סולנואידים בתעשייה - מדריך מקיף

מדריך מקיף על סולנואידים, סוגיהם, טכנולוגיה והשיקולים החיוניים בבחירתם

הקדמה

בנוף הדינמי של האוטומציה התעשייתית, סולנואידים משמשים כרכיבי מפתח ובעלי תפקיד יסודי במגוון רחב של יישומים בתעשיות שונות. מטרת המאמר היא להציג את עולם הסולנואידים התעשייתיים, השימושים בהם, סוגיהם, הטכנולוגיה הבסיסית ואת שיקולי התכנון בבחירת סולנואידים.

מהו סולנואיד?

סולנואיד הוא רכיב אלקטרומכני שממיר אנרגיה חשמלית לתנועה לינארית. הוא כולל את בסיס הסולנואיד שבנוי מסליל, אשר לתוכו נכנסת בוכנת ברזל, הנקראת פלאנג'ר (Plunger).סולנואיד יכול ליצור תנועות מכניות מהירות ומדויקות בהתאם למתח חשמלי שמוזן לסליל.

 

יישומים נפוצים:

שליטה בברזים חשמליים: סולנואידים נמצאים בשימוש נרחב בשליטה על זרימת נוזלים דרך ברזים בתהליכים תעשייתיים. הם חיוניים במערכות הידראוליקה ובקרה של זרימת גזים ונוזלים.

מנגנוני נעילה: מערכות רבות משתמשות בסולנואידים למנגנוני נעילה ושחרור. למשל בכספות, דלתות, גדרות ומערכות אבטחה. הסולנואידים מאפשרים שליטה על נעילה ופתיחה בצורה אמינה ופשוטה.

ייצור אוטומטי: סולנואידים הם חלק בלתי נפרד בתהליכי ייצור אוטומטיים בהם דרושים תנועות מדויקות ומהירות. הם נפוצים במערכות עם מסועים, מכונות מיון ומערכות נוספות. היתרון בשימוש בסולנואידים ביישומים אלו לעומת שימוש ברכיבים פניאומטיים הוא שאין צורך באספקת אוויר דחוס, אלא רק אספקת מתח חשמלי שלרוב כבר קיים במערכת.

ציוד רפואי: בתחום הרפואי, סולנואידים משמשים במכשירים רפואיים לשליטה בזרימת נוזלים, שליטה על רכיבים נעים, כגון הפעלת מערכות הנשמה, פתיחה וסגירה של מעבר לייזר ועוד.

אלקטרוניקה וסמיקונדקטור: בתעשיית הסימקונדקטור והאלקטרוניקה משתמשים בסולנואידים להחזקה וקיבוע של PCB, שליטה על תריס לייזר (SHUTTER) ובמקומות נוספים.

תעשיות אחרות: בתעשיות נוספות כמו בתעשיית הרכב, תעשייה צבאית ותעשיית הדפוס השימוש בסולנואידים נפוץ ככלל, בכל מקום שיש לבצע תנועה קצרה, חזקה ומהירה. 

סוגי סולנואידים

סולנואידים לינאריים: סולנואידים אלו יוצרים תנועה לינארית לאורך צירם. הם נמצאים בשימוש נרחב ביישומים בהם נדרשת פעולה של דחיפה או משיכה, כמו במנעולי דלתות ובאקטואטורים תעשייתיים.

סולנואידים סיבוביים: סולנואידים סיבוביים ממירים אנרגיה חשמלית לתנועה סיבובית. בסולנואידים סיבוביים רבים, הסיבוב הוא תנועה ליניארית בורגית קצרה. כלומר, זו תנועה ליניארית שמוסבת לתנועה סיבובית. קיימים סוגים של סולנואידים סיבוביים שפועלים גם בשיטות אחרות ואינם יוצרית תנועה ליניאלית כלל. סולנואידים סיבוביים אידיאליים ליישומים המשתמשים במיקום מדויק של רכיבים, כמו במערכות רובוטיות ומנגנוני מיון בין סוגי חלקים, או בין חלקים תקינים לתקולים.

סולנואידים עם נעילה: סולנואידים אלו שומרים על מיקומם ללא קלט חשמלי מתמשך. הם בשימוש ביישומים כמו מערכות נעילה ובעיצובים המשמשים לחסכון באנרגיה. ההחזקה של הסולנואיד במצבו בדרך כלל מתבצעת באמצעות מגנט קבוע שמחזיק את הפלאנג'ר בתוך הסולנואיד וכאשר מספקים מתח לסליל הסולנואיד, או שהוא מתקזז עם המגנט ומשחרר את הפלאנג'ר, או שהוא מחזק את הכוח של המגנט – תלוי בכיוון אספקת המתח.

הטכנולוגיה מאחורי הסולנואידים:

סליל הסולנואיד: 

סלילי סולנואיד מיוצרים בדרך כלל מחוט נחושת, מלופף סביב פתח כניסת הפלאנג'ר. מספר הכריכות ועובי החוט (AWG) משפיעים על ביצועי הסולנואיד ועל תכונות נוספות כגון זמן התגובה שלו, מתח הפעלה והספק. בדרך כלל לגודל מסויים של סולנואיד יש אפשרויות לסלילים שונים, כך שההספק בין האפשרויות השונות של הסלילים זהה. נוכל למשל לבחור בין סולנואיד בעל מספר כריכות קטן אך בעל סליל עבה או להיפך, בעל סליל דק ומספר רב של כריכות. כך, מתח ההפעלה יהיה אמנם גדול יותר, אך זרם ההפעלה נמוך יותר, כך שההספק של הסולנואיד נשאר זהה עבור שתי האפשרויות.

פלאנג'ר: 

החלק שנכנס לתוך הסולנואיד נקרא בעברית "טובלן", אך נהוג להשתמש בשם הלועזי שלו "פלאנג'ר". בחירת חומר הליבה של הפלאנג'ר משפיעה על היעילות והביצועים של סולנואיד. חומרים נפוצים כוללים ברזל, פלדה ומתכות אחרות פרומגנטיות (Ferrous Metals). לכל חומר חוזק אחר ותכונות מגנטיות שמשפיעות על הכוח והמהירות של הסולנואיד. תכנון הפלאנג'ר כולל את החלק החיצוני שלו, חלק הממשק, כדי לקבוע אם הוא יבצע פעולת משיכה (PULL), דחיפה ((PUSH, או שתי הפעולות יחד  (PUSH-PULL). חלקו הפנימי של הפלאנג׳ר נכנס לתוך גוף הסולנואיד ומתכונן כך שיתאים בצורה המיטבית לצורך המעשי. למשל, הוא יכול להיות שטוח, שיתאים לתנועה קצרה וחזקה, או בצורת קונוס, שיתאים למהלך ארוך יותר.

שיקולים מרכזיים בבחירת סולנואיד:

פורמט ותצורה של הסולנואיד:

נבחר את פעולת הסולנואיד בהתאם לצורך שלנו ביישום:

• האם נדרש סולנואיד סיבובי או ליניארי?
• מה אורך המהלך שדרוש?
• האם הוא מושך או דוחף?

איור 2 - סולנואיד טובולרי מסוג PUSH ומסוג PULL, תוצרת SHINDENGEN, יפן.

גודל הסולנואיד: 

גודלו של הסולנואיד קובע את אורך מהלך התנועה שלו ואת ההספק. למשל, סולנואיד גדול בעל הספק גבוה יתן כח רב בהשוואה לסולנואיד קטן בעל הספק קטן. כמובן, יש לקחת בחשבון את המגבלות ביישום מבחינת מקום פנוי, הספק חשמלי ומשקל.

בחירת מתח הפעלה: 

את מתח ההפעלה של הסולנואיד בוחרים לפי סוג הסליל שבתוכו, כפי שמוסבר לעיל בהסבר על הטכנולוגיה מאחורי סולנואידים. בדרך כלל, בדפי הנתונים של סולנואיד יש טבלה שמתארת את כל האופציות לסלילים: עובי, כמות ליפופים, התנגדות הסליל ומתח הפעלה מומלץ. לפי מתח ההפעלה שנשתמש בפועל וההתנגדות של הסליל בדף הנתונים ניתן לחשב לפי חוק אוהם את הזרם החשמלי וההספק שנקבל.

מחזור עבודה: 

סולנואיד שזורם דרכו זרם יוצר חום. אם הסולנואיד עובד באופן רציף לזמן ממושך, הוא יתחמם עד לרמה שלא תפגע בתפקודו ובתקינותו. אם יסופק לסולנואיד מתח גבוה יותר ממתח ההפעלה הרגיל שלו, הסולנואיד יצרוך יותר הספק, ייתן יותר כח, ובהתאם יתחמם וייצר לאורך זמן בלאי שיגרום לבסוף לתפקוד לקוי או לקלקולו. כאן נכנס שיקול של מחזור העבודה, Duty-Cycle. אם הסולנואיד אינו מופעל באופן רציף, אלא רק בחלק מהזמן, לסולנואיד יש זמן להתקרר ולכן הוא ישמור על תקינותו. ניתן לחשב את המתח שניתן לספק לסולנואיד בהתאם למחזור העבודה. בדרך כלל, יצרני סולנואידים מספקים את האינפורמציה על מתח הפעלה מקסימלי בכמה מחזורי עבודה נפוצים, למשל 100% (רציף), 50%, 25% ו- 10%. לדוגמה, מחזור הפעלה של 10% יכול להיות הפעלה של הסולנואיד למשך שנייה אחת ומנוחה של 9 שניות. במחזור עבודה של 10% כשנשתמש במתח ההפעלה המקסימלי המותר נקבל כוח רגעי גדול בהרבה לעומת מצב הפעלה רציף במתח נמוך יותר. בנוסף, היצרן מגדיל מהו הזמן המקסימלי שמותר להפעיל את הסולנואיד בכל מחזור עבודה.

איור 3 – טבלה המתארת את מתח ההפעלה המתאים לכל סוג סליל במחזורי עבודה שונים

באיור ניתן לראות שבסולנואיד המסויים הזה, אם נבחר למשל סליל של 30AWG, נוכל להפעיל באופן רציף את הסולנואיד ב- 21V ולקבל הספק של 10W. אם נפעיל אותו בזמן מחזור של 50%, נוכל להשתמש ב- 30V ולקבל הספק של 20W. כך גם ב- 10%, נוכל להשתמש ב- 66V ולקבל הספק של 100W.

הכח שהסולנואיד מפעיל:  

הכח האלקטרומגנטי שמושך את הפלאנג'ר לסולנואיד מתגבר ככל שהפלאנג'ר מתקדם בתנועה ומגיע למקסימום בסוף המהלך. זה קורה מכיוון שההשפעה של האלקטרומגנט (הסליל שזורם דרכו זרם) פועל על חלק גדול יותר של הפלאנג'ר, ככל שהפלאנג'ר נכנס לשדה האלקטרומגנטי.  ניתן לבחור את הסולנואיד בהתאם לכח הדרוש ביישום ובהתאם למהלך הנדרש.

איור 4 – גרף כוחות וגרף זמן המהלך של סולנואיד

באיור גרפים של כח הסולנואיד בארבעה מחזורי עבודה והספקים מתאימים, ביחס למיקום הפלאנג'ר בתוך המהלך. למשל, מסומן על הגרף באדום - אם משתמשים במחזור הפעלה של 50%, בהספק המקסימלי של 20W, בנקודה של 6mm לפני סוף המהלך, נקבל כח של כמעט 7N ובסוף המהלך יתקבל כח החזקה של כ- 25N. זמן התנועה הזו של 6mm יקח בערך 16 מילישניות (הגרף מימין). אין צורך להשתמש בכל המהלך שהסולנואיד מאפשר. ניתן לכוון את מיקום הפלאנג'ר בעזרת מקבע (STOPPER) וכך להגביל את התנועה שלו בהתאם לצורך.

איור 5 – סולנואיד עם קפיץ מחזיר, תוצרת SHINDENGEN, יפן.

אורך חיים:

לסולנואידים בלאי טבעי שמושפע בעיקר מכמות הפעמים שהוא מופעל. יצרני הסולנואידים מגדירים לכל סוג של סולנואיד מה כמות ההפעלות שהוא צפוי לבצע ללא תקלות, כאשר הוא מופעל בצורה נכונה. ביישומים שבהם הסולנואיד מופעל מעט פעמים כמו במחזור עבודה (duty-Cycle) של 100%, או שהוא מופעל פעמים ספורות בלבד, ניתן לבחור סולנואיד פשוט יותר וזול יותר מאשר ביישומים שהסולנואיד עובד פעמים רבות. למשל, אם ביישום מסויים סולנואיד שאורך החיים שלו הוא 100,000 הפעלות מותקן במכונה שעובדת 24 שעות ביממה ופועל כל שנייה – הוא יעבוד 100,000 שניות, כלומר אחרי יום וחצי הוא צפוי לסיים את פעולתו. ליישום כזה, אם ייבחר סולנואיד שאורך החיים שלו הוא 50 מליון הפעלות, הוא יוכל לפעול כך 578 ימים.

תנאי סביבה:

יש לקחת בחשבון גורמים סביבתיים, כמו טמפרטורה, לחות וחשיפה לחומרים בעייתיים ולבצע בחירה מתאימה או הגנה על הסולנואיד לפי הצורך.

סיכום:

סולנואידים תורמים באופן משמעותי ליעילות, דיוק ואמינות ביישומים מגוונים בתעשייה. ישנם סוגים שונים של סולנואידים המאפשרים למהנדסים לשלב אותם במערכות מגוונות ולמטב את הפונקציונליות של מערכות אוטומטיות. הבקרה והפעולה של סולנואידים היא פשוטה ודורשת אספקת מתח בלבד. אך על אף פשטותו היחסית של הסולנואיד בבחירת ההתקן הנכון דרושה הבנה של צרכי המערכת ושל מפרט הסולנואיד גם יחד כדי להביא לתוצאה יעילה ומדויקת.

 לפרטים נוספים - סולנואידים