Электромагнитные исполнительные устройства: виды и применение

На производстве и в быту активно применяется автоматизация. Для этого используют исполнительные устройства различных типов, гидравлические, пневматические и электрические. Такие устройства включают, отключают, изменяют режим работы механизмов, систем и устройств. В этой статье мы рассмотрим некоторые электромагнитные исполнительные устройства.

Содержание статьи

• Исполнительные устройства

• Общее устройство

• Втягивающее реле стартера ДВС

• Электромагнитный замок

• Электромагнитный клапан

• Пилотный электромагнитный клапан

• Электромагнитный клапан прямого действия

• Бистабильный клапан

• Электромагнит

Исполнительные устройства

Для приведения в движение различных механизмов используют электродвигательные и электромагнитные исполнительные механизмы. Для примера электродвигатели используют для автоматического или полуавтоматического управления задвижками, т.н. запорной арматурой на трубопроводах, как газовых, пневматических, водоснабжения и прочего.

Принцип действия электромагнитного исполнительного устройства заключается в совершении работы магнитным полем по перемещению сердечника связанного с исполнительными механизмами.

Общее устройство

Если рассмотреть электромагнитные исполнительные устройства в общем виде, то оно состоит из:

1. Катушки.

2. Магнитного сердечника.

3. Связанных рабочих механизмов и систем.

Под катушкой подразумевается электромагнитное устройство – катушка, намотанная на оправке медным проводом, внутри которой расположен сердечник. Другое название – соленоид. Такое же устройство имеет реле .

Снаружи соленоида может располагаться магнитопровод, т.н. ферромагнитное ярмо, он нужен для усиления и направления магнитных сил.

Когда по катушке протекает электрический ток, появляется магнитное поле, металлические элементы исполнительной части (якорь или сердечник) втягиваются и выполняется определенная работа. Таким образом, электрический ток преобразовывается в поступательное движение, а такие исполнительные устройства можно назвать поступательным электроприводом.

Стоит отметить, что промышленность изготавливает как устройства для работы в цепях постоянного тока, так и переменного. В принципе в цепях переменного тока широко используются электромагнитные исполнительные устройства, которые содержат выпрямители в своей конструкции. Это связано с тем, что у электромагнитов постоянного тока развивают большее тяговое усилие и имеют большую стабильность при тех же размерах, чем электромагнит переменного тока, а также дешевле в изготовлении.

Также стоит отметить, что большинство представителей электромагнитного привода ограничены двумя конечными положениями сердечника, типа «включено»/«выключено».

Давайте рассмотрим, где встречаются такие исполнительнее устройства, начнем с того, что встречается в быту чаще всего, затем рассмотрим промышленные исполнения.

Втягивающее реле стартера ДВС

В автомобилях для запуска двигателя используют стартер – мощных электропривод постоянного тока. При этом есть две задачи, которые нужно решить для его работы:

1. Стартер – это довольно мощный электродвигатель, его мощность, в зависимости от запускаемого ДВС может различаться от 0.5 кВт на скутерах и легких мотоциклах до 10 кВт на спецтехнике с дизельными двигателями. Такая мощность нужна, чтобы создать достаточный момент, чтобы провернуть коленвал двигателя.

Отсюда возникает проблема пропустить ток такой величины, для этого можно использовать реле, но в реальности делается все несколько иначе, позже мы рассмотрим этот вопрос.

2. Стартер приводит в движение ДВС путем вращения маховика, на котором надет венец – зубчатое кольцо. Стартер соединяется с маховиком с помощью бендикса (это обгонная муфта), он нужен для того, чтобы предотвратить передачу вращательного момента от ДВС на вал стартера.

Когда вы включаете цепь питания стартера, бендикс соединяется с зубцами венца маховика и начинает вращать его, когда двигатель завелся и вы отключаете цепь стартера – он возвращается в исходное положение.

Чтобы решить эти две проблемы одним устройством, на стартере устанавливают втягивающее реле. Во-первых, это реле замыкает силовые контакты (1), через которые и протекает пусковой и рабочий токи стартера. Во-вторых, с подвижной частью реле соединена специальная тяга (2), которая выталкивает бендикс (3) и, с помощью пружины (4), возвращает его обратно.

Электромагнитный замок

Электромагнитный замок позволяет реализовать различные системы безопасности, автоматического отпирания дверей при приближении хозяина или при считывании значения RFID метки, NFC или по другим технологиям связи и идентификации.

Для примера рассмотрим характеристика одного из вариантов. Это электромеханическая защелка.

Технические характеристики довольно интересны, она выдерживает усилие до 1000 кг, при потребляемом токе в 0.32А и напряжении в 12В, это чуть больше 4Вт мощности. Подобные замки пригодятся для организации СКУД или проектов умного дома .

Встречаются и другие варианты электромагнитных замков, работающих на том же принципе.

Они применяются в совокупности с домофонами на входных дверях подъездов .

Электромагнитный клапан

Электромагнитный клапан это устройство, предназначенное для управления потоком жидкостей или газов, которое приводится в действие электрически и которое также может быть установлено в удаленных или недоступных местах или подвергаться неблагоприятным условиям работы.

Электромагнитные клапаны могут управляться простыми электрическими переключателями, датчиками, часами или любыми другими устройствами, которые  включают или отключают электрическую цепь.

В трубопроводах устанавливаются клапана для контроля прохождения рабочей среды (газа или жидкости). Они бывают нормально-открытыми (пропускают жидкость/газ, когда напряжение не подано) и нормально-закрытыми (пропускают только когда напряжение подано).

При этом нормально-закрытые клапана зачастую конструктивно выполнены с упругой фиксацией, что позволяет избежать повреждения трубопровода при резком изменении давления, т.е. он слегка пропускает рабочую среду, для компенсации резкой смены давления.

При этом в трубопроводах большого давления электромагнитный клапан управляет открытием не основного трубопровода, а пневмо- или гидросистемы, которая отпирает основную силовую часть запорной арматуры.

Таким образом, можно организовать регулировку степени открытия задвижки или крана. Реализация достаточно проста – попеременное открытие подачи в камеру прямого или обратного хода управляющего вещества (пневматики или гидравлики).

На рынке представлен широкий выбор электромагнитных клапанов для различных применений, от нефтехимической до автомобильной. Учитывая это разнообразие, существуют разные способы их классификации.

По принципу действия их различают:

• прямого действия, срабатывают по нулевом перепаде давления;

• пилотные (непрямого действия), которые срабатывают при минимальном перепаде давления.

А также на:

• запорные (2/2 ходовые);

• распределяющие трехходовые (3/2 ходовые);

• переключающие клапаны (2/3 ходовые).

Пилотный электромагнитный клапан

Ниже изображена схема нормально-закрытого клапана.

Когда питание катушки не подаётся, клапан остаётся в закрытом положении. Поршень или мембрана под давлением пружины плотно прижаты к своему седлу.

Когда подключают питание к катушке, то возникающие силы противодействуют пружине и клапан открывается. Учтите, что в описании опущен ряд подробностей, которые не касаются электричества.

Ниже изображен нормально-открытый клапан.

Когда напряжение на катушку не подано – он открыт, а когда вы подаете напряжение, он закрывается, этот, как и предыдущий клапан чтобы поддерживать в рабочем состоянии нуждается в удержании питающего напряжения на катушке.

Кроме питания, нужно еще и помнить, о том, что они срабатывают только при перепаде давлений. Может использоваться в отоплении, водоснабжении, пневматических системах.

Электромагнитный клапан прямого действия

Главным отличием является то, что для его открытия/закрытия не нужен перепад давления до и после клапана. Это значит, что могут использоваться как в трубопроводах с давлением и без давления – слив жидкости с емкостей, ресиверов. В них обычно давление слишком маленькое, либо отсутствует.

Бистабильный клапан

Другое название бистабильного клапана – импульсный. Для удержания в открытом/закрытом состояния не требуется удержание управляющего напряжения. Для переключения состояний подают импульс напряжения определенной полярности. Работают в цепях постоянного тока.

Для работы таких клапанов требуется перепад давлений.

Электромагнитный или соленоидный клапан является надежной трубопроводной арматурой с большим ресурсом работы (порядка миллиона переключений).

К тому же отличаются высоким быстродействием (30-500 мс, в зависимости от диаметра), чего не могут обеспечить задвижки, приводящиеся в движение от электродвигателя. Кроме того не требует такого обслуживания и регулярной наладки, установки концевых выключателей как те же задвижки.

Двухходовой клапан является наиболее распространенным типом электромагнитного клапана; Он имеет одно входное и одно выходное соединение и регулирует поток жидкости в одной линии. Он может быть прямого действия или пилотного, в зависимости от мощности системы. Каждый из них может быть «нормально закрытым» или нормально открытым».

Трехсторонний клкпан . У них одно впускное соединение и два разных выпускных патрубка. По сути, они представляют собой комбинацию «нормально закрытого» и «нормально открытого» двухходового клапана в едином корпусе и с одной катушкой. Большинство из них относятся к типу «с пилотным управлением».

Эти клапаны в основном используются в промышленных холодильных установках и в системах кондиционирования воздуха, для рекуперации тепла, для повышения производительности компрессоров и для размораживания горячим газом.

Четырехходовой клапан. Их также называют реверсивными клапанами. Его используют почти исключительно в тепловых насосах, чтобы выбрать цикл охлаждения или нагрева, в зависимости от требований. Эти клапаны имеют три выхода и один общий вход.

Тепловой насос — это центральный кондиционер с обратимым циклом. Летом хладагент поглощает тепло изнутри дома и выводит его наружу. Зимой цикл меняется на противоположный: хладагент поглощает тепло извне и выпускает его в дом. Конденсатор и испаритель вынуждены поменять местами функции, меняя направление потока хладагента, и четырехходовой клапан заботится об этом.

Электромагнит

Электромагниты широко используются в металлургии, на производстве и свалках. Это отличный вариант для подъема и переноса металлолома и металлических изделий.

Различают такие виды электромагнитов:

• нейтральные электромагниты – работают от постоянного тока;

• поляризованные электромагниты, работают при наличии двух независимых магнитных потоков – рабочего и поляризирующего;

• электромагнит переменного тока – характерен пульсирующий магнитный поток от нуля до максимума, вибрации якоря.

Как и некоторые типа электродвигателей отличаются включение обмоток:

• последовательным, когда обмотки выполняются толстым проводом с малым количеством витков;

• параллельным, когда обмотки выполняются тонким проводом и большим количеством витков.

Так и по режиму работы:

• Длительный;

• Кратковременный;

• Прерывистый.

Заключение

Электромагнитный привод – быстродействующий и дешевый вариант исполнительных механизмов. Также в большинстве своем обладает большей долговечностью, чем электродвигательный привод, по причине отсутствия вращающихся рабочих частей, редукторов.

Смотрите также: Как сделать электромагнит своими руками