Меню

Работа соленоида постоянного тока

Соленоиды: приведение в действие и полярность напряжения

В данном техническом обзоре будут рассмотрены некоторые основные подробности, связанные с работой и реализацией соленоидов.

Соленоиды не особенно экзотичны по своим возможностям, но они не так распространены, как два других члена семейства электромеханических устройств, а именно реле и двигатели. Поэтому, возможно, они не настолько понятны, как следовало бы, и разработчики могут быть склонны игнорировать их или избегать.

Большинство людей, которые работают с электроникой, вероятно, знают, что соленоид – это электромеханическое устройство, которое использует индуктивную обмотку для преобразования электрической энергии в линейное движение. Вы прикладываете напряжение, поршень движется. Но, как обычно, детали не так просты, как могли бы быть.

Примечание. Соленоиды также могут быть и вращательного типа, но в данной статье мы остановимся на линейных соленоидах. Кроме того, имейте в виду, что некоторые соленоиды могут приводиться в действие источником переменного напряжения, но в последующем обсуждении предполагается, что привод постоянного тока является более предпочтительным в низковольтных системах.

Принцип действия

Основополагающий принцип работы с соленоидом заключается в следующем: управляющий ток через обмотку заставляет плунжер (поршень) двигаться в направлении магнитного поля, то есть в область, покрытую обмоткой. Смена полярности приложенного напряжения не меняет направление движения, потому что типовой плунжер – это просто кусок металла (а не магнит), и поэтому он всегда притягивается (не отталкивается) от магнитного поля.

Если сила тяжести или что-то в вашей механической нагрузке не возвращает поршень в исходное положение, вам нужен соленоид с возвратной пружиной.

Втягивающий или толкающий?

Поскольку плунжер всегда движется к обмотке, разница между соленоидами втягивающего и толкающего типов должна основываться на оборудовании, прикрепленном к плунжеру, а не на направлении движения относительно основного корпуса соленоида:

Рисунок 1 Соленоиды втягивающего и толкающего типов Рисунок 1 – Соленоиды втягивающего и толкающего типов

Отпускание или возврат

Что же нам делать со следующей схемой, найденной в техническом описании Delta Electronics?

Рисунок 2 Схема из технического описания соленоида Рисунок 2 – Схема из технического описания соленоида

Вы можете быстро нее взглянуть и подумать, что соленоид можно вернуть в обесточенное положение, изменив полярность приложенного напряжения, но это нарушает принцип действия.

Обратите внимание, что выбранным термином является «отпускание», а не «возврат». Магнитное поле не исчезает сразу после снятия управляющего напряжения; ток в обмотке (по сути, в катушке индуктивности) должен затухать. Таким образом, вместо того, чтобы немедленно отпустить плунжер, соленоид удерживает его с постепенно уменьшающейся силой.

Delta Electronics говорит нам здесь о том, что мы можем добиться более быстрого отпускания путем изменения полярности напряжения – вы можете думать об этом обратном напряжении как о более сильном вытеснении затухающего в обмотке тока. (Помните, что вам нужно снять обратное напряжение после завершения затухания; в противном случае ток начнет течь в противоположном направлении, и вы снова включите соленоид.)

Суть этого заключается в следующем: если вы не используете смену полярности, у вас будет обычное «медленное» затухание. Медленное затухание может ограничить частоту приведения в действие, поскольку соленоид всё еще может удерживать плунжер, когда вы снова подаете на обмотку питание. Чтобы максимизировать скорость, с которой поршень может перемещаться назад и вперед, вы должны использовать изменение полярности напряжения, в результате чего происходит более «быстрое» затухание тока.

Об изменении полярности хорошо помнить при разработке схемы драйвера соленоида Вы можете легко включить эту функцию, подключив к соленоиду, вместо одного транзистора,H-мостовой драйвер.

Источник

Принцип работы соленоида

Линейный соленоид

Линейный соленоид — это электромагнитное устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическое толкающее или тянущее усилие или движение.

Соленоиды используются во многих устройствах для обеспечения линейного или вращательного приведения в действие механических систем.

Хотя управление соленоидом может быть таким же простым, как включение и выключение нагрузки (например, выключатель), часто более высокая производительность может быть получена с помощью специализированной интегральной микросхемы для его управления.

Принцип работы соленоида

Самая примитивная конструкция соленоида представляет собой катушку, создающую магнитное поле.

Устройства, которые мы называем соленоидами, состоят из катушки и движущегося сердечника из железа или другого материала.

При подаче тока в катушку сердечник втягивается и приводит в движение механический объект, соединенный с сердечником.

Простой соленоид показан ниже:

Для приведения в движение сердечника на катушку подается напряжение. Поскольку индуктивное сопротивление катушки довольно велико для ускорения процессов срабатывания на катушку подают повышенное напряжение. Втягивающая сила сердечника пропорциональна току.

Для удержания механического устройства в активной зоне необходим гораздо меньший ток. Если ток в катушке после доведения механического устройства до конечной точки не уменьшить, то это вызовет значительно больший нагрев соленоида.

Для решения этой проблемы можно использовать драйвер постоянного тока. Ток можно контролировать по времени для обеспечения минимальных тепловых потерь при максимально необходимом удерживающем моменте.

Простые драйверы для соленоидов

Самый простой способ управлять соленоидом — включить и выключить ток.

Читайте также:  Регулирование сварочного тока тиристор

Это часто делается с помощью переключателя MOSFET с низкой стороны и токового защитного диода (рисунок ниже).

В этой схеме ток ограничен только напряжением питания и постоянным сопротивлением соленоида.

Электромеханические характеристики простого привода соленоида ограничены. Поскольку полное напряжение и ток применяются в течение 100% времени, ток втягивания ограничивается постоянной мощностью рассеяния соленоида. Большая индуктивность катушки ограничивает скорость нарастания тока при включении соленоида.

Высокопроизводительный драйвер соленоида

В большинстве применений полный ток необходим только для втягивания соленоида. После завершения движения уровень тока в соленоиде может быть снижен, что приводит к экономии энергии и значительно меньшему количеству тепла, выделяемого в катушке. Это также позволяет использовать более высокое напряжение питания, что обеспечивает форсировку тока втягивания, чтобы сделать процесс втягивания сердечника соленоида более быстрым и обеспечить большую силу втягивания.

Источник

Соленоиды — устройство, работа, применение

В этой статье речь пойдет о соленоидах. Сначала рассмотрим теоретическую сторону данной темы, затем практическую, где отметим сферы применения соленоидов в различных режимах их работы.

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.

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.

Соленоид

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.

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, μ0 — магнитная проницаемость вакуума.

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, μ0 — магнитная проницаемость вакуума.

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.

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. Сердечники 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.

Электромагнитный клапан трубопровода

Электромагнитный клапан трубопровода

работа электромагнитного клапана

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.

Читайте также:  В сеть с напряжением 220 в подключены мощность определить ток

Втягивающее реле стартера автомобиля

Втягивающее реле стартера автомобиля

работа соленоида

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

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

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.

Источник



Соленоиды (Часть 1). Виды и устройство. Работа и особенности

Цилиндрическая обмотка, которая имеет длину, значительно больше ее диаметра, называется соленоидом. В переводе с английского, это слово обозначает – подобный трубе, то есть, это катушка, похожая на трубу.

Виды соленоидов

Solenoidy risunok 2

По назначению соленоиды разделяют на два класса:

  1. Стационарные. То есть, для магнитных полей стационарного вида, которые долго держатся при некоторых значениях.
  2. Импульсные. Для создания импульсных магнитных полей. Они могут существовать только в краткий период времени, не больше 1 с.

Стационарные способны создать поля не более 2,5х10 5 Э. Соленоиды импульсного типа могут создать поля 5х10 6 Э. Если при создании поля соленоиды не подвергаются деформации и не слишком греются, то магнитное поле прямо зависит от проходящего тока: Н = k*I, где k – постоянная величина соленоида, поддающаяся расчету.

Стационарные делятся:
  • Резистивные.
  • Сверхпроводящие.

Резистивные соленоиды производят из материалов, обладающих электрическим сопротивлением. В связи с этим вся подходящая к ним энергия переходит в теплоту. Чтобы избежать теплового разрушения устройства, необходимо отвести лишнее тепло. Для этих целей применяют криогенное или водяное охлаждение. Для этого требуется вспомогательная энергия, сравнимая с требуемой энергией для питания соленоида.

Сверхпроводящие соленоиды производят из сплавов, обладающих свойствами сверхпроводимости. Их электрическое сопротивление равно нулю при различных температурах во время эксперимента. При функционировании сверхпроводящего соленоида теплота выделяется только в подходящих проводниках и источнике напряжения. Источник питания в этом случае можно исключить, так как соленоид функционирует в короткозамкнутом режиме. При этом поле может существовать без расхода энергии бесконечно долго при условии сохранения сверхпроводимости.

Читайте также:  Средство защиты от поражения электрическим током предназначенное для обеспечения электробезопасности
Устройства для создания мощных магнитных полей включают в себя три главные части:
  1. Соленоид.
  2. Источник тока.
  3. Система охлаждения.

При проектировании соленоида берут во внимание величины внутреннего канала и мощности источника питания.

Создание устройства с резистивным соленоидом для образования стационарных полей является глобальной научно-технической задачей. В мире, в том числе и в нашей стране, существует всего несколько лабораторий с подобными устройствами. Применяются соленоиды различных конструкций, эксплуатация которых осуществляется около тепловой границы.

Для обслуживания таких устройств необходим персонал, состоящий из работников высокой квалификации, работа которых дорого ценится. Большая часть финансов расходуется на оплату электрической энергии. Эксплуатация и обслуживание таких мощных соленоидов со временем окупается, так как ученые и исследователи различных областей науки, из разных стран могут получать важнейшие результаты для развития науки.

Наиболее сложные и важные задачи можно решить путем применения сверхпроводящих соленоидов. Этот способ более эффективный, экономичный и простой. Для примера можно назвать создание мощных стационарных полей сверхпроводящими соленоидами. Наиболее оригинальное свойство сверхпроводимости – это отсутствие электрического сопротивления у некоторых сплавов и металлов при температуре ниже критического значения.

Явление сверхпроводимости позволяет производить соленоид, не имеющий диссипации энергии при прохождении электрического тока. Однако, образованное поле имеет ограничение в том, что при достижении некоторого значения критического поля свойство сверхпроводимости разрушается, и электрическое сопротивление возобновляется.

Критическое поле повышается при снижении температуры от 0 до наибольшего значения. Еще в 50-х годах прошлого века открыты сплавы, у которых критическая температура находится в интервале от 10 до 20 К. При этом они имеют свойства очень мощных критических полей.

Технология создания таких сплавов и производство из них материалов для катушек соленоидов очень трудоемка и сложна. Поэтому такие устройства имеют высокую стоимость. Однако их эксплуатация недорогая и простая в обслуживании. Для этого необходим только источник питания низкого напряжения небольшой мощности и жидкий гелий. Мощность источника понадобится не выше 1 киловатта. Устройство таких соленоидов состоит из катушки, выполненной из меди и сверхпроводника многожильным проводом, лентой или шиной.

Существует возможность снижения энергетических затрат на создание еще более мощных полей. Эта возможность реализуется в нескольких ведущих странах, в том числе и в России. Такой способ основан на применении комбинации из водоохлаждаемого и сверхпроводящего соленоидов. Его еще называют гибридным соленоидом. В этом устройстве интегрируются наибольшие достижимые поля обоих типов соленоидов.

Водоохлаждаемый соленоид должен находиться внутри сверхпроводящего. Создание гибридного соленоида является объемной и сложной научно-технической проблемой. Для ее решения требуется работа нескольких коллективов научных учреждений. Подобное гибридное устройство эксплуатируется в нашей стране в Академии наук. Там соленоид со сверхпроводящими свойствами имеет массу 1,5 тонны. Обмотка выполнена из специальных сплавов ниобия с цинком и титаном. Обмотка водоохлаждаемого соленоида выполнена медной шиной.

Устройство и принцип действия

Соленоидом также можно назвать катушку индуктивности, которая намотана проводом на каркас в виде цилиндра. Такие катушки могут быть намотаны как одним, так и несколькими слоями. Так как длина обмотки намного больше диаметра, то при подключении постоянного напряжения на эту обмотку, внутри катушки образуется магнитное поле.

Solenoidy risunok

Часто соленоидами называют электромеханические устройства, содержащие катушку, внутри которой имеется ферромагнитный сердечник. Такие устройства выполнены в виде втягивающих реле автомобильного стартера, различных электроклапанов. Втягивающим элементом такого своеобразного электромагнита является сердечник из ферромагнитного материала.

Если в устройстве соленоида нет сердечника, то при подключении постоянного тока вдоль обмотки образуется магнитное поле. Индукция этого поля равна:

Formula

Где, N – количество витков в обмотке, l – длина катушки, I – ток, протекающий по соленоиду, μ0 — вакуумная магнитная проницаемость.

На концах соленоида величина магнитной индукции в два раза ниже, по сравнению с внутренней частью, так как две части соленоида совместно образуют двойное магнитное поле. Это применимо к длинному или бесконечному соленоиду, в сравнении с диаметром каркаса обмотки.

По краям соленоида магнитная индукция равна:

Formula 2

Так как соленоиды являются катушками индуктивности, следовательно, соленоид может запасать энергию в магнитном поле. Эта энергия равна работе, совершаемой источником, для образования тока в обмотке.

Этот ток образует в соленоиде магнитное поле:

Formula 3

Если ток в катушке изменяется, то возникает ЭДС самоиндукции. В этом случае напряжение на соленоиде определяется:

Formula 4

Индуктивность соленоида определяется:

Formula 5

Где, V – объем катушки соленоида, z – длина проводника катушки, n – количество витков, l – длина катушки, μ0 — вакуумная магнитная проницаемость.

При подключении к проводникам соленоида переменного напряжения, магнитное поле будет создаваться тоже переменным. Соленоид имеет сопротивление переменному току в виде комплекса двух составляющих: активной и реактивной. Они зависят от индуктивности и электрического сопротивления проводника катушки.

Источник