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.
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.
![Соленоид](/uploads/posts/2016-09/1475132935_1.jpg)
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:
![](/uploads/posts/2016-09/1475132987_2.png)
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:
![](/uploads/posts/2016-09/1475132994_3.png)
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:
![](/uploads/posts/2016-09/1475133011_4.png)
Изменение тока в обмотке приведет к возникновению ЭДС самоиндукции, и напряжение на краях провода обмотки соленоида будет равно:
![](/uploads/posts/2016-09/1475133009_5.png)
Индуктивность соленоида будет равна:
![](/uploads/posts/2016-09/1475132992_6.png)
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)
![Электромагнитный клапан трубопровода](/uploads/posts/2016-09/1475133211_71.jpg)
![работа электромагнитного клапана](/uploads/posts/2016-09/1475132959_72.jpg)
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
![Втягивающее реле стартера автомобиля](/uploads/posts/2016-09/1475133007_81.jpg)
![работа соленоида](/uploads/posts/2016-09/1475132926_82.jpg)
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
![Соленоидный замок](/uploads/posts/2016-09/1475132975_9.jpg)
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](/uploads/posts/2016-09/1475132965_10.jpg)
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
![Соленоидный двигатель](/uploads/posts/2016-09/1475132912_11.jpg)
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](/uploads/posts/2016-09/1475132958_12.jpg)
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
![Катушки Тесла](/uploads/posts/2016-09/1475132951_13.jpg)
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.
Смотрите дальше:
Два типа бифилярных катушек — бифиляр Тесла и бифиляр Купера
Электрический дроссель - принцип работы и примеры использования
Андрей Повный