قفل كهرومغناطيسي

القفل الكهرومغناطيسي أو القفل المغناطيسي أو القفل المغناطيسي هو جهاز قفل يتكون من مغناطيس كهربائي ولوحة محرك.

يعتمد مبدأ عمل القفل الكهرومغناطيسي على استخدام الكهرومغناطيسية لقفل الباب عند تنشيطه. يجب أن تكون قوة التثبيت موازية للحمل، وأن يكون القفل ولوحة المحرك متقابلين وجهاً لوجه لتحقيق الأداء الأمثل.

يعتمد القفل المغناطيسي على بعض المفاهيم الأساسية للكهرومغناطيسية . فهو يتكون أساسًا من مغناطيس كهربائي يجذب موصلًا بقوة كافية لمنع فتح الباب. عند التدقيق، نجد أن الجهاز يستغل حقيقة أن مرور تيار كهربائي عبر حلقة أو أكثر من الأسلاك (المعروفة بالملف اللولبي ) يُنتج مجالًا مغناطيسيًا. يعمل هذا في الفضاء الحر ، ولكن إذا لُفّ الملف اللولبي حول قلب مغناطيسي حديدي، مثل الحديد المطاوع، فإن تأثير المجال يتضاعف بشكل كبير. ويعود ذلك إلى أن المجالات المغناطيسية الداخلية للمادة تتراصف مع بعضها البعض، مما يزيد كثافة التدفق المغناطيسي بشكل ملحوظ.

باستخدام قانون أمبير الدائري ، يمكن إثبات أن كثافة التدفق المغناطيسي${\displaystyle B}$مستحث بواسطة ملف لولبي ذي طول فعال${\displaystyle L}$مع التيار${\displaystyle I}$خلال${\displaystyle N}$يتم تحديد عدد الحلقات من خلال المعادلة التالية:

$${\displaystyle B={\frac {\mu _{0}\mu _{r}IN}{L}}}$$

القوة${\displaystyle F}$بين المغناطيس الكهربائي ولوحة المحرك ذات مساحة السطح${\displaystyle S}$يتم تحديد مقدار التعرض للمغناطيس الكهربائي من خلال المعادلة التالية:

$${\displaystyle F={\frac {B^{2}S}{2\mu _{0}}}}$$

في كلتا المعادلتين،${\displaystyle \mu _{0}}$يمثل نفاذية الفضاء الحر و${\displaystyle \mu _{r}}$النفاذية النسبية لللب.

على الرغم من أن الأداء الفعلي للقفل المغناطيسي قد يختلف اختلافًا كبيرًا بسبب الخسائر المختلفة (مثل تسرب التدفق المغناطيسي بين المغناطيس الكهربائي والموصل)، فإن المعادلات تُعطي فكرة جيدة عما هو ضروري لإنتاج قفل مغناطيسي قوي. على سبيل المثال، تتناسب قوة القفل طرديًا مع مربع النفاذية النسبية للنواة المغناطيسية. ونظرًا لأن النفاذية النسبية للمادة يمكن أن تتراوح من حوالي 250 للكوبالت إلى حوالي 5000 للحديد المطاوع و7000 للسيليكون والحديد ، فإن اختيار النواة المغناطيسية يمكن أن يكون له تأثير كبير على قوة القفل المغناطيسي. كما أن اختيار التيار وعدد اللفات والطول الفعال للمغناطيس الكهربائي أمرٌ ذو صلة أيضًا. ^{[ 1 ]}

تتميز الأقفال المغناطيسية بعدة مزايا مقارنةً بالأقفال التقليدية والأقفال الكهربائية. فعلى سبيل المثال، تجعلها متانتها وسرعة تشغيلها ذات قيمة عالية في بيئات المكاتب ذات الحركة الكثيفة حيث يكون التحقق الإلكتروني ضروريًا.

القفل المغناطيسي مناسب للأبواب التي تُفتح للداخل والخارج. تُستخدم دعامات (دعامة على شكل حرف L، دعامة LZ، دعامة على شكل حرف U) لتوجيه المحرك الكهربائي بما يتناسب مع كلا النوعين من الأبواب. كما تُستخدم ألواح حشو لتوفير مساحة تثبيت كبيرة ومسطحة على إطار الباب عندما يكون حجم المغناطيس الكهربائي أكبر من مساحة التثبيت المتاحة على إطار الباب بسبب تصميم الإطار.

يجب تركيب القفل المغناطيسي دائمًا على الجانب الآمن من الباب. تُركّب معظم الأقفال على السطح. ولأسباب تتعلق بالسلامة، يجب تمرير القفل المغناطيسي والكابلات والأسلاك عبر إطار الباب أو تركيبها بشكل مُدمج مع غطاء سلكي.

التركيب سهل ومباشر. في التطبيقات التي تُفتح للداخل، يُركّب المغناطيس الكهربائي عادةً في زاوية فتحة الباب عند عتبته. كما يمكن تركيب الأقفال المغناطيسية عموديًا في فتحة الباب عند تزويدها بغلاف كامل الطول. في هذه الحالة، يُثبّت الجزء المتحرك من خلال الباب بواسطة براغي، ويُوجّه بحيث يتلامس مع سطح المغناطيس الكهربائي. يجب أن تتلامس صفيحة الجزء المتحرك مع المغناطيس الكهربائي لتوفير قوة تثبيت القفل.

في التطبيقات التي تُفتح للخارج، يُركّب المغناطيس الكهربائي عادةً على جانب عتبة الباب. في هذا التكوين، يُثبّت الجزء المتحرك على دعامة على شكل حرف Z تُوجّه الجزء المتحرك ليتوافق مع المغناطيس الكهربائي.

تُعدّ الأقفال المغناطيسية جزءًا أساسيًا من أنظمة الأمان الإلكترونية المتكاملة . قد يقتصر هذا النظام على قارئ بطاقات مفاتيح مُلحق ، أو قد يكون أكثر تعقيدًا، إذ يتضمن اتصالًا بجهاز كمبيوتر مركزي يُراقب أمن المبنى. ومهما كان نظام القفل المُختار، فإنّ السلامة من الحرائق تُشكّل اعتبارًا بالغ الأهمية. ^{[ 2 ]}

طُوّرت أنواعٌ أخرى من الأقفال الكهرومغناطيسية، مع تحسيناتٍ ملحوظة. أبرزها قفل القص، حيث لا يسحب المحركُ البابَ مباشرةً، بل يكون الحملُ قصّيًا، كحاجزٍ ميكانيكي. يسمح قفل القص المغناطيسي للباب بالتأرجح في كلا الاتجاهين، على عكس النوع الأصلي (والمنتشر الآن) ذي السحب المباشر، الذي يعمل عادةً إما للداخل أو للخارج. ولتوفير قوة التثبيت المناسبة لقفل القص المغناطيسي، يُثبّت مسماران المحركَ على المغناطيس نفسه، ويضمنان تثبيت المغناطيس في مكانه.

حصل آرثر وريتشارد وديفيد جيرينجر، من شركة "سكيورتي دور كونترولز" المتخصصة في تصنيع أجهزة التحكم بالدخول، على براءة اختراع لقفل كهرومغناطيسي مُحسَّن يعمل بتقنية القص في 2 مايو 1989. وكان الجهاز الموصوف في تصميماتهم مطابقًا من حيث المبدأ للقفل المغناطيسي الحديث، ويتكون من مغناطيس كهربائي ولوحة محرك. ولم تتطرق براءة الاختراع إلى طرق تصنيع المغناطيس الكهربائي، بل فصّلت عدة اختلافات في التصميم، بما في ذلك تصميم يستخدم لوحة محرك زنبركية لتقريبها من المغناطيس الكهربائي. وانتهت صلاحية براءة الاختراع في 2 مايو 2009. ^{[ 3 ]}

يتكون القفل المغناطيسي من صفيحة معدنية محاطة بملف سلكي قابل للمغنطة. ويحدد عدد الملفات قوة التثبيت التي تميز القفل.

• الحجم الصغير: قوة تثبيت 275 رطل (1220 نيوتن ) .  
• الحجم الصغير: قوة تثبيت 650 رطل (2900 نيوتن)  
• الحجم المتوسط: قوة تثبيت 800 رطل (3600 نيوتن)  
• الحجم القياسي: قوة تثبيت 1200 رطل (5300 نيوتن) .  
• قوة تثبيت القص: 2000 رطل (8900 نيوتن)  

يُستخدم القفل الكهرومغناطيسي ذو الحجم القياسي كقفل للبوابة.

يستهلك قفل المغناطيس الكهربائي تيارًا مستمرًا (DC) بقدرة تتراوح بين 5 و6  واط . ^{[ 4 ]} يبلغ التيار حوالي 0.5  أمبير عند استخدام جهد 12  فولت تيار مستمر، و0.25  أمبير عند استخدام 24  فولت تيار مستمر (يختلف ذلك باختلاف الشركات المصنعة وعدد الملفات في القفل). يُنصح أيضًا بالتأكد من وجود علامة UL على القفل المغناطيسي. عادةً، يعمل قفل المغناطيس الكهربائي بجهد مزدوج 12/24  فولت تيار مستمر. في حال استخدام مقوم لتحويل التيار المتردد، يُفضل استخدام مقوم جسري كامل الموجة .

يمكن أن تكون أجهزة القفل الكهربائية إما "آمنة عند انقطاع التيار" أو "آمنة عند انقطاع التيار". يبقى القفل الآمن عند انقطاع التيار مغلقًا حتى عند انقطاع التيار الكهربائي. أما القفل الآمن عند انقطاع التيار، فيُفتح عند انقطاع التيار. وتُعتبر الأقفال الكهرومغناطيسية ذات السحب المباشر آمنة عند انقطاع التيار بطبيعتها. عادةً ما يُثبّت الجزء الكهرومغناطيسي من القفل على إطار الباب، بينما تُثبّت لوحة المحرك المتوافقة على الباب. يكون المكونان متلامسين عند إغلاق الباب. عند تنشيط المغناطيس الكهربائي، يُولّد التيار المار فيه تدفقًا مغناطيسيًا يجذب لوحة المحرك إليه، مما يؤدي إلى إغلاق الباب. ولأن مساحة التلامس بين المغناطيس الكهربائي ولوحة المحرك كبيرة نسبيًا، فإن القوة الناتجة عن التدفق المغناطيسي كافية لإبقاء الباب مغلقًا حتى تحت الضغط.

تُقدم الأقفال الكهرومغناطيسية النموذجية للأبواب المفردة بقدرتين ديناميكيتين للتثبيت: 2700 نيوتن (600 رطل) و 5300 نيوتن (1200 رطل) . يتطلب القفل المغناطيسي "الآمن عند انقطاع التيار" طاقةً كهربائيةً ليظل مغلقًا، وعادةً ما يكون غير مناسب للتطبيقات الأمنية عالية المستوى، إذ يُمكن تعطيله بفصل التيار الكهربائي. مع ذلك، يُمكن تطبيق بعض التطبيقات الأمنية المتخصصة عالية المستوى بإضافة مستشعر ربط مغناطيسي إلى القفل واستخدام مصدر طاقة مزود ببطارية احتياطية. تُعد الأقفال الكهرومغناطيسية مناسبةً تمامًا للاستخدام على أبواب مخارج الطوارئ المزودة بأنظمة السلامة من الحرائق، لأنها لا تحتوي على أجزاء متحركة، وبالتالي فهي أقل عرضةً للأعطال من أنواع الأقفال الكهربائية الأخرى، مثل الأقفال الكهربائية .    

تُضاهي قوة الأقفال المغناطيسية الحديثة قوة الأقفال التقليدية، كما أن تكلفة تشغيلها أقل من تكلفة تشغيل المصابيح الكهربائية التقليدية . يحتوي نظام القفل الكهرومغناطيسي النموذجي على قطع إضافية لتحرير القفل. ولأن هذه الأقفال لا تتفاعل مع مقابض الأبواب، يُركّب عادةً زر تحرير منفصل بالقرب من الباب لفصل التيار الكهربائي عنه. يحتوي هذا الزر عادةً على مؤقت، وعند الضغط عليه، يبقى القفل مفتوحًا لمدة 15 أو 30 ثانية وفقًا لمعايير الحماية من الحرائق الصادرة عن الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) . كما تتطلب معايير الحماية من الحرائق وجود آلية تحرير ثانية. ^{[ 5 ]} يُستخدم إما مستشعر حركة أو قضيب أمان مزود بمفتاح داخلي لفتح الباب تلقائيًا من جهة الخروج.

صُمم أول قفل كهرومغناطيسي حديث يعمل بنظام السحب المباشر على يد سومنر "إيرفينغ" سافيرستين عام 1969 ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ، وذلك لتركيبه مبدئيًا على أبواب منتدى مونتريال . ^{[ 9 ]} دفعت مخاوف السلطات المحلية بشأن سلامة الأبواب في المنتدى الإدارة إلى البحث عن حل قفل آمن في حال نشوب حريق. اقترح سافيرستين في البداية استخدام مجموعة خطية من مثبتات الأبواب كقفل كهرومغناطيسي. كانت هذه المثبتات تُستخدم تقليديًا لإبقاء الأبواب مفتوحة، لكن سافيرستين اعتقد أنه في هذا التطبيق، يمكن تجميعها وتكييفها لتعمل كقفل احتياطي. بعد نجاح النموذج الأولي وتركيبه في المنتدى، واصل سافيرستين تطوير وتحسين التصميم، وأسس شركة لوكنيتكس لتطوير الملحقات ودوائر التحكم للأقفال الكهرومغناطيسية.

في ظل ظروف تجارية صعبة، بيعت شركة لوكنيتكس لاحقًا لشركة آيفز لأدوات الأبواب، ثم أعيد بيعها لشركة هارو. وبعد ذلك بسنوات، بيع هذا القسم مرة أخرى لشركة إنجرسول راند لتقنيات الأمن عام ١٩٩٩. ^{[ ١٠ ]} أُغلق القسم مؤخرًا عام ٢٠٠٧ ^{[ ١١ ]} ونُقل إلى أقسام أخرى داخل شركة إنجرسول راند للأمن. واتجه الموظفون الذين عملوا في لوكنيتكس إلى تأسيس شركات أخرى متخصصة في الأقفال الكهرومغناطيسية، بما في ذلك شركة داينالوك.

واصل سافيرستين تطوير تقنيات القفل الكهرومغناطيسي في شركات أخرى أسسها، منها دورترونيكس (التي استحوذت عليها لاحقًا شركة ساغ هاربور إندستريز ^{[ 12 ]} )، ودلتا كونترولز (التي استحوذت عليها أولًا شركة لوري لوك، ثم استحوذت عليها لاحقًا شركة هانشيت إنتري سيستمز)، وديلت-ريكس دور كونترولز، وجميعها كانت في ولاية كونيتيكت. كما غادر مهندسون آخرون هذه الشركات لتأسيس شركات تصنيع خاصة بهم في مجال الأقفال الإلكترونية، منها شركة هاي باور سيكيوريتي برودكتس ذ.م.م. في ميريدن، كونيتيكت. وتم لاحقًا تأسيس العديد من الشركات الأخرى في الولايات المتحدة وكندا وعبر آسيا لتقديم منتجات إضافية للقفل الكهرومغناطيسي ذي السحب المباشر.