соленойд. Как устроены и работают соленоиды и соленоидные клапаны. Как устроены и работают соленоиды и соленоидные клапаны, где они применяются Что такое соленоид
![]()
|
Как устроены и работают соленоиды и соленоидные клапаны, где они применяются Что такое соленоид Соленоидом называется цилиндрическая обмотка, длина которой значительно превышает ее диаметр. Само слово соленоид образовано сочетанием двух слов — solen и eidos, первое из которых переводится как труба, второе — подобный. То есть соленоид — это катушка, по форме напоминающая трубу. Катушка состоит из проводника, намотанного на изолирующий опорный каркас (обмотки). По размерам и форме можно различают: обычную катушку, соленоид — очень длинную катушку, тороид — катушку, намотанную в кольцо. ![]() Соленоиды, в широком смысле, — это катушки индуктивности, наматываемые проводником на цилиндрический каркас, которые могут быть как однослойными, так и многослойными. Поскольку длина намотки соленоида сильно превышает его диаметр, то при подаче постоянного тока через такую обмотку, внутри нее, во внутренней полости, формируется почти однородное магнитное поле (смотрите - Магнитное поле катушки с током). Потокосцепление проводника с собственным магнитным полем будет больше, если он образует замкнутый контур, пронизываемый этим магнитным полем. Еще больше будет величина потокосцепления многовиткового контура – катушки индуктивности. Соленоид — однослойная катушка индуктивности с плотно, виток к витку, намотанным изолированным проводом. Катушки, называемые соленоидами, имеют огромное количество практических применений. Поле можно значительно усилить, добавив железный (ферромагнитный) сердечник. Такие сердечники типичны для электромагнитов. Соленоид - это простейшая форма электромагнита. Этот термин был впервые использован французским физиком Андре-Мари Амбером в 1823 году для описания спиральной катушки. Катушка, образующая соленоид, необязательно имеет прямую ось. Например, электромагнит Уильяма Стерджена 1824 года состоял из трубки, согнутой в форме подковы. ![]() Зачастую соленоидами называют некоторые исполнительные механизмы, электромеханического принципа работы, как например соленоидный клапан автоматической коробки передач автомобиля или втягивающее реле стартера. Как правило, в качестве втягиваемой части выступает ферромагнитный сердечник, а сам соленоид оснащен снаружи магнитопроводом, так называемым ферромагнитным ярмом. Итак, соленоид представляет собой разомкнутую магнитную цепь - цилиндрическую катушку с равной плотностью витков одинаковой круглой формы по всей ее длине - создающую магнитное поле с силовыми воздействиями при прохождении тока. Соленоиды невероятно универсальны и чрезвычайно полезны. Их можно найти во всем: от автоматизированного заводского оборудования до пейнтбольных ружей и даже дверных звонков. В промышленности, например, используется электромагнитный клапан - управляющий привод для двухпозиционного электрического регулирования (ток включен - положение А, ток выключен - положение В). Соленоид также является основным принципиальным элементом электромагнитного реле. Промышленно используемые соленоиды имеют сердечник из ферромагнитного материала и обмотку возбуждения. Как работает соленоид Если в конструкции соленоида магнитный материал отсутствует, то при протекании по проводнику постоянного тока, вдоль оси катушки формируется магнитное поле, индукция которого численно равна: ![]() Где, N – число витков в соленоиде, l – длина намотки соленоида, I – ток в соленоиде. На краях соленоида магнитная индукция вдвое меньше, чем внутри него, поскольку обе половины соленоида в месте их объединения привносят равный вклад в магнитное поле, создаваемое током соленоида. Это можно сказать о полубесконечном соленоиде или о достаточно длинной, по отношению к диаметру каркаса, катушке. Магнитная индукция по краям будет равна: ![]() Поскольку соленоид — это в первую очередь катушка индуктивности, то как и любая катушка, обладающая индуктивностью, соленоид способен запасать в магнитном поле энергию, численно равную работе, которую совершает источник для создания в обмотке тока, порождающего магнитное поле соленоида: ![]() Изменение тока в обмотке приведет к возникновению ЭДС самоиндукции, и напряжение на краях провода обмотки соленоида будет равно: ![]() Индуктивность соленоида будет равна: ![]() Где, V – объем соленоида, z – длина провода в обмотке соленоида, n – число витков в единице длины соленоида, l – длина соленоида. При пропускании через провод соленоида переменного тока, магнитное поле соленоида так же будет переменным. Сопротивление соленоида переменному току имеет комплексный характер, и включает в себя как активную, так и реактивную составляющие, определяемые индуктивностью и активным сопротивлением провода обмотки. Все соленоиды делят на три основных типа: соленоиды, изготовленные из обычных проводников и работающие в стационарном режиме; импульсные соленоиды; сверхпроводящие соленоиды. Выбор той или иной геометрии обмотки соленоида может диктоваться разными причинами — его назначением, необходимостью уменьшить механические напряжения, которые в нем возникают, желанием создать наиболее экономичную конструкцию и т. д. В зависимости от назначения соленоида к магнитному полю в его рабочем объеме предъявляются различные требования. В одних случаях существенна только максимальная напряженность магнитного поля в центре соленоида, в других — его однородность, в третьих — и то и другое, и т. д. Практическое использование соленоидов Соленоиды применяются во многих отраслях промышленности и во многих областях гражданской сферы деятельности. Часто поступательные электроприводы — это как раз пример работы соленоидов на постоянном токе. Ножницы отрезания чеков в кассовых аппаратах, клапаны двигателей, тяговое реле стартера, клапаны гидравлических систем и т. д. На переменном токе соленоиды работают в качестве индукторов тигельных печей. Обмотки соленоидов, как правило, изготавливают из медного, реже — из алюминиевого провода. В высокотехнологичных отраслях применяют обмотки из сверхпроводников (смотрите — Применение сверхпроводимости в науке и технике). Сердечники соленоидов могут быть железными, чугунными, ферритовыми или из иных сплавов, часто в форме пакета листов, а могут и вовсе отсутствовать. В зависимости от назначения электрической машины, сердечник делается из того или иного материала. Устройства типа подъемных электромагнитов, сортирующие семена, очистители угля и т. д. Далее рассмотрим несколько примеров применения соленоидов. Устройство электромагнитных клапанов Электромагнитные клапаны состоят из двух основных частей – корпуса клапана и соленоида (катушки). Роль катушки заключается в создании магнитного поля с помощью проходящего электрического тока, который затем перемещает поршень и либо открывает, либо закрывает клапан. Таким образом, электромагнитные клапаны используют электрический ток для преобразования в линейное движение. Электромагнитные клапаны можно найти в обычном двухходовом варианте или даже в более сложных трехходовых и многоходовых конструкциях, используемых для переключения и смешивания потоков. Чаще всего корпуса клапанов изготавливают из латуни, нержавеющей стали, алюминия или даже пластика. Электромагнитный клапан состоит из корпуса клапана, на котором установлена катушка. Вход и выход снабжены соединениями, чтобы клапан можно было соединить с трубой. Внутри корпуса клапана находятся защитное кольцо, пружина, поршень и уплотнение (мембрана). ![]() Устройство электромагнитного клапана: 1) катушка 2) якорь 3) защитное кольцо 4) пружина 5) поршень 6) уплотнение 7) корпус клапана Двумя основными классами электромагнитных клапанов являются NO и NC - нормально открытые и нормально закрытые. При подаче электрического тока на катушку создается магнитное поле, сила которого зависит от тока, количества витков обмотки и материала подвижного сердечника, также известного как поршень. Магнитное поле перемещает этот поршень и тем самым закрывает или открывает клапан. Без тока клапан может быть как закрытым, так и открытым. Катушки электромагнитных клапанов питаются либо постоянным, либо переменным током. Катушки постоянного тока имеют больше витков, чем катушки переменного тока. Электромагнитный клапан трубопровода (соленоидный клапан) ![]() ![]() Пока напряжение на обмотку соленоида не подано, тарелка клапана плотно прижата к пилотному отверстию пружиной, и трубопровод перекрыт. При подаче тока в обмотку клапана, якорь и соединенная с ним тарелка клапана поднимаются, втягиваясь катушкой, противодействуя пружине, и открывая пилотное отверстие. Разность давлений с разных сторон от клапана приводит к движению жидкости в трубопроводе, и пока на катушку клапана подано напряжение, трубопровод не перекрыт. Когда питание с соленоида снято, пружину больше ничего не удерживает, и тарелка клапана устремляется вниз, перекрывая пилотное отверстие. Трубопровод вновь перекрыт. Примеры применения соленоидов в промышленности: Исполнительные механизмы в системах автоматизации литейных процессов Втягивающее реле стартера автомобиля ![]() ![]() Стартер является по сути мощным мотором постоянного тока с питанием от аккумулятора автомобиля. В момент пуска двигателя зубчатая шестерня стартера (бендикс) должна быстро сцепиться с маховиком коленвала на некоторое время, и одновременно включается мотор стартера. Соленоид здесь — обмотка втягивающего реле стартера. Втягивающее реле установлено на корпусе стартера, и при подаче питания к обмотке реле происходит втягивание железного сердечника, соединенного с механизмом, выдвигающим шестерню вперед. После пуска двигателя питание с обмотки реле снимается, и шестерня возвращается обратно благодаря пружине. Соленоидный замок ![]() В соленоидных электрозамках ригель приводится в движение усилием электромагнита. Такие замки применяются в системах контроля доступа и в шлюзовых дверных системах. Оборудованная таким замком дверь может быть открыта только в период действия управляющего сигнала. После снятия этого сигнала закрытая дверь останется запертой независимо от того, открывалась ли она. К преимуществам соленоидных замков можно отнести их конструкцию — она намного проще, чем у моторных замков, более износостойка. Как видим, здесь соленоид снова работает в паре с возвратной пружиной. Соленоидный индуктор сквозного нагрева ![]() При сквозном нагреве используют обычно соленоидные многовитковые индукторы. Обмотку индуктора изготавливают из медной трубки с водяным охлаждением или из медной шины. В установках средней частоты используют однослойные обмотки, а в установках промышленной частоты обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Это связано с возможным уменьшением электрических потерь в индукторе и с условиями согласования параметров нагрузки и с параметрами источника питания по напряжению и коэффициенту мощности. Для обеспечения жесткости катушки индуктора чаще всего применяют ее стяжку между торцовыми асбоцементными плитами. В современных установках индукционной закалки и нагрева соленоиды работают в режиме питания переменным током высокой частоты, поэтому ферромагнитный сердечник им, как правило, не нужен. Соленоидный двигатель ![]() В однокатушечных соленоидных двигателях включение и выключение рабочей катушки приводит к механическому движению кривошипно-шатунного механизма, причем возврат осуществляется опять же пружиной, подобно тому, как это происходит в электромагнитном клапане и в соленоидном замке. В многокатушечных соленоидных двигателях попеременное включение катушек осуществляется при помощи вентилей. К каждой катушке ток от источника питания подается в один из полупериодов синусоидального напряжения. Сердечник поочередно втягивается то одной, то другой катушкой, совершая возвратно-поступательное движение, приводя во вращение коленчатый вал или колесо. Соленоиды на экспериментальных установках ![]() Экспериментальные установки типа детектора ATLAS, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, используют мощные электромагниты, которые тоже включают в себя соленоиды. Эксперименты в физике элементарных частиц проводятся с целью обнаружения строительных блоков материи и изучения фундаментальных сил природы, на которых держится наша Вселенная. Катушки Тесла ![]() Наконец, ценители наследия Николы Тесла всегда используют соленоиды для построения катушек. Вторичная обмотка трансформатора Тесла — не что иное, как соленоид. И длина провода в катушке оказывается очень важной, ведь строители катушек используют здесь соленоиды не как электромагниты, а как волноводы, как резонаторы, в которых как в любом колебательном контуре есть не только индуктивность провода, но и емкость, формируемая в данном случае расположенными вплотную друг к другу витками. Кстати, тороид на вершине вторичной обмотке призван как раз скомпенсировать эту распределенную емкость. Надеемся, что наша статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, что такое соленоид, и как много сфер его применения есть в современном мире, ведь перечислили мы отнюдь не все из них |