Magnetische vergrendelmechanismen zijn onder te verdelen in drie categorieën. Deze onderscheiden zich door de manier waarop de mechanismen worden bediend, de hoeveelheid energie die hiervoor nodig is en de ontgrendelkracht die door het veermechanisme kan worden gegenereerd. In de komende weken zullen de drie categorieën worden besproken. Deze week de eerste categorie:
Permanentmagneet/ elektromagnetische lineaire actuator
De permanentmagneet of elektromagnetische lineaire actuator is ook wel bekend als magnetische vergrendel solenoïde of MLS (magnetic latching solenoid). Het ontwerp van een MLS is zodanig dat de spoel van de solenoïde slechts een korte stroompuls nodig heeft om de kracht van het terugveersysteem (in figuur 1 is dit een veer) kan overwinnen. Deze energiepuls beweegt de solenoïde behuizing van de ‘niet-ingeschakelde’ naar de ‘ingeschakelde’ positie (in figuur 1 is de solenoïde ingeschakeld).
Figuur 1: Magnetische vergrendel solenoïde afgebeeld in ‘ingeschakelde’ toestand.
Eenmaal aangekomen in de ingeschakelde positie, zal de permanent magneet in de MLS de armatuur vasthouden waarmee hij voorkomt dat hij terugveert naar de niet-ingeschakelde positie.
Wanneer dit nodig of gewenst is, kan de armatuur worden ontgrendeld naar de ‘niet-ingeschakelde’ positie door eveneens een kleine puls elektrische energie door de spoel van de solenoïde te sturen met een tegenstelde polariteit ten opzichte van de permanent magneet. De puls van deze omgekeerde magnetische energie is voldoende om de houdkracht van de permanent magneet op de armatuur grotendeels op te heffen, zodat het terugkeer mechanisme (de veer) in staat is om de armatuur eenvoudig in zijn originele stand te brengen.
De fysieke afmetingen (de afmetingen van de spoel, de permanent magneet en de solenoïde behuizing) van een MLS zijn volledig afhankelijk van de gewenste ontgrendelkracht. Hoe groter deze kracht, hoe groter alle andere componenten moeten zijn om dit te realiseren. Dit geldt ook voor de hoeveelheid elektrische energie die aan de spoel moet worden toegevoerd om hem in en uit te schakelen.
Typische MLS toepassingen
- medische kasten, kastvergrendeling
- elektrische stroomonderbrekers
- vergrendelmechanismes voor zonnecentrales
- vergrendeling van opladers voor elektrische voertuigen
- deursloten
Voordelen van MLS technologie
Eén van de belangrijkste voordelen van de MLS technologie is energiebesparing. Een MLS kan immers continu in de ‘niet-ingeschakelde’ of juist ‘geschakelde’ positie staan zonder dat hiervoor energie nodig is. Er is uitsluitend energie nodig voor het daadwerkelijk schakelen. Dit type energiebesparing is vooral van waarde in applicaties op batterijen of andere situaties waar een minimaal energieverbruik van belang is.
Magnetische vergrendelmechanismen zijn onder te verdelen in drie categorieën. Deze onderscheiden zich door de manier waarop de mechanismen worden bediend, de hoeveelheid energie die hiervoor nodig is en de ontgrendelkracht die door het veermechanisme kan worden gegenereerd. In de komende weken zullen de drie categorieën worden besproken. Deze week deel 2:
Magnetisch vergrendelmechanisme
Een magnetisch vergrendelmechanisme of MLM (Magnetic Latching Mechanism) kan over extreem grote contraveerkrachten beschikken in een veel kleinere behuizing dan bij een MLS mogelijk is.
Magnetische vergrendelmechanismes gebruiken de opgeslagen energie van de contraveer om een hoge impact en lineaire beweging te realiseren. Dit is mogelijk door slechts een zeer kleine elektrische energiepuls toe te voeren waarmee de werking van de contraveer in gang wordt gezet.
Figuur 1: Magnetisch vergrendel mechanisme (MLM) in de gespannen positie
In tegenstelling tot een MLS, die de behuizing volledig zelfstandig in de positie kan brengen, vereisen de hoge impactkracht in combinatie met de compacte afmetingen van de MLM dat de behuizing handmatig in de zogenaamde ‘gespannen’ toestand wordt gebracht. In deze toestand zal de contraveer volledig zijn ingedrukt waarbij de permanent magneet de behuizing in deze stand vasthoudt; hierbij blijft de energie in de gespannen veer behouden tot hij nodig is.
Hoewel de MLM spoel veel te klein is om de behuizing zelfstandig in de gespannen positie te brengen, is er toch maar een kleine hoeveelheid energie nodig om deze weer te ontspannen. Dit komt omdat de kleine elektrische puls een magnetisch veld genereert in de relatief kleine spoel van de MLM die voldoende groot is om de houdkracht van de permanent magneet op te heffen. Wanneer dit gebeurt, wordt het veerbekrachtigde element in werking gezet.
Wanneer de MLM eenmaal handmatig is gespannen, kan hij eeuwig in deze stand blijven tot er een toestand wordt bereikt waarin het ontgrendelmechanisme in werking moet treden.
De bron van de kleine elektrische puls die nodig is om de houdkracht van de permanentmagneet te onderbreken, kan een batterij zijn of zelfs een capacitief ontladingscircuit.
Typische MLM applicaties
- Brandbeschermingssysteem actuators
- Stroomonderbreking vergrendelmechanismen
Belangrijkste voordelen van MLM
- Extreem hoge contraveerkrachten, die in staat zijn hoge impactkrachten te genereren
- Compacte afmetingen (in vergelijking met een MLS)
- Extreem lage eisen met betrekking tot de bedrijfsstroom
Magnetische vergrendelmechanismen zijn onder te verdelen in drie categorieën. Deze onderscheiden zich door de manier waarop de mechanismen worden bediend, de hoeveelheid energie die hiervoor nodig is en de ontgrendelkracht die door het veermechanisme kan worden gegenereerd. In de komende weken zullen de drie categorieën worden besproken. Deze week bespreken we de derde categorie:
Permanentmagneten / elektromagneten
A. Conventionele elektromagneten (EM)
Theoretische werking
Conventionele elektromagneten (EM) zijn eenvoudige instrumenten die bestaan uit een gewikkelde spoel (weergegeven in figuur 1 door de spoel en magneetdraad), een magnetische structuur (weergegeven in figuur 1 als het stalen lichaam) en een anker.
Wanneer er een stroom door de spoel loopt, zal een magnetisch veld worden gegenereerd dat het anker naar het lichaam trekt waarmee de term elektromagneet is verklaard. In veel applicaties is het anker vervangen door een mechanisch systeem waarin de elektromagneet wordt gemonteerd.
Figuur 1: Conventionele elektromagneet met anker
De sterkte van de magnetische kracht die wordt gegenereerd door de EM spoel is afhankelijk van verschillende factoren:
- De grootte en de magnetische eigenschappen van het lichaam.
- De grootte en het wikkelontwerp van de spoel.
- De hoeveelheid en de duur van de elektrische energie die door de spoel stroomt.
- De mechanische en magnetische eigenschappen van het anker en/of de structuur van het mechanisme dat door de EM wordt aangetrokken.
- De afstand tussen het aangetrokken lichaam en het oppervlak van de EM en
- De vlakheid en oppervlaktegesteldheid van zowel de voorkant van het EM lichaam als het voorwerp dat wordt aangetrokken.
Elektromagneten zijn het meest effectief wanneer ze worden ingezet om een object dicht tegen het oppervlak van het magneetlichaam te houden.
Omdat de kracht van een magneetveld kwadratisch afneemt met de afstand, is een elektromagneet erg ineffectief wanneer wordt getracht een object aan te trekken dat zich op (zelfs maar een kleine) afstand van het EM lichaam bevindt.
B. Permanentmagneet / elektromagneten (PM/EM)
Theoretische werking
Een permanentmagneet/elektromagneet (PM/EM) heeft eenzelfde opbouw als de conventionele elektromagneet (EM) maar verschilt hiervan door het feit dat een deel van het stalen lichaam is vervangen door een zogenaamde staalkern die aan het einde is voorzien van een permanentmagneet (zie figuur 2).
Figuur 2: Permanentmagneet / Elektromagneet (PM/EM) met anker
Door een extra permanentmagneet toe te voegen, is deze component in staat om het aan te trekken object ook vast te houden wanneer er géén energie door de spoel stroomt.
Zoals bij alle permanentmagneet/elektromagnetische componenten kan het aangetrokken object weer worden losgelaten door een kleine hoeveelheid elektrische energie door de PM/EM spoel te laten stromen. Hiervan moet de polariteit omgekeerd zijn ten opzichte van de polariteit van de permanentmagneet. Deze energiepuls verzwakt de magnetische houdkracht van de permanentmagneet waardoor deze het aangetrokken object zich van het lichaam van de PM/EM zal loslaten.
PM/EM componenten worden toegepast in applicaties die een combinatie vereisen van een continue houdkracht zonder de noodzaak continue elektrische energie toe te voeren. Vanuit dit oogpunt bespaart een PM/EM niet alleen energie maar is ook te gebruiken als een ‘failsafe’ component.
Voorbeeld: wanneer een PM/EM wordt gebruikt in een medisch beeldvormingssysteem, kan het daar de volgende taken vervullen:
a. het vergrendelen van hetgeen in beeld moet worden gebracht (bijvoorbeeld de patiënt in bed) gedurende de procedure
b. het vergrendelen van het beeldvormingsapparaat (bijvoorbeeld de kop van een röntgenapparaat) gedurende de procedure.
In beide gevallen houdt de PM/EM het relevante onderwerp (patiënt in bed / de kop van het röntgenapparaat) veilig in positie. Wanneer er een stroomonderbreking aan de orde is, zijn zowel de patiënt als de bediener van de apparatuur beschermd tegen onverwachte bewegingen.
