Соленоиди — устройство, работа, приложение

Тази статия ще се фокусира върху соленоидите. Първо ще разгледаме теоретичната страна на тази тема, после практическата, където ще отбележим областите на приложение на соленоидите в различни режими на тяхната работа.

Соленоидът е цилиндрична намотка, чиято дължина е много по -голяма от диаметъра му. Самата дума соленоид е образувана от комбинация от две думи — solen и eidos, първата от които се превежда като тръба, втората — подобна. Тоест соленоидът е бобина, оформена като тръба.

Соленоидите в широк смисъл са индуктори, навити от проводник върху цилиндрична рамка, която може да бъде еднослойна или многослойна… Тъй като дължината на намотката на соленоида значително надвишава неговия диаметър, тогава когато се прилага постоянен ток през такава намотка, вътре в нея, във вътрешната кухина, се образува почти равномерно магнитно поле.

Често соленоидите се наричат ​​някои задвижващи механизми на електромеханичен принцип на действие, като например електромагнитен клапан за автоматична трансмисия в автомобил или реле за прибиране на стартера. По правило феромагнитното ядро ​​действа като прибрана част и самият соленоид снабден с магнитно ядро ​​от външната страна, така наречения феромагнитен хомот.

Ако в конструкцията на соленоида няма магнитен материал, тогава когато през проводника протича постоянен ток, по оста на бобината се образува магнитно поле, чиято индукция е числено равна на:

Където, N е броят на завъртанията в соленоида, l е дължината на намотката на соленоида, I е токът в соленоида, μ0 е магнитната пропускливост на вакуума.

В краищата на соленоида магнитната индукция е наполовина по -малка от тази вътре в него, тъй като и двете половини на соленоида в точката на съединението им дават равен принос за магнитното поле, създадено от тока на соленоида. Това може да се каже за полу-безкраен соленоид или за бобина, която е достатъчно дълга спрямо диаметъра на рамката. Магнитната индукция по краищата ще бъде равна на:

Тъй като соленоидът е предимно индуктивна намотка, както всяка намотка с индуктивност, соленоидът е в състояние да съхранява енергия в магнитно поле, числено равно на работата, която източникът извършва за създаване на ток в намотката, която генерира магнитното поле на соленоид:

Промяната на тока в намотката ще доведе до появата на ЕМП на самоиндукция, а напрежението по краищата на проводника на намотката на соленоида ще бъде равно на:

Индуктивността на соленоида ще бъде равна на:

Където V е обемът на соленоида, z е дължината на проводника в намотката на соленоида, n е броят на завъртанията на единица дължина на соленоида, l е дължината на соленоида, μ0 е магнитната пропускливост на вакуум.

Когато променлив ток преминава през проводника на соленоида, магнитното поле на соленоида също ще бъде променливо. Устойчивостта на соленоида към променлив ток е сложна по своята същност и включва както активни, така и реактивни компоненти, определени от индуктивността и активното съпротивление на намотката.

Практическо използване на соленоиди

Соленоидите се използват в много промишлени и граждански приложения. Често линейните задвижвания са само пример за работа с електромагнит на постоянен ток. Проверете ножиците в касовите апарати, клапаните на двигателя, релето за теглене на стартера, хидравличните клапани и др. При променлив ток соленоидите действат като индуктори тигелни пещи.

Соленоидните намотки, като правило, са изработени от мед, по -рядко от алуминиева тел. Във високотехнологичните индустрии се използват свръхпроводникови намотки. Ядрата могат да бъдат желязо, чугун, ферит или други сплави, често под формата на пакет от листове, или те изобщо не присъстват.

В зависимост от предназначението на електрическата машина, сърцевината е изработена от един или друг материал. Устройства като повдигане на електромагнити, сортиране на семена, почистване на въглища и др. След това ще разгледаме няколко примера за използване на соленоиди.

Соленоиден вентил на тръбопровода

До подаване на напрежение към соленоидната бобина, клапанният диск се притиска здраво към пилотния порт чрез пружина и тръбопроводът се затваря. Когато токът се подава към намотката на клапана, котвата и свързаният с нея вентилен диск се издигат, придърпвани от бобината, противопоставяйки се на пружината и отваряйки пилотния отвор.

Разликата в налягането от различни страни на клапана води до движението на течността в тръбопровода и докато напрежението е приложено към бобината на клапана, тръбопроводът не се блокира.

Когато електромагнитът е изключен, пружината вече не задържа нищо и клапанът се втурва надолу, блокирайки пилотния отвор. Тръбопроводът отново е затворен.

Реле на електромагнитен стартер на автомобил

Стартерният двигател е по същество мощен DC мотор, захранван от акумулатора на автомобила. В момента на стартиране на двигателя, зъбното колело на стартера (bendix) трябва бързо да се включи за известно време с маховика на коляновия вал и в същото време стартерният двигател се включва. Соленоидът тук е намотката на соленоида на стартера.

Релето на прибиращото устройство е монтирано на корпуса на стартера и когато се подава захранване към релейната бобина, се изтегля желязна сърцевина, свързана с механизъм, който премества зъбното колело напред. След стартиране на двигателя захранването се прекъсва от намотката на релето и предавката се връща обратно благодарение на пружината.

Соленоидна брава

В електромагнитните брави болтът се задвижва от силата на електромагнит. Такива брави се използват в системите за контрол на достъпа и в системите за шлюзови врати. Врата, оборудвана с такава брава, може да се отвори само през периода на валидност на управляващия сигнал. След отстраняване на този сигнал, затворената врата ще остане заключена, независимо дали е била отворена.

Предимствата на соленоидните брави включват техния дизайн — той е много по -прост от този на ключалките на двигателя, по -устойчив на износване. Както можете да видите, тук соленоидът отново е сдвоен с възвратна пружина.

Индуктор със соленоид чрез нагряване

За нагряване обикновено се използват соленоидни многооборотни индуктори. Намотката на индуктора е направена от водно охладена медна тръба или медна шина.

В средночестотни инсталации се използват еднослойни намотки, а в промишлени честотни намотки намотката може да бъде еднослойна или многослойна. Това се дължи на възможно намаляване на електрическите загуби в индуктора и с условията за съответствие на параметрите на натоварване и с параметрите на напрежението и коефициента на мощност на захранването. За да се осигури твърдостта на индуктивната намотка, нейната замазка най-често се използва между крайните азбесто-циментови плочи.

В съвременните инсталации индукционно втвърдяване и нагряване Соленоидите работят в режим на високочестотен променлив ток, така че обикновено не се нуждаят от феромагнитно ядро.

Соленоиден двигател

При соленоидните двигатели с една намотка включването и изключването на работната намотка води до механично движение на коляновия механизъм, а връщането отново се извършва от пружина, подобно на това, което се случва в електромагнитния клапан и в ключалката на соленоида.

В соленоидни двигатели с много намотки, редуващото се активиране на бобините се извършва с помощта на клапани.Към всяка бобина токът от източника на захранване се подава в един от полуциклите на синусоидалното напрежение. Сърцевината се привлича последователно от една или друга намотка, като прави възвратно -постъпателно движение, задвижвайки коляновия вал или колелото на въртене.

Соленоиди в експериментални съоръжения

Експериментални инсталации като детектора ATLAS, работещ на Големия адронен колайдер в ЦЕРН, използват мощни електромагнити, които включват и соленоиди. Провеждат се експерименти с физика на частиците, за да се открият градивните елементи на материята и да се изследват основните сили на природата, които поддържат нашата Вселена.

Бобини на Тесла

И накрая, ценителите на наследството на Никола Тесла винаги използват соленоиди за изграждане на бобини. Вторичната намотка на трансформатор на Tesla не е нищо повече от соленоид. И дължината на проводника в бобината се оказва много важна, защото строителите на бобините тук използват соленоиди не като електромагнити, а като вълноводи, като резонатори, в които, както във всяка колебателна верига, има не само индуктивност на проводника, но и капацитет, образуван в този случай от близко разположени до приятел на завои. Между другото, тороидът в горната част на вторичната намотка е проектиран да компенсира този разпределен капацитет.

Надяваме се, че нашата статия е била полезна за вас и сега знаете какво е соленоид и колко области на неговото приложение има в съвременния свят, защото не сме изброили всички тях.