선형 솔레노이드 액추에이터
전기 신호를 선형 운동을 생성하는 자기장으로 변환하는 또 다른 유형의 전자기 액추에이터를 선형 솔레노이드 라고 합니다 .
선형 솔레노이드 액츄에이터는 이전 튜토리얼에서 본 전기 기계 릴레이와 동일한 기본 원리로 작동하며 릴레이와 마찬가지로 바이폴라 트랜지스터 또는 MOSFET을 사용하여 전환하고 제어할 수도 있습니다. "선형 솔레노이드"는 전기 에너지를 기계적 밀거나 당기는 힘 또는 운동으로 변환하는 전자기 장치입니다.
선형 솔레노이드 액추에이터
선형 솔레노이드 액츄에이터는 기본적으로 코일 본체의 "IN" 및 "OUT"으로 자유롭게 움직이거나 미끄러지는 강자성 액츄에이터 또는 "플런저"가 있는 원통형 튜브 주위에 감긴 전기 코일로 구성됩니다. 솔레노이드는 도어와 래치를 전기적으로 열고, 밸브를 열거나 닫고, 로봇 팔다리와 메커니즘을 이동 및 작동하고, 코일에 전원을 공급하는 것만으로도 전기 스위치를 작동하는 데 사용할 수 있습니다.
솔레노이드는 다양한 구성과 형식으로 제공되며 , 이름에서 알 수 있듯이 직선 선형 운동을 생성하는 LEMA(선형 전자기계 액추에이터)라고도 알려진 선형 솔레노이드 액추에이터 와 회전식 솔레노이드가 있는 보다 일반적인 유형이 있습니다. 고정된 각도에 걸쳐 회전 운동을 생성합니다.
두 가지 유형의 솔레노이드, 선형 및 회전형은 유지(지속적으로 전원 공급) 또는 래칭 유형(ON-OFF 펄스)으로 제공되며 래칭 유형은 전원 공급 또는 전원 차단 애플리케이션에 사용됩니다. 플런저 위치가 전원 입력에 비례하는 경우 선형 솔레노이드는 비례 동작 제어를 위해 설계될 수도 있습니다.
전류가 도체를 통해 흐르면 그 주위에 자기장이 생성됩니다. 북극과 남극에 대한 이 자기장의 방향은 전선 내의 전류 흐름 방향에 따라 결정됩니다. 그런 다음 와이어 코일을 통해 전류가 흐르면 영구 자석과 똑같은 북극과 남극을 생성하는 "전자석"이 됩니다.
이 자기장의 강도는 코일을 통해 흐르는 전류의 양을 제어하거나 코일의 회전 수 또는 루프 수를 변경하여 증가하거나 감소할 수 있습니다. 아래에는 "전자석"의 예가 나와 있습니다.
솔레노이드 코일에 의해 생성된 자기장
전류가 코일 권선을 통과하면 전자석처럼 동작하고 코일 내부에 있는 플런저는 코일 본체 내부에 설정된 자속으로 인해 코일 중심을 향해 끌려가며 결과적으로 코일을 압축합니다. 플런저의 한쪽 끝에 부착된 작은 스프링. 플런저 이동의 힘과 속도는 코일 내에서 생성되는 자속의 강도에 따라 결정됩니다.
공급 전류가 "OFF"(전원 차단)되면 이전에 코일에 의해 생성된 전자기장이 붕괴되고 압축된 스프링에 저장된 에너지로 인해 플런저가 원래 정지 위치로 되돌아갑니다. 플런저의 앞뒤 움직임을 솔레노이드 "스트로크"라고 합니다. 즉, 플런저가 "IN" 또는 "OUT" 방향으로 이동할 수 있는 최대 거리(예: 0 – 30mm)입니다.
리니어 솔레노이드 액츄에이터 구조
이러한 유형의 솔레노이드는 선형 방향 이동과 플런저의 작용으로 인해 일반적으로 선형 솔레노이드 라고 합니다 . 선형 솔레노이드는 전원이 공급될 때 연결된 부하를 자체 쪽으로 당기는 "당김형"과 전원이 공급될 때 반대 방향으로 작용하는 "푸시형"이라는 두 가지 기본 구성으로 제공됩니다. 푸시형과 풀형은 일반적으로 리턴 스프링의 위치와 플런저 디자인의 차이를 제외하고 동일하게 구성됩니다.
풀형 리니어 솔레노이드 액츄에이터
선형 솔레노이드 액츄에이터는 전자 활성화식 도어 잠금 장치, 공압 또는 유압 제어 밸브, 로봇 공학, 자동차 엔진 관리, 정원에 물을 공급하는 관개 밸브, 심지어 정원에 물을 공급하는 관개 밸브와 같이 개방형 또는 폐쇄형(안쪽 또는 바깥쪽) 동작이 필요한 많은 응용 분야에 유용합니다. '딩동' 초인종이 하나 있습니다. 개방형 프레임, 폐쇄형 프레임 또는 밀봉된 관형 유형으로 제공됩니다.
로터리 솔레노이드 액츄에이터
대부분의 전자기 솔레노이드는 선형 앞뒤로 힘이나 운동을 생성하는 선형 장치입니다. 그러나 중립 위치에서 시계 방향, 시계 반대 방향 또는 양방향(양방향)으로 각도 또는 회전 동작을 생성하는 회전 솔레노이드도 사용할 수 있습니다.
로터리 솔레노이드 액츄에이터
회전식 솔레노이드는 회전 각도가 시작 위치에서 끝 위치로 이동하는 각도이므로 각도 이동이 매우 작은 소형 DC 모터 또는 스테퍼 모터를 대체하는 데 사용할 수 있습니다.
일반적으로 사용 가능한 회전 솔레노이드에는 25, 35, 45, 60 및 90o의 움직임 뿐만 아니라 2위치 자체 복원 또는 0 회전으로 복귀(예: 0-90-)와 같은 특정 각도로 및 특정 각도에서 여러 움직임이 있습니다. ~-0 o , 3위치 자체 복원(예: 0o ~ +45o 또는 0o ~ -45o 및 2위치 래칭) .
회전 솔레노이드는 전원이 공급되거나 차단될 때 또는 전자기장의 극성 변화로 인해 영구 자석 회전자의 위치가 변경될 때 회전 운동을 생성합니다. 이들 구조는 강철 프레임 주위에 감겨진 전기 코일과 코일 위에 위치한 출력 샤프트에 연결된 자기 디스크로 구성됩니다.
코일에 전원이 공급되면 전자기장은 여러 개의 N극과 S극을 생성하여 디스크의 인접한 영구 자극을 밀어내고 회전 솔레노이드의 기계적 구조에 의해 결정된 각도로 회전하게 됩니다.
회전식 솔레노이드는 도트 매트릭스 프린터, 타자기, 자동 기계 또는 자동차 응용 분야 등에 사용되는 것과 같이 자동 판매기 또는 게임기, 밸브 제어, 특수 고속, 저전력 또는 높은 힘 또는 토크를 갖춘 가변 위치 지정 솔레노이드에 사용됩니다. .
솔레노이드 스위칭
일반적으로 선형 또는 회전식 솔레노이드는 DC 전압을 적용하여 작동하지만 전파 브리지 정류기를 사용하여 전원을 정류한 다음 DC 솔레노이드를 전환하는 데 사용할 수 있으므로 AC 정현파 전압과 함께 사용할 수도 있습니다. 소형 DC 유형 솔레노이드는 트랜지스터 또는 MOSFET 스위치를 사용하여 쉽게 제어할 수 있으며 로봇 응용 분야에 사용하기에 이상적입니다.
그러나 앞서 전기 기계 계전기에서 살펴본 것처럼 선형 솔레노이드는 "유도성" 장치이므로 높은 역기전력 전압으로 인해 반도체 스위칭 장치가 손상되는 것을 방지하려면 솔레노이드 코일 전체에 일정한 형태의 전기 보호가 필요합니다. 이 경우에는 표준 "플라이휠 다이오드"가 사용되지만 제너 다이오드나 작은 값의 배리스터도 동일하게 사용할 수 있습니다.
트랜지스터를 사용하여 솔레노이드 전환
에너지 소비 감소
솔레노이드, 특히 선형 솔레노이드 의 주요 단점 중 하나는 와이어 코일로 만들어진 "유도 장치"라는 것입니다. 이는 솔레노이드 코일이 저항을 가지며 와이어의 I 2 R 가열 효과로 인해 이를 작동하는 데 사용되는 전기 에너지의 일부를 "열"로 변환한다는 것을 의미합니다.
즉, 전원에 감긴 코일을 장시간 연결하면 뜨거워질 수 있으며, 솔레노이드 코일에 전원을 인가하는 시간이 길어질수록 코일도 뜨거워질 수 있습니다. 또한 코일이 가열됨에 따라 전기 저항도 변경되어 코일을 통해 흐르는 전류와 자기장 강도가 암페어 턴에 직접적으로 영향을 미치므로 감소합니다.
코일에 지속적인 전압 입력이 가해지면 입력 전원이 항상 켜져 있기 때문에 솔레노이드 코일은 냉각될 기회가 없습니다. 이러한 자기 유도 가열 효과를 줄이려면 코일에 전원이 공급되는 시간을 줄이거나 코일을 통해 흐르는 전류의 양을 줄이는 것이 필요합니다.
전류를 덜 소비하는 한 가지 방법은 플런저를 작동하고 안착시키는 데 필요한 전자기장을 제공하기 위해 솔레노이드 코일에 적절하고 충분히 높은 전압을 적용한 다음 활성화되면 코일 공급 전압을 플런저를 유지하기에 충분한 수준으로 낮추는 것입니다. 안착 또는 걸쇠 위치에 있습니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 솔레노이드 코일과 직렬로 적절한 "유지" 저항기를 연결하는 것입니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
솔레노이드 에너지 소비 감소
여기서 스위치 접점은 닫혀 저항을 단락시키고 전체 공급 전류를 솔레노이드 코일 권선에 직접 전달합니다. 솔레노이드 플런저 동작에 기계적으로 연결될 수 있는 접점에 전원이 공급되면 솔레노이드 코일과 직렬로 연결된 유지 저항기 RH 가 열립니다. 이는 저항을 코일과 직렬로 효과적으로 연결합니다.
이 방법을 사용하면 코일에서 소비되는 전력과 발생하는 열이 크게 줄어들기 때문에 솔레노이드를 전압 공급 장치에 무기한으로 연결할 수 있습니다(연속 듀티 사이클). 적절한 전력 저항기를 사용하면 열이 최대 85~90%까지 감소할 수 있습니다. 그러나 저항기가 소비하는 전력은 일정량의 열(I 2 R(옴의 법칙))을 생성하므로 이 점도 고려해야 합니다.
솔레노이드 듀티 사이클
솔레노이드 코일에서 발생하는 열을 줄이는 또 다른 보다 실용적인 방법은 "간헐적인 듀티 사이클"을 사용하는 것입니다. 간헐적 듀티 사이클은 플런저 메커니즘을 활성화하기 위해 코일이 적절한 주파수에서 반복적으로 "ON" 및 "OFF"로 전환되지만 파형의 OFF 기간 동안 전원이 차단되는 것을 허용하지 않음을 의미합니다. 간헐적인 듀티 사이클 전환은 코일이 소비하는 총 전력을 줄이는 매우 효과적인 방법입니다.
솔레노이드의 듀티 사이클(%ED)은 솔레노이드에 전원이 공급되는 "ON" 시간의 일부이며, 하나의 완전한 사이클에 대한 총 "ON" 및 "OFF" 시간에 대한 "ON" 시간의 비율입니다. 작업. 즉, 사이클 시간은 스위치가 켜진 시간에 스위치가 꺼지는 시간을 더한 것과 같습니다. 듀티 사이클은 백분율로 표시됩니다. 예:
그런 다음 솔레노이드가 "ON"으로 전환되거나 30초 동안 전원이 공급된 다음 다시 전원이 공급되기 전에 90초 동안 "OFF"로 전환된 경우, 한 번의 완전한 사이클, 총 "ON/OFF" 사이클 시간은 120초가 됩니다(30초). +90) 따라서 솔레노이드 듀티 사이클은 30/120초 또는 25%로 계산됩니다. 즉, 듀티 사이클 및 스위치 끄기 시간 값을 알면 솔레노이드 최대 스위치 켜기 시간을 결정할 수 있습니다.
예를 들어 스위치 끄기 시간은 15초이고 듀티 사이클은 40%이므로 스위치 켜기 시간은 10초입니다. 정격 듀티 사이클이 100%인 솔레노이드는 연속 전압 정격을 가지며 과열이나 손상 없이 "ON" 상태로 유지되거나 지속적으로 전원이 공급될 수 있음을 의미합니다.
솔레노이드에 대한 이 튜토리얼에서는 선형 솔레노이드 액추에이터 와 회전식 솔레노이드 액추에이터를 모두 물리적 프로세스를 제어하기 위한 출력 장치로 사용할 수 있는 전기 기계 액추에이터로 살펴보았습니다 .
다음 튜토리얼에서는 액츄에이터(Actuator) 라는 출력 장치 와 전자기학을 사용하여 전기 신호를 해당 회전 운동으로 다시 변환하는 출력 장치를 계속 살펴보겠습니다 . 다음 튜토리얼에서 살펴볼 출력 장치 유형은 DC 모터입니다.