Escuché que los solenoides lineales consumen mucha energía y tienden a sobrecalentarse, especialmente si la carrera es larga. ¿Puede un solenoide lineal ser tan eficiente en energía como un motor con una caja de cambios que convierte el movimiento rotatorio en movimiento alternativo?
Las partes de una bobina de solenoide que están lejos del émbolo en un momento dado disiparán energía, 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 en teoría podría ser bastante eficiente. Desafortunadamente, hacer eso requeriría tener muchos devanados 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 hiciera 100 rotaciones durante el curso del recorrido del actuador, eso 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.
El solenoide de trabajo convencional nunca será tan eficiente eléctricamente como un motor cuando cada uno se adapte idealmente para realizar la misma tarea de trabajo. La razón simple es que la propia masa del émbolo del solenoide debe acelerarse para impulsar una carga, pero luego se detiene abruptamente al final de su recorrido, desperdiciando así su energía cinética. Además, la bobina debe apagarse y su energía inductiva almacenada se desecha a través de un supresor de bobina o la chispa a través del interruptor. Estas dos pérdidas de energía pueden superar fácilmente el 30% de la energía eléctrica de entrada. Este ciclo continúa hasta que se completa la tarea. Por el contrario, un motor continúa girando conservando así su energía cinética y un controlador de estado sólido puede conservar energía inductiva durante la rotación,
En teoría 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 producción 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 está en espera, 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 un voltaje de fuerza contraelectromotriz mientras se mueve la armadura/rotor/barra, lo que reduce la caída de voltaje 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 motorreductor tiene una baja eficiencia cuando arranca o se detiene. Pero una vez que alcanza la velocidad, su eficiencia aumenta y, con una buena caja de cambios, necesita poca o ninguna potencia para mantener su posición.
Pero la eficiencia no lo es todo. Un motorreductor es mejor cuando algo se debe mover una larga distancia y/o durante un largo período de tiempo. Pero la posición absoluta es difícil de controlar y no le gusta estar estancada. 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.
La corriente de retención se puede reducir conectando una resistencia en serie con la bobina una vez que ha funcionado, o pulsándola con un voltaje más alto durante la carrera. La corriente de retención se puede reducir a cero usando un imán permanente para que la barra se "pegue" a la cara del polo cuando se opera (entonces debe aplicar corriente inversa para liberarla).
Durante la carrera, el solenoide genera un campo magnético cuya energía se convierte en salida mecánica, pero la resistencia de la bobina desperdicia energía. Para reducir este desperdicio, la relación entre la inductancia y la resistencia debe ser grande, pero esto requiere un pequeño espacio de aire, que es incompatible con una carrera larga. Sin embargo, si la barra y la cara del polo se hacen cónicas, el espacio de aire puede ser mucho más pequeño.
Es posible que una carga solo deba ser 'impulsada' por el solenoide, luego solo necesita ser pulsada por un corto tiempo, por lo que la eficiencia no es tan importante. Si la carga es 'pateada' justo al final de la carrera, casi toda la energía cinética acumulada en la barra se puede transferir a la carga, y la eficiencia podría ser bastante alta (quizás incluso más alta que un motorreductor en el mismo situación).
¿Puede un solenoide lineal ser tan eficiente como un motor de escobillas con una caja de cambios?
Sólo para una proporción muy de casos.
Un solenoide varía el entrehierro y la fuerza magnética a medida que se mueve.
Dependiendo de la excitación y el perfil de fuerza necesario y más, es normal necesitar ingresar más energía en gran parte del recorrido para lograr el perfil de fuerza o velocidad deseado.
Si la aplicación se puede ajustar a las características del solenoide, entonces PUEDE ser muy eficiente, por ejemplo, almacenando energía en un golpeador que acelera y luego aplica impulso a, por ejemplo, un pinball. No te "importa" demasiado la forma en que el delantero llega al balón si la velocidad es la correcta.
Un motor no es 100 % eficiente (con escobillas o sin escobillas) y una caja de cambios no es 100 % eficiente, pero en la mayoría de los casos es probable que pueda obtener una mejor coincidencia con lo que se desea que con un solenoide. En algunos casos, si el solenoide se adapta bien a la tarea, las eficiencias máximas del motor y la caja de cambios aún no pueden 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 cantidad brutalmente grande de energía en un dispositivo pequeño de bajo costo. Y no otros.
Es como comparar, digamos, la eficiencia del motor de gasolina y el mecanismo de la ventana. Los motores sin escobillas son eficientes cuando se mueven. Si tiene una aplicación en la que 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 cero, porque no se realiza ningún trabajo (F*dx = 0), toda la energía se desperdicia .
Además, los solenoides son accionados por controladores sencillos y económicos. 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 usará un controlador PWM de dos niveles, y eso es todo. Por lo tanto, usará más corriente de la necesaria solo para mantener el solenoide en su lugar, lo que lo calentará.
Pero si por alguna razón desea hacer que el solenoide sea muy eficiente, simplemente encuentre la aplicación adecuada, use todos los elementos de conducción de motores que pueda encontrar, y estará realmente bien.