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.
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.
Смотрите дальше:
Два типа бифилярных катушек — бифиляр Тесла и бифиляр Купера
Электрический дроссель - принцип работы и примеры использования
Андрей Повный