¿Puede un solenoide lineal ser tan eficiente como un motor cepillado con una caja de engranajes?

Las partes de una bobina solenoide que están lejos del émbolo en un momento dado disiparán la potencia, pero no impartirán mucha fuerza útil. Si uno tuviera un solenoide con muchos devanados cortos a lo largo de su longitud, y en cada momento solo energizara los que harían un trabajo útil, un solenoide podría en teoría ser bastante eficiente. Desafortunadamente, hacer eso requeriría tener muchos bobinados discretos y circuitos de control para ellos, lo que sería bastante complicado.

Una gran ventaja de un actuador lineal impulsado por un motor rotativo es que si un motor de 3 polos realizaría 100 rotaciones durante el curso del recorrido del actuador, sería análogo a subdividir un solenoide lineal en 300 secciones conmutadas. Poner 3 polos en un motor rotativo, y luego tener un mecanismo para convertir 100 vueltas en un rango de movimiento lineal, es mucho más barato que subdividir una bobina en 300 piezas separadas.

Teóricamente sí, en la práctica general no.

El principal problema con un solenoide es que consume corriente mientras está parado. La eficiencia es la relación entre la salida útil y el esfuerzo de entrada. La entrada de energía es voltios x amperios x tiempo, la salida de energía es fuerza x distancia. Cuando el solenoide se mantiene, consume energía eléctrica, pero no produce ninguna salida. Toda la energía eléctrica se convierte en calor en la resistencia de la bobina, por lo que su eficiencia es cero .

El principio básico de un motor eléctrico y un solenoide es el mismo. Ambos usan atracción / repulsión electromagnética para producir movimiento mecánico. En ambos dispositivos, se genera una tensión de retroceso mientras la armadura / rotor / barra se mueve, lo que reduce la caída de tensión a través de la resistencia de la bobina y, por lo tanto, reduce la pérdida de potencia. Sin embargo, el motor gira constantemente, por lo que lo hace continuamente, mientras que el solenoide solo lo hace durante la carrera. Al igual que el solenoide, un motor de engranaje tiene una baja eficiencia cuando se pone en marcha o se detiene. Pero una vez que se acelera, su eficiencia aumenta y, con una buena caja de cambios, se necesita poca o ninguna potencia para mantener su posición.

Pero la eficiencia no lo es todo. Un motor con engranaje es mejor cuando algo debe moverse a una larga distancia y / o durante un largo período de tiempo. Pero la posición absoluta es difícil de controlar y no le gusta estar estancado. Un solenoide puede ser mejor cuando desea una forma sencilla de obtener movimientos cortos y rápidos entre dos posiciones bien definidas.

Y hay formas de mejorar la eficiencia de un solenoide.

1. La corriente de mantenimiento se puede reducir cambiando una resistencia en serie con la bobina una vez que haya funcionado, o pulsando con un voltaje más alto durante la carrera. La corriente de retención puede reducirse a cero mediante el uso de un imán permanente, de modo que la barra se "adhiere" a la cara del palo cuando se opera (debe aplicar una corriente inversa para liberarla).

2. Durante la carrera, el solenoide crea un campo magnético cuya energía se convierte en salida mecánica, pero la resistencia de la bobina desperdicia energía. Para reducir este desperdicio, la relación de inductancia a resistencia debe ser grande, pero esto requiere un pequeño espacio de aire, que es incompatible con una carrera larga. Sin embargo, si la bala y la cara del polo se hacen cónicas, el espacio de aire puede ser mucho más pequeño.

3. Es posible que una carga solo deba ser "expulsada" por el solenoide, luego solo necesita ser pulsada por un corto tiempo para que la eficiencia no sea tan importante. Si la carga se 'patea' justo al final de la carrera, entonces casi toda la energía cinética acumulada en la bala se puede transferir a la carga, y la eficiencia podría ser bastante alta (quizás incluso más alta que un motor de engranajes en la misma carga). situación).

  

¿Puede un solenoide lineal ser tan eficiente como un motor cepillado con una caja de engranajes?

Solo para una gran proporción de casos.
Un solenoide varía el espacio de aire y la fuerza magnética a medida que se mueve.
Dependiendo de la excitación y del perfil de fuerza necesario y más, es habitual que se deba ingresar más energía a lo largo de gran parte de la carrera para lograr un perfil de fuerza o velocidad deseado.

Si la aplicación puede ajustarse a las características del solenoide, entonces PUEDE ser muy eficiente, por ejemplo, almacenar energía en un delantero acelerador que luego aplica un impulso a, por ejemplo, una bola de pin. No te "preocupas" demasiado por la forma en que el delantero llega a la pelota si la velocidad es correcta.

Un motor no es 100% eficiente (cepillado o sin cepillar) y una caja de engranajes es 100% eficiente, pero en la mayoría de los casos es probable que pueda obtener una mejor coincidencia con lo que se busca que con un solenoide. En algunos casos, si el solenoide se adapta bien a la tarea, la eficiencia máxima del motor y la caja de engranajes aún no puede competir.

¿Por qué usar un solenoide entonces? - El solenoide tiene las ventajas de un costo y tamaño relativamente bajos y, en algunos casos, puede poner una gran cantidad de energía en un dispositivo pequeño de bajo costo. Y no otros.

Es como comparar, por ejemplo, la eficiencia del motor de gas y el mecanismo de la ventana. Los motores sin escobillas son eficientes cuando se mueven. Si tiene una aplicación donde un motor sin escobillas hace exactamente lo que hace el solenoide (mueve cierta carga y luego mantiene algo de fuerza sin movimiento), su eficiencia será solo cero, porque no se realiza ningún trabajo (F * dx = 0): toda la energía se desperdicia .

Además, los solenoides son impulsados por controladores baratos y simples. Quiero decir, si solo controla un dispositivo simple, no invertirá en un circuito de control de corriente de alta tecnología con toneladas de software detrás. Solo usarás como controlador PWM de dos niveles, y eso es todo. Por lo tanto, utilizará más corriente de la necesaria para mantener el solenoide en su lugar, lo que lo calentará.

Pero si por alguna razón quiere hacer que el solenoide sea muy eficiente, simplemente encuentre la aplicación adecuada, use todo lo que pueda encontrar en la conducción del motor y estará realmente bien.