بخشی از مقاله
چکیده - سولنوید پلانجر یکی از مهمترین و پرکاربردترین محرکهای مغناطیسی و سولنویدی بوده که در میلیون ها دستگاه مختلف نظیر بسیاری از انواع محصولات خانگی و تجهیزات صنعتی در سراسر دنیا مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله ابتدا به معرفی محرکهای مغناطیسی و سولنویدی پرداخته سپس مکانیزم عملکرد و قطعات به کار رفته در سولنوید پلانجر معرفی گشته و در یک نرمافزار شبیهساز مدارهای مغناطیسی - نرمافزار ماکسول - یک سولنوید پلانجر رایج طراحی و مدل شده و ویژگیهای آن مورد بررسی قرار گرفته است. پس از بررسی نتایج شبیهسازی با اعمال تغییرهایی در ساختار بدنهی سولنوید پلانجر، عملکرد کلی دستگاه بهبود یافته و به طرحی جدید و بهبود یافته از سولنوید پلانجر دستیافته و در نهایت مدل ارتقاء یافته ساخته شده و تحت آزمایش قرار میگیرد.
-1 مقدمه
امروزه با افزایش محبوبیت محرکهای مغناطیسی فرمان دهی به سیستمهای کنترل حرکت توسط سیستمهای کامپیوتری انجام میپذیرد، سنسورهای مغناطیسی را می توان به عنوان رابط ورودی سیستم و محرکهای مغناطیسی را به عنوان رابط خروجی سیستمهای کنترل کامپیوتری به کار گرفت.[1] شکل 1 بلوک دیاگرام یک محرک مغناطیسی را نشان میدهد، ورودی که انرژی الکتریکی به شکل ولتاژ یا جریان است توسط مدار مغناطیسی به میدان مغناطیسی تبدیل شده و نیرو محرکه ای مغناطیسی را به وجود آورده که حرکتی مکانیکی در محوطهای محدود را موجب میگردد.[2]
یکی از انواع محرک های مغناطیسی محرک های سولنویدی بوده که از سیم پیچ و قسمتی متحرک تشکیل شده اند. عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ موجب تولید میدانی مغناطیسی شده که نیروی حاصله از آن میدان موجب حرکت قسمت متحرک میشود. محرک های سولنویدی به طور کلی وظیفه ی کشیدن یا هل دادن اجسام را به عهده داشته و بنابراین می توان با استفاده از مدار کنترل کننده محرک های سولنویدی را در بسیاری از وسایلی که انرژی الکتریکی را به حرکت خطی یا دورانی کوچک - محدود - تبدیل میکنند، استفاده کرد.
امروزه محرک های سولنویدی توسط میلیون ها نفر در بسیاری از انواع صنایع و تجهیزات و محصولات خانگی در جهان مانند ماشین آلات، خودرو، لوازم پزشکی، کلاچ برقی، ترمز، استارت موتور، شیرهای برقی، انژکتور سوخت، تجهیزات کشاورزی، جک های هیدرولیکی و پنوماتیکی، وسایل نقلیه فضایی و بسیاری دیگر از تجهیزات که قابل لیست شدن در اینجا نیستند مورد استفاده قرار میگیرند.
طبق ادعای نویسندگان 1]و[2 استفاده از محرکهای سولنویدی نسبت به سایر تجهیزات با کاربرد مشابه دارای مزیت هایی نظیر قدرت بالای محرک های سولنویدی، زمان پاسخ دهی کمتر - از 10 - ms - تا حداکثر - 500 - ms - ، قابل تنظیم بودن مشخصات محرک سولنویدی، ابعاد کوچکتر، عمر زیادتر - از 50000 تا بیش از 10000000 سیکل - ، مقرون به صرفه بودن و ضریب اطمینان بالا میباشد.
در رابطه با محدودیتهای محرک های سولنویدی میتوان به مواردی نظیر افزایش سریع دما و داغ شدن، محدودیت در جریان ورودی و نیروی تولیدی، افزایش هزینه ی ساخت برای تولید نیروی بیشتر، الزام در ساخت دقیق و محکم بودن ساختار بدنه آن اشاره کرد. محرک های سولنویدی شامل دو نوع اصلی هستند، یکی خطی و دیگری گردان که آنان نیز شامل انواع متعددی می باشند، یکی از انواع محرک های سولنویدی خطی، سولنوید پلانجر نام داشته که شامل مدل های مختلفی نظیر جریان مستقیم و غیر مستقیم است 3]و4و .[5 در ادامه ی این مقاله به بررسی محرک سولنوید پلانجر ولتاژ مستقیم پرداخته میشود.
-2 سولنوید پلانجر
یکی از مهم ترین و پرکاربردترین محرک های سولنویدی، سولنوید پلانجر است - شکل . - 2 ساختار آن به شکل یک استوانه - سیلندر - و یا مکعب مستطیل بوده و شامل یک بخش ثابت و یک بخش متحرک است. در این محرک با اعمال ولتاژ و شارش پیدا کردن جریان در سیم پیچ، میدانی مغناطیسی تولید شده و در سراسر بدنه شارش پیدا می کند و میدان مغناطیسی تولید شده نیرویی را بر پلانجر اعمال کرده که آن نیرو در راستای کاهش رلوکتانس یا کاهش فاصله هوایی بین پلانجر و قاب سولنوید عمل کرده و موجب کشیده شدن پلانجر به داخل می گردد، به عبارتی دیگر طبق قانون القای فارادی نیرو محرکه ی مغناطیسی تولیدی توسط جریان عبوری از سیم پیچ بر پلانجر - هسته ی متحرک - اعمال شده و در راستای افزایش اندوکتانس سیم پیچ عمل کرده و کشیده شدن پلانجر به داخل سیم پیچ را موجب میگردد .[1]
گرفته تا سرانجام پلانجر به انتهای مسیر حرکت خود رسیده و با قسمت ثابت بدنه برخورد می کند. با طی شدن حالت گذرا و رسیدن مقدار جریان به مقدار حالت پایدار، مقدار نیرو فزونی گرفته و به حد نهایی خود می رسد که آن نیرو، نیروی نگهدارنده نام دارد. در معادله - 1 - ، F نیرو، K f عددی ثابت، I جریان سیم پیچ، N تعداد دور سیمپیچ و X g طول فاصلهی هوایی میباشد. معادله - 1 - تقریبی برای حالت گذرای سولنوید پلانجر تخت بوده و نیروی نگه دارنده را شامل نمی شود. برای یافتن رابطهی دقیق بین نیرو، موقعیت و جریان سولنوید پلانجر بایستی به دفترچه راهنمای ارائه شده توسط شرکت سازنده آن رجوع کرد .[1]
شرکت های سازنده با استفاده از نرم افزارهای طراحی صنعتی و شبیه ساز ابتدا سولنوید پلانجر با مشخصات مورد نظر را طراحی کرده و رابطه ی بین نیرو و موقعیت پلانجر را به دست آورده و پس از ساخت محرک، با تجهیزات آزمایشگاهی و اندازه گیری نمودار نیرو موقعیت محرک ساخته شده را به دست میآورند. اندازه گیری نیرو بر حسب موقعیت پلانجر در دمای محیط و در موقعیتهای مختلف نصب محرک صورت میگیرد 4]و.[6 در ادامه این مقاله رابطه ی بین نیرو و موقعیت پلانجر توسط شبیه سازی و طراحی محرک در نرم افزار شبیه ساز مدارهای الکترومغناطیسی - نرم افزار ماکسول - با در نظرگیری وزن تخمینی پلانجر، جریان سیمپیچ، ابعاد و سایر موارد حاصل گردیده است.
نیروی تولیدی یک سولنوید پلانجر نسبت به موقعیت پلانجر متغیر بوده و به طور قابل توجه ای به مواردی نظیر آمپردور، سایز و شکل نوک پلانجر، نگه دارنده، زمان کار، دمای محیط، نحوه قرارگیری دستگاه، نحوه سیمپیچی و ابعاد کلی محرک بستگی دارد 1]و.[7 برای یک سولنوید پلانجر استاندارد با پلانجر تخت میتوان گفت که با شارش پیداکردن جریان در سیم پیچ و آغاز حرکت پلانجر به سمت داخل سیم پیچ، نیرو از کمترین مقدار خود فزونی برای ساخت و طراحی سولنوید پلانجر ضروری است که به نکاتی نظیر مقدار نیروی مورد نیاز و نوع عملکرد محرک - کشیدن یا هل دادن اجسام - ، حداکثر مسافتی که پلانجر طی می کند، ولتاژ ورودی - AC/DC - ، جریان و توان ورودی سیم پیچ، زمان کار - زمان روشن و خاموش بودن محرک - و سرعت عملکرد آن توجه داشت 7]و.[8 طبق ادعای نویسندگان [3] شکل 3 نشان دهندهی مشخصه ی نیرو موقعیت بر حسب نوک های مختلف پلانجر است.
-3 شبیهسازی
در این مقاله شبیه سازی و تحلیل سولنوید پلانجر با روش اجزای محدود در نرم افزار ماکسول با نوع تحلیل حالت گذرا صورت گرفته است، این نوع تحلیل به بررسی میدان های مغناطیسی تولیدی توسط سیمپیچها و اثرشان بر مدار مغناطیسی پرداخته و در آن می توان اثر حرکت انتقالی را مدل کرد. در ادامه این بخش به مراحل و نتایج حاصله اشاره میگردد. هدف از شبیه سازی و این نوع تحلیل در گام اول شبیه سازی مدل رایج سولنوید پلانجر و به دست آوردن مقدار نیروی تولیدی و بررسی سایر ویژگیهای آن محرک بوده و سپس اعمال تغییرات در طرح اولیه در جهت بهبود عملکرد آن و رسیدن به مدلی جدید و ارتقاء یافته از سولنوید پلانجر بوده که نیروی تولیدی بیشتر و سرعت بیشتر - زمان پاسخ دهی کمتری - داشته باشد.
