van điện từ kiểu kéo, van điện từ kiểu đẩy tạo ra lực theo hướng mở rộng của pít tông. Van điện từ kiểu đẩy có nhiều cấu hình khác nhau – bao gồm thiết kế khung hở, dạng ống và dạng tỷ lệ.

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nam châm điện đẩy

Cơ chế hoạt động của nam châm điện đẩy dựa trên các nguyên lý vật lý của điện từ học. Nam châm điện đẩy bao gồm một cuộn dây đồng quấn trên một ống chỉ và một pít tông sắt được đặt một phần bên trong cuộn dây. Khi dòng điện được cấp vào cuộn dây, cuộn dây sẽ tạo ra từ trường, và pít tông sẽ bị từ hóa cùng với mạch sắt xung quanh nó.

Từ thông khép kín mạch từ sắt và truyền qua khe hở không khí giữa pít tông và cực từ (chốt chặn). Lực hút từ kéo pít tông vào trung tâm cuộn dây, nơi từ thông mạnh nhất. Nam châm điện đẩy sử dụng lực từ để tạo ra chuyển động tuyến tính thông qua một thanh đẩy kéo dài từ đầu đối diện của nam châm điện.

Lực từ của nam châm điện tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện và số vòng dây (ampe-vòng) và tỷ lệ nghịch với khoảng cách khe hở không khí. Khi pít tông chuyển động và khoảng cách khe hở không khí giảm, lực từ tăng lên – đây là đặc điểm chính trong hoạt động của nam châm điện đẩy, rất quan trọng trong thiết kế ứng dụng.

Chương 3: Tại sao hầu hết các van điện từ tự nhiên có lực kéo

Có một quan niệm sai lầm phổ biến về việc thay đổi cực tính trong cuộn dây điện từ khiến nó đẩy thay vì kéo. Điều đó không đúng. Cuộn dây điện từ sẽ hút pít tông bất kể cực tính nào được sử dụng. Pít tông luôn bị kéo về trung tâm của cuộn dây điện từ, nơi có từ trường mạnh nhất.
Hiện tượng kéo này xảy ra do đặc tính tự nhiên của từ thông nhằm giảm thiểu điện trở từ của mạch. Khe hở không khí giữa pít tông và cực từ tạo ra điện trở từ cực đại trong mạch từ, do đó pít tông bị kéo về phía đó.

Chương 4 ：Các kỹ sư tạo ra van điện từ đẩy như thế nào?

Các kỹ sư sử dụng một kỹ thuật rất đơn giản để chuyển đổi lực kéo tự nhiên của nam châm điện thành lực đẩy. Cụ thể, họ sử dụng một thanh đẩy được thiết kế đặc biệt.

4.1 Thiết kế thanh đẩy

Yếu tố quan trọng nhất của nam châm điện đẩy là cần đẩy. Khi pít tông được kéo vào cuộn dây, nó sẽ đẩy cần đẩy kéo dài ra từ đầu kia của nam châm điện. Lực cực đại của nam châm điện đẩy xảy ra khi pít tông được rút hoàn toàn và cần đẩy được kéo dài hết cỡ (ngược lại với nam châm điện kéo có lực cực đại xảy ra ở đầu hành trình).

4.2 Thiết kế thanh đẩy đặc thù

Để các nam châm điện đẩy hoạt động đáng tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi cao, các kỹ sư phải sử dụng các thiết kế cần đẩy đặc biệt. Ban đầu, nam châm điện sử dụng các vật liệu không từ tính đơn giản như đồng thau, đồng berili và nhựa cho cần đẩy để tránh hiện tượng ngắn mạch từ tính. Tuy nhiên, những cần đẩy đó sẽ nhanh chóng bị biến dạng do hiện tượng bắn tóe và phồng lên dưới tác động lặp đi lặp lại của pít tông.
Ngày nay, các kỹ sư thiết kế ghim bấm gồm hai bộ phận làm từ các vật liệu khác nhau. Phần thanh đẩy tiếp xúc với pít tông được làm từ vật liệu không nhiễm từ nhưng có độ bền cao như thép không gỉ hoặc đồng berili. Mặt khác, đầu còn lại tiếp xúc với cơ cấu được làm từ thép dụng cụ tôi cứng. Hai bộ phận được hàn lại với nhau để ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch từ tính.

4.3 Đẩy so với Đẩy và Kéo

Các nhà thiết kế nên phân biệt hai cấu hình sau:
Đẩy hoặc kéo – thiết kế với pít tông và cần đẩy đối xứng có thể thực hiện cả hai chức năng tùy thuộc vào hướng lắp đặt;
Cơ chế đẩy và kéo – thiết kế với hai cuộn dây có thể chuyển đổi vị trí pít tông để tạo ra tác động đẩy và kéo hai chiều từ cùng một đầu của thiết bị.

Chương 5: Các thành phần chính của van điện từ đẩy

5.1. Lắp ráp cuộn dây

Cuộn dây là phần dây đồng được quấn quanh một ống chỉ. Số vòng quấn, tiết diện dây và lớp cách điện là những thông số quan trọng quyết định đặc tính của nam châm điện.

5.2. Pít tông (phần ứng)

Bộ phận sắt di động được sử dụng để chuyển đổi năng lượng từ trường thành năng lượng cơ học. Hình dạng pít tông (mặt phẳng hoặc hình nón) xác định đặc tính lực-hành trình của cuộn dây điện từ.

5.3. Khung

Đây là một phần của nam châm điện đẩy, có chức năng tạo mạch từ và cấu trúc. Các thiết kế khung chữ C, khung chữ D và khung ống thường được sử dụng trong công nghiệp. Vật liệu khung là thép có độ thấm từ cao, dẫn từ thông tốt.

5.4. Thanh đẩy

Trục chuyên dụng, chuyển đổi chuyển động của pít tông thành chuyển động đẩy tuyến tính của nam châm điện.

5,5. Chốt (cực)

Bộ phận bằng sắt của mạch từ xác định giới hạn hành trình của pít tông. Nam châm điện đẩy sử dụng các chốt đặc biệt với một lỗ chính xác cho cần đẩy.

5.6. Lò xo hồi

Lò xo sẽ ​​đưa pít tông trở lại trạng thái ban đầu khi nguồn điện bị ngắt. Hầu hết các nam châm điện đẩy đều có thiết kế lò xo hồi vị, nhưng nam châm điện tỷ lệ hoặc cơ cấu chuyên dụng cho ứng dụng cụ thể cũng có thể được sử dụng cho chuyển động hồi vị.

Chương 6 : Van điện từ đẩy so với van điện từ kéo

Các nam châm điện đẩy thường tạo ra lực cực đại thấp hơn một chút so với các nam châm điện kéo tương đương vì cần đẩy phải đi qua điểm dừng, tạo ra đường dẫn rò rỉ cho từ thông. 

Chương 7: Đặc tính lực-hành trình

Hiểu rõ mối quan hệ giữa lực và hành trình là điều cần thiết để thiết kế ứng dụng van điện từ thành công.

7.1 Mối quan hệ nghịch đảo

Trong bất kỳ cuộn dây điện từ nào, lực từ tỷ lệ nghịch với chiều dài hành trình. Lực từ cực đại của cuộn dây giảm khi chiều dài hành trình tăng. Điều này xảy ra vì lực hút từ mạnh nhất khi khe hở không khí nhỏ nhất. Đối với bất kỳ ứng dụng nào, kỹ sư nên thiết kế với hành trình ngắn nhất để tối đa hóa lực từ và giảm kích thước của cuộn dây.

7.2 Phạm vi hành trình

Các van điện từ đẩy tiêu chuẩn trong công nghiệp được thiết kế để cung cấp chiều dài hành trình lên đến 0.80 inch (20 mm), mặc dù cũng có một số van điện từ có hành trình dài hơn. Phạm vi hành trình là thông số quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến lực đầu ra:
Hành trình ngắn (2 – 5 mm) – lực đầu ra tối đa, thích hợp cho thao tác thường xuyên.
Hành trình trung bình (3 – 8 mm) – thiết kế cực hình nón có thể được sử dụng để cải thiện biên độ lực.
Hành trình dài (trên 10 mm) – lực đầu ra thấp, yêu cầu nam châm điện kích thước lớn hơn hoặc thiết kế nam châm điện tỷ lệ.

7.3 Đường cong lực-hành trình

Hầu hết các nhà sản xuất đều cung cấp đồ thị lực-hành trình cho các van điện từ đẩy của họ ở các chu kỳ làm việc khác nhau. Các đồ thị này thường thể hiện sự giảm lực khi hành trình tăng lên. Kỹ sư phải chọn một van điện từ cung cấp đủ lực ở một chiều dài hành trình nhất định với hệ số an toàn không thấp hơn 1.5.

7.4 Chu Kỳ Làm Việc

Chu kỳ làm việc, tức là tỷ lệ giữa thời gian hoạt động và tổng thời gian chu kỳ, ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất và thiết kế của van điện từ:
Chế độ hoạt động liên tục (100%) – cuộn dây điện từ có thể được cấp điện liên tục. Yêu cầu kích thước cuộn dây lớn để tản nhiệt, dẫn đến lực tác dụng thấp hơn đối với cùng kích thước cuộn dây điện từ.
Chế độ hoạt động gián đoạn (25 – 50%) – cho phép công suất và lực đầu vào cao hơn. Cung cấp đủ thời gian nghỉ để làm mát.
Chu kỳ xung (10% hoặc ít hơn) – công suất đầu ra cao nhất có thể cho một kích thước nhất định. Thời gian bật rất ngắn cho phép công suất đầu vào tối đa.

Chương 8: Thiết kế van điện từ đẩy công nghiệp

8.1 Kiểm soát nhiệt độ

Khi nhiệt độ của nam châm điện tăng lên, điện trở của cuộn dây cũng tăng theo, dẫn đến giảm lực đầu ra. Đối với nam châm điện được thiết kế để đạt trạng thái cân bằng ở 85°C, các phép tính lực cần phải tính đến sự giảm công suất này. Các nhà sản xuất thường cung cấp dữ liệu về cuộn dây ở 20°C, do đó các kỹ sư phải kiểm tra lực đầu ra ở nhiệt độ dự kiến.

8.2 Thời gian phản hồi

Thời gian phản hồi bao gồm hai phần – thời gian tạo từ thông (chiếm hơn một nửa thời gian phản hồi) và thời gian di chuyển của pít tông. Thời gian phản hồi thay đổi từ 5 mili giây đối với các nam châm điện nhỏ có hành trình ngắn đến 250 mili giây đối với các thiết kế lớn hơn.

8.3 Bảo vệ môi trường

Các van điện từ công nghiệp cần được bảo vệ khỏi hơi ẩm, dầu, bụi và rung động. Kỹ sư nên lựa chọn vật liệu làm kín, lớp phủ hoặc thiết kế đặc biệt phù hợp cho môi trường khắc nghiệt.

8.4 Chống xoay của pít tông

Nếu ứng dụng yêu cầu căn chỉnh chính xác, tính năng chống xoay của pít tông phải được trang bị để ngăn pít tông xoay trong quá trình hoạt động. Điều này đặc biệt quan trọng nếu cần phải căn chỉnh thanh đẩy với cơ cấu bên ngoài.

8.5 Tiếng ồn và Tác động

Van điện từ tạo ra tiếng ồn do pít tông va đập vào điểm dừng. Để giảm tiếng ồn khi sử dụng, nên xem xét sử dụng bộ giảm chấn hoặc bộ phận giảm xóc bằng chất đàn hồi.

Chương 9: Quy trình sản xuất van điện từ đẩy công nghiệp

Van điện từ đẩy được sản xuất bằng các kỹ thuật có độ chính xác cao:

9.1. Cuộn dây

Quấn dây đồng với lực căng và số lớp được kiểm soát chính xác để đạt được số vòng dây và điện trở nhất định của cuộn dây.

92. Gia công bằng pít tông

Gia công các pít tông từ thép từ tính với dung sai chặt chẽ. Hoàn thiện bề mặt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ mài mòn của nam châm điện.

9.3. Chế tạo cần đẩy

Sản xuất các thanh đẩy chất lượng cao bằng phương pháp hàn chuyên dụng hai chi tiết làm từ thép không nhiễm từ và có khả năng tôi cứng.

9.4. Lắp ráp khung

Dập hoặc gia công khung, sau đó lắp ráp thêm xung quanh cuộn dây. Thiết kế dạng ống sử dụng vỏ thép kéo.

9.5. Lắp ráp lần cuối

Lắp ráp tất cả các bộ phận và kiểm tra hiệu suất lực-hành trình, đặc tính điện và tuổi thọ chu kỳ.

9.6. Tùy chỉnh

Các cải tiến về trục, đầu nối đặc biệt, hình dạng pít tông độc đáo, v.v.

Chương 10 : Ứng dụng công nghiệp của van điện từ đẩy

Van điện từ dạng đẩy được sử dụng trong nhiều thiết bị công nghiệp và thương mại:

10.1 Vận hành van

Van điện từ dạng đẩy dùng để đóng mở van trong các hệ thống truyền động chất lỏng, bao gồm cả hệ thống khí nén và thủy lực. Trong các hệ thống thủy lực di động, van điện từ dạng đẩy phải chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt và áp suất cao.

10.2 Ô tô và vận tải

Van điện từ dạng nhấn được sử dụng trong hệ thống quản lý động cơ, khóa cửa, điều khiển hệ thống điều hòa không khí và cơ cấu chuyển số hộp số. Trong ngành công nghiệp ô tô, van điện từ dạng nhấn cần phải nhỏ gọn, đáng tin cậy và chịu được nhiệt độ khắc nghiệt.

10.3 Thiết bị y tế

Van điện từ dạng đẩy cung cấp chuyển động chính xác cho các thiết bị chẩn đoán và điều trị. Ngành y tế yêu cầu độ tin cậy cao và tuổi thọ chu kỳ dài.

10.4 Lắp ráp và đóng gói tự động

Các nam châm điện đẩy điều khiển các cơ cấu đẩy chi tiết, căn chỉnh vị trí và khóa an toàn. Các thiết kế có tuổi thọ chu kỳ cao là cần thiết trong các ứng dụng đó.

10.5 Thiết bị bán hàng và phân phối

Các nam châm điện đẩy điều khiển việc phân phối sản phẩm, khóa và cơ chế thanh toán trong máy bán hàng tự động và máy bán hàng tự động bằng tiền xu.

10.6 Máy nông nghiệp

Các ứng dụng thủy lực di động, bao gồm cả máy móc nông nghiệp, sử dụng van điện từ đẩy để điều khiển van và kích hoạt các thiết bị.

Chương 11: Hướng dẫn lựa chọn van điện từ đẩy

Khi lựa chọn van điện từ đẩy cho ứng dụng công nghiệp, kỹ sư cần tuân theo một số quy trình nhất định:

11.1. Định nghĩa hàm Decide,

Loại cơ cấu nào được yêu cầu – đẩy, kéo hay tác động hai chiều? Trong trường hợp vị trí lắp đặt của nam châm điện có thể được lựa chọn tự do, thì có thể sử dụng loại nam châm điện “đẩy hoặc kéo”.

11.2. Xác định các yêu cầu về hành trình

Hãy quyết định xem cần bao nhiêu hành trình. Để đạt hiệu suất tốt nhất, cơ cấu nên được thiết kế để sử dụng chiều dài hành trình ngắn nhất có thể.

11. 3. Tính toán lực cần thiết

Tính toán lực cần thiết để vận hành cơ cấu, có tính đến lực ma sát và lực tải, đồng thời áp dụng hệ số an toàn không thấp hơn .

11.4. Xác định chu kỳ làm việc

Tính toán chu kỳ làm việc dự kiến: Chu kỳ làm việc = (Thời gian bật) / (Thời gian bật + Thời gian tắt) × 100%. Điều này xác định xem cần làm việc liên tục hay gián đoạn.

11.5. Xem xét các điều kiện môi trường

Đánh giá các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, độ rung và ô nhiễm để xác định biện pháp bịt kín và bảo vệ cần thiết.

11.6. Chọn nguồn điện đầu vào

Xác định điện áp nguồn cung cấp khả dụng. Các nhà sản xuất cung cấp cuộn dây cho các điện áp tiêu chuẩn từ 5V đến 120V và cao hơn.

11.7. Xác nhận hiệu suất lực-hành trình

Sử dụng biểu đồ của nhà sản xuất, hãy xác nhận rằng van điện từ đã chọn cung cấp lực cần thiết ở hành trình và chu kỳ làm việc yêu cầu.

11.8. Kiểm tra các tính năng đặc biệt

Cần lưu ý đến khả năng chống xoay của pít tông, các đầu nối đặc biệt, v.v.

Chương 12: Ưu điểm và hạn chế của van điện từ đẩy

Ưu điểm
• Thiết kế đáng tin cậy và bền bỉ
• Tốc độ phản hồi nhanh (5-250 ms)
• Ít cần bảo trì và tuổi thọ cao lên đến 10 triệu chu kỳ
• Kích thước nhỏ gọn
• Hiệu quả về chi phí khi sản xuất với số lượng lớn.
• Đa dạng cấu hình
• Có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt với khả năng làm kín phù hợp.
Hạn chế
• Lực giảm khi chiều dài hành trình tăng
• Chu kỳ hoạt động hạn chế do sinh nhiệt.
• Ảnh hưởng của từ trường dư đến thời gian giải phóng
• Tiếng ồn do va chạm có thể gây khó chịu
• Cần có mạch điều khiển
• Lực đẩy thấp hơn lực kéo tương đương

Chương 13: Những câu hỏi thường gặp

Tôi có thể chế tạo nam châm điện để tạo lực đẩy bằng cách đảo cực không? Không. Nam châm điện sẽ hút pít tông bất kể cực tính nào được sử dụng. Để tạo ra lực đẩy, bạn phải sử dụng cần đẩy gắn vào pít tông.

Tại sao lực đẩy lại thấp hơn lực kéo trong các nam châm điện tương đương? Điều này xảy ra vì thanh đẩy đi qua lỗ trên bộ phận chặn, tạo ra khe hở không khí bổ sung cho phép rò rỉ từ thông.

Sự khác biệt giữa van điện từ “đẩy hoặc kéo” và “đẩy và kéo” là gì? Van điện từ kiểu “đẩy hoặc kéo” có thể hoạt động như một bộ đẩy hoặc bộ kéo tùy thuộc vào cách lắp đặt. Van điện từ “đẩy và kéo” hai chiều hoạt động như cả đẩy và kéo từ cùng một đầu bằng cách sử dụng hai cuộn dây.
Van điện từ công nghiệp dạng nhấn có tuổi thọ bao lâu? Van điện từ công nghiệp tiêu chuẩn có tuổi thọ khoảng 2 triệu chu kỳ, các loại có tuổi thọ cao hơn có thể lên đến 10 triệu chu kỳ. Tuổi thọ phụ thuộc vào tần số, tải trọng và điều kiện môi trường.

Thời gian phản hồi điển hình là bao nhiêu? Thời gian phản hồi dao động từ 5 ms đối với các thiết bị nhỏ có hành trình ngắn đến 250 ms đối với các thiết bị lớn. Việc tích tụ từ thông chiếm hơn một nửa thời gian phản hồi.

Chương 14: Kết luận

Van điện từ đẩy là một khối cấu tạo được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp, cung cấp chuyển động tuyến tính nhanh chóng, đáng tin cậy và nhỏ gọn. Hiểu biết về các nguyên lý kỹ thuật cơ bản của các bộ truyền động này, từ cơ chế kéo tự nhiên của van điện từ đến thiết kế cần đẩy, cho phép thiết kế các ứng dụng van điện từ hiệu quả.

Dựa trên các yêu cầu về lực đẩy, chu kỳ hoạt động và điều kiện môi trường, kỹ sư có thể lựa chọn hoặc thiết kế các van điện từ đẩy sao cho mang lại hiệu suất tuyệt vời trong các ứng dụng đòi hỏi cao. Các van điện từ đẩy hiện đại cung cấp hiệu suất cao, với tuổi thọ lên đến 10 triệu lần hoạt động và thời gian phản hồi chỉ vài mili giây.

Từ van thủy lực đến cơ cấu đẩy hoặc dây chuyền sản xuất tự động – van điện từ đẩy là một giải pháp đã được chứng minh là đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí cho ứng dụng của bạn. Bằng cách tuân theo các nguyên tắc được mô tả trong bài viết này, bạn sẽ dễ dàng tìm thấy một thiết kế van điện từ đẩy phù hợp.