Соленоид мощный – Линейный электромагнитный соленоид: принцип работы и типы

Линейный электромагнитный соленоид: принцип работы и типы

В данной статье мы подробно поговорим про линейный соленоид, опишем принцип его работы, разберем конструкции линейного и вращательного соленоида, а так же вы узнаете как снизить энергопотребление соленоида.

Описание и принцип работы соленоида

Линейный соленоид работает на том же основном принципе, что и электромеханическое реле, описанное в предыдущем уроке, и точно так же, как и реле, они также могут переключаться и управляться с помощью транзисторов или полевых МОП-транзисторов. Линейный соленоид — это электромагнитное устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическое толкающее или тянущее усилие или движение.

Линейный соленоид в основном состоит из электрической катушки, намотанной вокруг цилиндрической трубки с ферромагнитным приводом или «плунжером», который может свободно перемещать или скользить «ВХОД» и «ВЫХОД» в корпусе катушек. Соленоиды могут использоваться для электрического открывания дверей и защелок, открытия или закрытия клапанов, перемещения и управления роботизированными конечностями и механизмами и даже для включения электрических выключателей только путем подачи питания на его катушку.

Соленоиды доступны в различных форматах, причем наиболее распространенными типами являются линейный соленоид, также известный как линейный электромеханический привод (LEMA) и вращающийся соленоид. Эти виды и не только вы можете найти и приобрести на Алиэкспресс.

Оба типа соленоидов, линейный и вращательный доступны в виде удержания (с постоянным напряжением) или в виде защелки (импульс ВКЛ-ВЫКЛ), при этом типы защелки используются в устройствах под напряжением или при отключении питания. Линейные соленоиды также могут быть разработаны для пропорционального управления движением, где положение плунжера пропорционально потребляемой мощности.

Когда электрический ток протекает через проводник, он генерирует магнитное поле, и направление этого магнитного поля относительно его северного и южного полюсов определяется направлением потока тока внутри провода. Эта катушка проволоки становится « электромагнитом » со своими собственными северным и южным полюсами, точно такими же, как у постоянного магнита.

Сила этого магнитного поля может быть увеличена или уменьшена либо путем управления количеством тока, протекающего через катушку, либо путем изменения количества витков или петель, которые имеет катушка. Пример «электромагнита» приведен ниже.

Магнитное поле, создаваемое катушкой

Когда электрический ток проходит через обмотки катушек, он ведет себя как электромагнит, и плунжер, который находится внутри катушки, притягивается к центру катушки с помощью магнитного потока внутри корпуса катушек, который, в свою очередь, сжимает небольшая пружина прикреплена к одному концу плунжера. Сила и скорость движения плунжеров определяются силой магнитного потока, генерируемого внутри катушки.

Когда ток питания выключен (обесточен), электромагнитное поле, созданное ранее катушкой, разрушается, и энергия, накопленная в сжатой пружине, заставляет поршень вернуться в исходное положение покоя. Это движение плунжера вперед и назад известно как «ход» соленоидов, другими словами, максимальное расстояние, на которое плунжер может проходить в направлении «вход» или «выход», например, 0–30 мм.

Такой тип соленоида обычно называется линейным соленоидом

из-за линейного направленного движения и действия плунжера. Линейные соленоиды доступны в двух основных конфигурациях, которые называются «тягового типа», так как он тянет подключенную нагрузку к себе, когда они находятся под напряжением, и «толкающего типа», которые действуют в противоположном направлении, отталкивая его от себя при подаче питания. Как притягивающие, так и толкающие типы обычно имеют одинаковую конструкцию, с разницей в расположении возвратной пружины и конструкции плунжера.

Конструкция линейного соленоида вытяжного типа

Линейные соленоиды полезны во многих устройствах, которые требуют движения открытого или закрытого типа (например, внутри или снаружи), таких как дверные замки с электронным управлением, пневматические или гидравлические регулирующие клапаны, робототехника, управление автомобильным двигателем, ирригационные клапаны для полива сада и даже для дверного звонка. Они доступны как открытая рама, закрытая рама или герметичные трубчатые типы.

Вращательный соленоид

Большинство электромагнитных соленоидов являются линейными устройствами, создающими линейную силу движения или движения вперед и назад. Однако имеются также вращательные соленоиды, которые производят угловое или вращательное движение из нейтрального положения либо по часовой стрелке, против часовой стрелки, либо в обоих направлениях (в двух направлениях).

Вращающиеся соленоиды можно использовать для замены небольших двигателей постоянного тока или шаговых двигателей, если угловое движение очень мало, а угол поворота — это угол, смещенный от начального к конечному положению.

Обычно доступные ротационные соленоиды имеют перемещения 25, 35, 45, 60 и 90 o, а также многократные перемещения к определенному углу и от него, такие как самовосстановление в двух положениях или возврат в нулевое вращение, например, от 0 до 90- до -0 ° , самовосстановление в 3 положениях, например от 0 ° до +45 ° или от 0 ° до -45 °, а также фиксация в 2 положениях.

Вращающиеся соленоиды производят вращательное движение, когда под напряжением, обесточено, или изменение полярности электромагнитного поля изменяет положение ротора с постоянными магнитами. Их конструкция состоит из электрической катушки, намотанной вокруг стальной рамы с магнитным диском, соединенным с выходным валом, расположенным над катушкой.

Когда катушка находится под напряжением, электромагнитное поле генерирует множество северных и южных полюсов, которые отталкивают соседние постоянные магнитные полюса диска, заставляя его вращаться на угол, определяемый механической конструкцией вращающегося соленоида.

Вращающиеся соленоиды используются в торговых автоматах или игровых автоматах, для управления клапанами, затворами камер со специальными высокоскоростными, низкоэнергетическими или регулируемыми позиционирующими соленоидами с высоким усилием или крутящим моментом, такими как те, которые используются в точечно-матричных принтерах, пишущих машинках, автоматах или в автомобилях.

Электромагнитное переключение

Обычно соленоиды, линейные или вращающиеся, работают с приложением постоянного напряжения, но их также можно использовать с синусоидальными напряжениями переменного тока, используя двухполупериодные мостовые выпрямители для выпрямления питания, которые затем можно использовать для переключения соленоида постоянного тока. Малые соленоиды типа DC могут легко управляться с помощью транзисторных или полевых МОП-транзисторов и идеально подходят для использования в роботизированных устройствах.

Однако, как мы видели ранее с электромеханическими реле, линейные соленоиды являются «индуктивными» устройствами, поэтому требуется некоторая электрическая защита через катушку соленоида для предотвращения повреждения полупроводникового переключающего устройства высокими обратными ЭДС. В этом случае используется стандартный «Диод маховика», но вы также можете использовать стабилитрон или варистор малого значения.

Снижение энергопотребления соленоида

Одним из основных недостатков соленоидов, особенно линейного соленоида, является то, что они являются «индуктивными устройствами», изготовленными из катушек с проволокой. Это означает, что соленоидная катушка преобразует часть электрической энергии, используемой для их работы, в «нагрев» из-за сопротивления провода.

Другими словами, при длительном подключении к источнику электропитания они нагреваются, и чем дольше время, в течение которого питание подается на соленоидную катушку, тем горячее становится. Также, когда катушка нагревается, ее электрическое сопротивление также изменяется, позволяя течь большему току, повышая ее температуру.

При постоянном входном напряжении, подаваемом на катушку, катушка соленоидов не имеет возможности остыть, потому что входная мощность всегда включена. Чтобы уменьшить этот самогенерируемый эффект нагрева, необходимо уменьшить либо количество времени, в течение которого катушка находится под напряжением, либо уменьшить количество тока, протекающего через нее.

Один из способов потребления меньшего тока заключается в подаче подходящего достаточно высокого напряжения на электромагнитную катушку, чтобы обеспечить необходимое электромагнитное поле для работы и посадки плунжера, но затем один раз активировать для снижения напряжения питания катушек до уровня, достаточного для поддержания плунжера, в «сидячем» или закрытом положении. Одним из способов достижения этого является последовательное подключение подходящего «удерживающего» резистора с катушкой соленоида, например:

Здесь контакты переключателя замыкаются, замыкая сопротивление и передавая полный ток питания непосредственно на обмотки электромагнитных катушек. После подачи питания контакты, которые могут быть механически связаны с плунжером электромагнитного действия, размыкаются, соединяя удерживающий резистор

R H последовательно с катушкой соленоида. Это эффективно соединяет резистор последовательно с катушкой.

Используя этот метод, соленоид может быть подключен к его источнику напряжения на неопределенный срок (непрерывный рабочий цикл), так как мощность, потребляемая катушкой, и выделяемое тепло значительно уменьшаются, что может быть до 85-90% при использовании подходящего силового резистора. Однако мощность, потребляемая резистором, также будет генерировать определенное количество тепла, I 2 R (закон Ома), и это также необходимо учитывать.

Рабочий цикл соленоида

Другим более практичным способом уменьшения тепла, выделяемого катушкой соленоидов, является использование «прерывистого рабочего цикла». Прерывистый рабочий цикл означает, что катушка многократно переключается «ВКЛ» и «ВЫКЛ» на подходящей частоте, чтобы активировать механизм плунжера, но не дать ему обесточиться во время периода ВЫКЛ. Прерывистое переключение рабочего цикла является очень эффективным способом уменьшения общей мощности, потребляемой катушкой.

Рабочий цикл (% ED) соленоида — это часть времени «ВКЛ», когда на электромагнит подается напряжение, и это отношение времени «ВКЛ» к общему времени «ВКЛ» и «ВЫКЛ» для одного полного цикла операций. Другими словами, время цикла равно времени включения плюс время выключения. Рабочий цикл выражается в процентах, например:

Затем, если соленоид включен или включен на 30 секунд, а затем выключен на 90 секунд перед повторным включением, один полный цикл, общее время цикла включения / выключения составит 120 секунд, (30 + 90) поэтому рабочий цикл соленоидов будет рассчитываться как 30/120 сек или 25%. Это означает, что вы можете определить максимальное время включения соленоидов, если вам известны значения рабочего цикла и времени выключения.

Например, время выключения равно 15 секундам, рабочий цикл равен 40%, поэтому время включения равно 10 секундам. Соленоид с номинальным рабочим циклом 100% означает, что он имеет постоянное номинальное напряжение и поэтому может быть оставлен включенным или постоянно включен без перегрева или повреждения.

В этом уроке о соленоидах мы рассматривали как 

линейный соленоид, так и вращающийся соленоид как электромеханический привод, который можно использовать в качестве выходного устройства для управления физическим процессом. В следующем уроке мы продолжим рассмотрение устройств вывода, называемых исполнительными механизмами, и устройства, которое снова преобразует электрический сигнал в соответствующее вращательное движение, используя электромагнетизм. Тип устройства вывода, которое мы рассмотрим в следующем уроке — это двигатель постоянного тока.

meanders.ru

Наиболее оптимальные варианты управления соленоидом

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 (ИС) для его управления.

В этой статье мы рассмотрим, как система управления электропривода влияет на электромеханические характеристики соленоидов. Будет сравниваться две различные схемы: простой коммутатор и драйвер регулирования тока. Также будут рассмотрены технологии энергосбережения, которые ограничивают рассеивание мощности в соленоиде.

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.

Испытательная установка

Чтобы сравнить электромеханические характеристики различных схем привода соленоида, была создана простая тестовая установка с использованием сервоусилителя, подключенного к соленоиду с изгибом для измерения движения соленоида. Движение, наряду с напряжением и током, было зафиксировано с помощью осциллографа. Для управления соленоидом использовалась MPS MPQ6610 IC.

Простые драйверы для соленоидов

Самый простой способ управлять соленоидом — включить и выключить ток. 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.

В тесте измерялось движение, напряжение и ток соленоида включаемого с помощью простого переключателя (рисунок ниже). В этом случае время включения соленоида (15 Ом, рассчитанного на 12 В) занимало 30 мс, чтобы приводить в действие механический привод и рассеивать мощность 10 Вт.

Если вы задаетесь вопросом о «впадине» в текущей форме волны, то это уменьшение тока связано с обратной ЭДС, создаваемой движущимся сердечником соленоида. Обратная ЭДС увеличивается по мере того, как сердечник разгоняется до тех пор, пока соленоид не втянется и не остановится.

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.

Мощный полумост MPS MPQ6610 вместе с несколькими внешними компонентами может выполнить эту задачу (рисунок ниже). MPQ6610 рассчитан на 60 В и 3 А и доступен в небольших пакетах TSOT и SOIC.

Результирующие сигналы возбуждения показаны на рисунке ниже. Желтая линия — это сигнал OUT, управляющий соленоидом, а зеленый — ток соленоида. Первоначально полное напряжение питания 24 В (в этом случае приводится в движение соленоид). После задержки ток уменьшается путем широтно-импульсной модуляции выхода. Время втягивания сокращается до 16 мс, а рассеиваемая мощность удержания значительно ниже (около 600 мВт вместо 10 Вт).

Эта схема работает следующим образом:

Первоначально входной сигнал низкий. Это разряжает C1-D1 и удерживает контакт ISET с низким значением Q1.

Входной сигнал нарастает, что позволяет MPQ6610  «нарастить» выходной сигнал до высокого уровня, применяя полное напряжение питания к соленоиду. C1 начинает заряжаться через R1. Ток поступает из штыря ISET, пропорционального току, протекающему в соленоиде. С зарядом C1 напряжение на штыре ISET может увеличиться.

Предполагая, что в соленоиде имеется достаточный ток, напряжение на шине ISET продолжает расти, пока не достигнет своего порога регулирования тока (1,5 В). На этом этапе MPQ6610 начинает регулировать ток соленоида. Регулируемый ток удержания устанавливается значением R2.

Время задержки (когда соленоид приводится в 100% рабочий цикл) устанавливается значениями R1 и C1. Для стандартного логического уровня 3,3 В время составляет приблизительно 0,33 × RC. Для примера выше, с R1 = 100 кОм и C1 = 2,2 мкФ, 0,33 × RC = 75 мс.

Выводы

Представленные в этой статье измерения показывают, что улучшенная производительность и значительно более низкое потребление энергии могут быть достигнуты с использованием управляющего током драйвера для управления соленоидами. Небольшие драйверы на интегральных микросхемах, такие как MPS MPQ6610, могут обеспечить это преимущество производительности по низкой цене и занимать очень небольшую площадь на печатной плате.

И кому интересно как работает соленоид:

elenergi.ru

Изготовление соленоида (электромагнитный возвратно-поступательный механизм) - Электроника

Кто изготавливал лично соленоиды? Столкнулся с трудностями в расчетах и решил выложить вопросы с рассуждениями сюда, заодно пригодится может кому.

 

Соленоид это електромагнит с подвижным якорем. Якорь играет роль возвратно поступательного механизма. Используются в електрозамках дверей машин и других областях. В моем случае соленоид выполняет функцию плавного регулятора давления в системе: Дроссель, електромагнит и левый конец пружины статически зафиксированы, правый конец пружины и рычаг крана соеденены. При подачи тока в катушку якорь втягивается, соотвественно тянет за собой рычаг, рычаг тянет пружыну и осуществляется плавный ход если добавлять ток. Если ток сбросит - рычаг вернется в исходное положение, которое задает пружина и поток будет перекрыт.

 

Альтернативой есть актуатор, это електродвигатель + винтовая передача. Видео на ютубе ищите. Минус в том, что оно слишком медленное.

 

В общем перелопатил я весь интернет в поисках информации по соленоидам и електромагнитам нашел тонны знаний, но без особой конкретики, или это мне так тяжело собрать все в кучу. Тем не менее точных понятных доступных формул я так и не нашел. Даже строители гаусганов пользуются фиксироваными парамтерами и подбирают все методом проб.

 

Вот что есть на данный момент:

 

R=U\I

R-требуемое сопротивление исходя из параметров источника питания

 

L=(SR)\g

L-длинна катушки

S-площадь проводника

g-удельное сопротивление меди 0,0175 ом*мм2/м

 

В нашем случае для примера источником питания является "крона", 9 вольт напряжение и 500мАч емкость (I не указано на корпусе, взял стандарт с гугла)

 

Провод медный сечение 0.8мм, значит радиус 0.4, площадь =piR2= 3.14*0.4*0.4 = 0.5024мм2

 

Ток в аккумуляторах высчитывается по формуле= емкость делено на 20 часов. Это значит, что полный расход произойдет за 20 часов с напряжением 9 вольт и током 0.025 А, I = 500\20=0.025A

 

Сопротивление системы равно = R=9\0.025=360Om

 

Значит длинна провода

 

L= (0.5024*360)\0,0175= 10335 мм = 10м

 

Надо так много провода на относительно маломощный соленоид. Что ж, попробуем.

 

В итоге получилась высота катушки 5см, внутренний диаметр 0.5см, внешний где-то 2см, и 6.5 слоев намотки провода. Витки не считал.

 

Результат вообще нулевой, вставив гвоздь в середину ели притянулась к гвоздю шайбочка маленькая. Отчаявшись решил сделать простой електромагнит - намотал 1 метр провода прямо на гвоздь в несколько слоев, так же результат мизерный.

 

Игорь Мухин сделал программу (http://imlab.narod.ru/M_Fields/Coil10/Coil10.htm ) для расчетов соленоида, исходные данные:

R1 - внутренний радиус соленоида

R2 - внешний радиус соленоида

H - высота соленоида

D - диаметр обмоточного провода

и напряжение

 

Результативные данные: Ток, Индуктивность, Сопротивление, Количество витков, индукция то есть тяга

(в софте надо изменить точки на запятые что бы заработало)

 

Вот в моем случае внутренний внешний радиусы не существенны, главное ток и длинна на которую тянет. Ток же нельзя регулировать, надо его вписать в исходные значения, а в программе нельзя. Написал автору на почту с просьбой скинуть формулы - ответа пока что нету...

 

Тема интересная, думаю пригодится не только мне

www.chipmaker.ru

Соленоиды. 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

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 2,5х105 Э. Соленоиды импульсного типа могут создать поля 5х106 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.

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.

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:

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:

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:

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

Индуктивность соленоида определяется:

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.

Похожие темы:

electrosam.ru

Как сделать соленоидный двигатель

Содержание:
  1. Принцип работы
  2. Устройство соленоидного двигателя
  3. Соленоидный двигатель своими руками
  4. Видео: Как сделать соленоидный двигатель

Современные инженеры регулярно проводят эксперименты по созданию устройств с нетрадиционной и нестандартной конструкцией, таких как, например, аппарат вращения на неодимовых магнитах. Среди этих механизмов следует отметить и соленоидный двигатель, преобразующий энергию электрического тока в механическую энергию. Соленоидные двигатели могут состоять из одной или нескольких катушек – соленоидов.

В первом случае задействована всего лишь одна катушка, при включении и выключении которой происходит механическое движение кривошипно-шатунного механизма. Во втором варианте используется несколько катушек, включающихся поочередно с помощью вентилей, когда подача тока от источника питания осуществляется в один из полупериодов синусоидального напряжения. Возвратно-поступательные движения сердечников приводят в движение колесо или коленчатый вал.


Соленоидный двигатель принцип работы

В соответствии с основной классификацией, соленоидные двигатели бывают резонансными и нерезонансными. В свою очередь, существует однокатушечная и многокатушечная конструкции нерезонансных двигателей. Известны также параметрические двигатели, в которых сердечник втягивается в соленоид, но занимает нужное положение при достижении магнитного равновесия после нескольких колебаний. При совпадении частоты сети с собственными колебаниями сердечника может произойти резонанс.

Соленоидные двигатели отличаются компактностью и простотой конструкции. Среди недостатков следует отметить низкий коэффициент полезного действия этих устройств и высокую скорость движения. До настоящего времени эти недостатки не удалось преодолеть, поэтому данные механизмы не нашли широкого применения на практике.

Рабочая катушка однокатушечных устройств включается и выключается с помощью механического выключателя, за счет действия тела сердечника или полупроводниковым вентилем. В обоих вариантах обратный ход обеспечивается пружиной, обладающей упругостью. В двигателях с несколькими катушками рабочие органы включаются только вентилями, когда к каждой катушке по очереди подводится ток в промежутке одного из полупериодов синусоидального напряжения. Сердечники катушек начинают поочередно втягиваться, в результате, это приводит к совершению возвратно-поступательных движений. Эти движения через приводы передаются на различные двигатели, выполняющие функцию исполнительных механизмов.


Устройство соленоидного двигателя

Существуют различные типы механических и электрических устройств, работа которых основывается на преобразовании одного вида энергии в другой. Их основные типы широко используются во всех машинах и механизмах, применяемых на производстве и в быту. Существуют и нетрадиционные аппараты, работа над которыми осуществляется пока на уровне экспериментов. К ним можно отнести и соленоидные двигатели, работающие на основе магнитного действия тока. Его основным преимуществом считается простота конструкции и доступность материалов для изготовления.

Основным элементом данного устройства является катушка, по которой пропускается электрический ток. Это приводит к образованию магнитного поля, втягивающего внутрь плунжер, выполненный в виде стального сердечника. Далее, с помощью кривошипно-шатунного механизма, поступательные движения сердечника преобразуются во вращательное движение вала. Можно использовать любое количество катушек, однако, наиболее оптимальным считается вариант с двумя элементами. Все эти факторы нужно обязательно учитывать при решении вопроса как сделать соленоидный двигатель своими руками из подручных материалов.

Нередко рассматривается вариант с тремя катушками, отличающийся более сложной конструкцией. Тем не менее, он обладает более высокой мощностью и работает значительно равномернее, не требуя маховика для плавности хода.

Работа данного устройства осуществляется следующим образом.

  • Из электрической сети ток попадает на распределитель через щетку соленоида, после чего поступает уже непосредственно в этот соленоид.
  • После прохождения по обмотке, ток вновь возвращается в сеть через общие кольца и щетку, установленные в распределителе. Прохождение тока приводит к образованию сильного магнитного поля, втягивающего плунжер внутрь катушки к ее середине.
  • Далее поступательное движение плунжера передается шатуну и кривошипу, осуществляющих поворот коленчатого вала. Одновременно с валом происходит поворот распределителя тока, запускающего в действие следующий соленоид.
  • Второй соленоид начинает действовать еще до окончания работы первого элемента. Таким образом, он оказывает помощь при ослаблении тяги плунжера первого соленоида, поскольку уменьшается длина его плеча в процессе поворота кривошипа.
  • После второго соленоида в работу включается следующая – третья катушка и весь цикл полностью повторяется.

Соленоидный двигатель своими руками

Лучшим материалом для катушек считается текстолит или древесина твердых пород. Для намотки используется провод ПЭЛ-1 диаметром 0,2-0,3 мм. Наматывание выполняется в количестве 8-10 тыс. витков, обеспечивая сопротивление каждой катушки в пределах 200-400 Ом. После намотки каждых 500 витков делаются тонкие бумажные прокладки и так до окончательного заполнения каркаса.

Для изготовления плунжера применяется мягкая сталь. Шатуны могут быть изготовлены из велосипедных спиц. Верхнюю головку нужно делать в виде небольшого кольцеобразного ушка с необходимым внутренним диаметром. Нижняя головка оборудуется специальным захватом для крепления на шейке коленчатого вала. Он изготавливается из двух жестяных полосок и представляет собой вилку, которая надевается на шейку кривошипа. Окончательное крепление вилки осуществляется медной проволокой, продеваемой через отверстия. Шатунная вилка надевается на втулку, выполненную из медной, бронзовой или латунной трубки.

Коленчатый вал делается из металлического стержня. Его кривошипы располагаются под углом 120 градусов относительно друг друга. На одной стороне коленчатого вала закрепляется распределитель тока, а на другой – маховик в виде шкива с канавкой под приводной ремень.

Для изготовления распределителя тока можно использовать латунное кольцо или отрезок трубки подходящего диаметра. Получается одно целое кольцо и три полукольца, расположенные по отношению друг к другу со сдвигом на 120 градусов. Щетки делаются из пружинных пластинок или слегка расклепанной стальной проволоки.

Крепление втулки распределителя тока производится на текстолитовый валик, надеваемый на один из концов коленчатого вала. Все крепления осуществляются с помощью клея БФ и шпонок, изготавливаемых из тонкой проволоки или иголок. Установка распределителя выполняется таким образом, чтобы включение первой катушки происходило при нахождении плунжера в самом нижнем положении. Если провода, идущие от катушек на щетки, поменять местами, то вращение вала будет происходить в обратном направлении.

Установка катушек производится в вертикальном положении. Они закрепляются разными способами, например, деревянными планками, в которых предусмотрены углубления под корпуса катушек. По краям крепятся боковины из фанеры или листового металла, в которых предусмотрены места под установку подшипников под коленчатый вал или латунных втулок. При наличии металлических боковин, крепление втулок или подшипников производится методом пайки. Подшипники рекомендуется устанавливать и в средней части коленчатого вала. С этой целью предусматриваются специальные жестяные или деревянные стойки.

Во избежание сдвига коленчатого вала в ту или иную сторону на его концы рекомендуется припаять кольца из медной проволоки, на расстоянии примерно 0,5 мм от подшипников. Сам двигатель должен быть защищен жестяным или фанерным кожухом. Расчеты двигателя выполняются исходя из переменного электрического тока, напряжением 220 вольт. В случае необходимости устройство может функционировать и при постоянном токе. Если же сетевое напряжение составляет всего 127 вольт, количество витков катушки следует снизить на 4-5 тысяч витков, а сечение провода уменьшить до 0,4 мм. При условии правильной сборки, мощность соленоидного двигателя составит в среднем 30-50 Вт.


Как сделать соленоидный двигатель в домашних условиях

electric-220.ru

Соленоид — Википедия

Соленоид с однослойной намоткой. Образование магнитного потока в соленоиде. В центре по длине на оси соленоида магнитное поле практически однородно.

Солено́ид (от греч. σολήνα (солина) — канал, труба и ειδός (эйдос) — подобный, похожий) — разновидность катушки индуктивности.

Конструктивно длинные соленоиды выполняются как в виде однослойной намотки (см. рис.), так и многослойной.

Если длина намотки значительно превышает диаметр намотки, то в полости соленоида при подаче в него электрического тока порождается магнитное поле, близкое к однородному.

Также часто соленоидами называют электромеханические исполнительные механизмы, обычно со втягиваемым ферромагнитным сердечником. В таком применении соленоид почти всегда снабжается внешним ферромагнитным магнитопроводом, обычно называемым ярмом.

Бесконечно длинный соленоид — это соленоид, длина которого стремится к бесконечности (то есть его длина много больше его поперечных размеров).

Если длина соленоида намного больше его диаметра и не используется магнитный материал, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное вдоль оси, которое однородно и для постоянного тока по величине равно[1]:

B=μ0nI{\displaystyle B=\mu _{0}nI} (СИ) (1),{\displaystyle \qquad (1),}

B=4πcnI{\displaystyle B={\frac {4\pi }{c}}nI} (СГС) (2),{\displaystyle \qquad (2),}

где μ0{\displaystyle \mu _{0}} — магнитная проницаемость вакуума, n=N/l{\displaystyle n=N/l} — число витков на единицу длины соленоида, N{\displaystyle N} — число витков, l{\displaystyle l} — длина соленоида, I{\displaystyle I} — ток в обмотке.

Вследствие того, что две половины бесконечного соленоида в точке их соединения вносят одинаковый вклад в магнитное поле, магнитная индукция полубесконечного соленоида у его края вдвое меньше, чем в объёме. То же самое можно сказать о поле на краях конечного, но достаточно длинного соленоида[1]:

BKP=12μ0nI{\displaystyle B_{\mathrm {KP} }={\frac {1}{2}}\mu _{0}nI} (СИ) (3).{\displaystyle \qquad (3).}

При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I{\displaystyle I}. Величина этой энергии равна

Ecoxp=ΨI2=LI22(4),{\displaystyle E_{\mathrm {coxp} }={{\Psi I} \over 2}={{LI^{2}} \over 2}\qquad (4),}

где Ψ=NΦ{\displaystyle \Psi =N\Phi } — потокосцепление, Φ{\displaystyle \Phi } — магнитный поток в соленоиде, L{\displaystyle L} — индуктивность соленоида.

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

ε=−LdIdt(5){\displaystyle \varepsilon =-L{dI \over dt}\qquad (5)}.

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

L=μ0n2V=μ04πz2l{\displaystyle L=\mu _{0}n^{2}V\!={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {z^{2}}{l}}} (СИ) (6),{\displaystyle \qquad (6),}
L=4πn2V=z2l{\displaystyle L=4\pi n^{2}V\!={\frac {z^{2}}{l}}} (СГС) (7),{\displaystyle \qquad (7),}

где μ0{\displaystyle \mu _{0}} — магнитная проницаемость вакуума, n=N/l{\displaystyle n=N/l} — число витков на единицу длины соленоида, N{\displaystyle N} — число витков, V=Sl{\displaystyle V=Sl} — объём соленоида, z=πdN{\displaystyle z=\pi dN} — длина проводника, намотанного на соленоид, S=πd2/4{\displaystyle S=\pi d^{2}/4} — площадь поперечного сечения соленоида, l{\displaystyle l} — длина соленоида, d{\displaystyle d} — диаметр витка.

Без использования магнитного материала магнитная индукция B{\displaystyle B} в пределах соленоида является фактически постоянной и равна

B=μ0NlI=μ0nI(8),{\displaystyle B=\mu _{0}{\frac {N}{l}}I=\mu _{0}nI\qquad (8),}

где I{\displaystyle I} — сила тока. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление Ψ{\displaystyle \Psi } через катушку равно магнитной индукции B{\displaystyle B}, умноженной на площадь поперечного сечения S{\displaystyle S} и число витков N{\displaystyle N}:

Ψ=BSN=μ0N2IS/l=μ0n2VI=LI(9).{\displaystyle \displaystyle \Psi =BSN=\mu _{0}N^{2}IS/l=\mu _{0}n^{2}VI=LI\qquad (9).}

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

L=μ0N2S/l=μ0n2V(10),{\displaystyle \displaystyle L=\mu _{0}N^{2}S/l=\mu _{0}n^{2}V\qquad (10),} эквивалентная предыдущим двум формулам.

При переменном токе соленоид создаёт переменное магнитное поле. Если соленоид используется как электромагнит, то на переменном токе величина силы притяжения изменяется. В случае якоря из магнитомягкого материала направление силы притяжения не изменяется. В случае магнитного якоря направление силы меняется. На переменном токе соленоид имеет комплексное сопротивление, активная составляющая которого определяется активным сопротивлением обмотки, а реактивная составляющая определяется индуктивностью обмотки.

Соленоиды постоянного тока чаще всего применяются как поступательный силовой электропривод. В отличие от обычных электромагнитов обеспечивает большой ход. Силовая характеристика зависит от строения магнитной системы (сердечника и корпуса) и может быть близка к линейной.

Соленоиды приводят в движение ножницы для отрезания билетов и чеков в кассовых аппаратах, язычки замков, клапаны в двигателях, гидравлических системах и пр. Один из самых известных примеров — «тяговое реле» автомобильного стартёра. Большое распространение соленоиды получили в энергетике, найдя широкое применение в приводах высоковольтных выключателей.

Соленоиды на переменном токе применяются в качестве индуктора для индукционного нагрева в индукционных тигельных печах.

  1. 1 2 Савельев И. В. (1982), с. 148–152.
  • Савельев И. В. Курс общей физики. — Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.

ru.wikipedia.org

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о