Solenoidi — naprava, delovanje, uporaba

Ta članek se bo osredotočil na elektromagnete. Najprej bomo obravnavali teoretično stran te teme, nato pa praktično, kjer bomo opazili področja uporabe solenoidov v različnih načinih njihovega delovanja.

Solenoid je valjasta tuljava, katere dolžina je veliko večja od njegovega premera. Sama beseda solenoid je sestavljena iz kombinacije dveh besed - solen in eidos, od katerih prva pomeni cev, druga - podobno. To pomeni, da je solenoid tuljava v obliki cevi.

Solenoidi v širšem smislu so induktorji, naviti z žico na valjasti okvir, ki je lahko enoslojni ali večslojni ... Ker dolžina tuljave solenoida močno presega njegov premer, potem pri uporabi enosmernega toka skozi tako tuljavo se znotraj nje, v notranji votlini, tvori skoraj enakomerno magnetno polje.

Solenoidi se pogosto imenujejo nekateri aktuatorji na elektromehanskem principu delovanja, kot je elektromagnetni ventil avtomatskega menjalnika v avtomobilu ali povratni rele zaganjalnika.Praviloma feromagnetno jedro deluje kot umaknjeni del in sam solenoid opremljen z magnetnim jedrom na zunanji strani, tako imenovani feromagnetni jarem.

Če v zasnovi solenoida ni magnetnega materiala, potem ko enosmerni tok teče skozi žico, se vzdolž osi tuljave oblikuje magnetno polje, katerega indukcija je numerično enaka:

Kjer je N število ovojev v solenoidu, l je dolžina tuljave solenoida, I je tok v solenoidu, μ0 je magnetna prepustnost vakuuma.

Na koncih solenoida je magnetna indukcija polovica tiste znotraj njega, ker obe polovici solenoida na svojem stičišču enako prispevata k magnetnemu polju, ki ga ustvarja tok solenoida. To lahko rečemo za pol-neskončni solenoid ali za tuljavo, ki je dovolj dolga za premer okvirja. Magnetna indukcija na robovih bo enaka:

Ker je solenoid predvsem induktivna tuljava, tako kot katera koli tuljava z induktivnostjo, lahko solenoid shrani energijo v magnetnem polju, ki je številčno enako delu, ki ga opravi vir, da ustvari tok v tuljavi, ki ustvarja magnetno polje solenoida:

Sprememba toka v tuljavi bo povzročila pojav EMF samoindukcije, napetost na koncih žice elektromagnetne tuljave pa bo enaka:

Induktivnost solenoida bo enaka:

Kjer je V prostornina solenoida, z je dolžina žice v tuljavi solenoida, n je število ovojev na enoto dolžine solenoida, l je dolžina solenoida, μ0 je vakuumska magnetna prepustnost.

Ko skozi žico solenoida teče izmenični tok, bo tudi magnetno polje solenoida izmenično. Izmenični upor solenoida je kompleksne narave in vključuje aktivne in reaktivne komponente, ki jih določata induktivnost in aktivni upor tuljave.

Praktična uporaba solenoidov

Solenoidi se uporabljajo v številnih industrijskih in civilnih aplikacijah. Pogosto so linearni pogoni samo primer delovanja solenoida z enosmernim tokom. Preverite škarje v blagajnah, ventile motorja, vlečni rele zaganjalnika, hidravlične ventile itd. Pri izmeničnem toku solenoidi delujejo kot induktorji lončene peči.

Solenoidne tuljave so praviloma izdelane iz bakra, manj pogosto iz aluminijaste žice.V visokotehnoloških panogah se uporabljajo superprevodne tuljave. Jedra so lahko iz železa, litega železa, ferita ali drugih zlitin, pogosto v obliki snopa plošč ali pa jih sploh ni.

Glede na namen električnega stroja je jedro izdelano iz enega ali drugega materiala. Naprave, kot so dvižni elektromagneti, sortiranje semen, čiščenje premoga itd. Nato si bomo ogledali nekaj primerov uporabe solenoidov.

Linijski elektromagnetni ventil

Z dovajanjem napetosti na elektromagnetno tuljavo se kolut ventila z vzmetjo trdno pritisne na krmilno odprtino in vod se zapre. Ko na tuljavo ventila teče tok, se armatura in pripadajoča kolut ventila dvigneta, vlečena s tuljavo, nasprotuje vzmeti in odpre vodilno luknjo.

Razlika v tlaku na različnih straneh ventila povzroči premikanje tekočine v cevovodu in dokler je na tuljavo ventila napetost, cevovod ni blokiran.

Ko je solenoid izklopljen, vzmet ne zadržuje več ničesar in ventil hiti navzdol ter blokira vodilno luknjo. Plinovod je spet zaprt.

Avtomobilski elektromagnetni zaganjalnik

Zaganjalnik je v bistvu močan enosmerni motor, ki ga napaja avtomobilski akumulator. Ob zagonu motorja mora biti zaganjalnik (bendix) za nekaj časa hitro vpet z vztrajnikom ročične gredi, hkrati pa se vklopi zaganjalnik. Solenoid tukaj je tuljava elektromagneta zaganjalnika.

Navijalni rele je nameščen na ohišju zaganjalnika in ko je na tuljavo releja priključena moč, se povleče železno jedro, povezano z mehanizmom, ki premika zobnik naprej. Po zagonu motorja tuljava releja prekine napajanje in prestavo vrne nazaj zahvaljujoč vzmeti.

Elektromagnetna ključavnica

Pri elektromagnetnih ključavnicah zapah poganja sila elektromagneta. Takšne ključavnice se uporabljajo v sistemih za nadzor dostopa in sistemih zapornic. Vrata, ki so opremljena s tako ključavnico, se lahko odprejo le v času veljavnosti kontrolnega signala. Po odstranitvi tega signala ostanejo zaprta vrata zaklenjena, ne glede na to, ali so bila odprta.

Prednosti elektromagnetnih ključavnic vključujejo njihovo zasnovo - je veliko enostavnejša kot pri motornih ključavnicah, bolj odporna proti obrabi. Kot lahko vidite, je tukaj elektromagnet spet povezan s povratno vzmetjo.

Induktor s solenoidom s segrevanjem

Za ogrevanje se običajno uporabljajo elektromagnetne večobratne tuljave. Induktorska tuljava je izdelana iz vodno hlajene bakrene cevi ali bakrene zbiralke.

Pri srednjefrekvenčnih inštalacijah se uporabljajo enoslojna navitja, pri industrijskih frekvenčnih navitjih pa je navitje lahko enoslojno ali večslojno. To je posledica možnega zmanjšanja električnih izgub v induktorju in s pogoji skladnosti parametrov obremenitve ter s parametri napetosti in faktorjem moči napajalnika. Za zagotovitev togosti induktivne tuljave se njen kit najpogosteje uporablja med končnimi azbestno-cementnimi ploščami.

V sodobnih napravah indukcijsko kaljenje in ogrevanje Solenoidi delujejo v visokofrekvenčnem AC načinu, zato običajno ne potrebujejo feromagnetnega jedra.

Elektromagnetni motor

Pri elektromagnetnih motorjih z eno tuljavo vklop in izklop delovne tuljave povzroči mehansko premikanje ročičnega mehanizma, vrnitev pa izvede vzmet, podobno kot se zgodi pri elektromagnetnem ventilu in elektromagnetni ključavnici.

V elektromagnetnih motorjih z več navitji se izmenično aktiviranje tuljav izvaja s pomočjo ventilov.V vsako tuljavo se tok iz vira napajanja dovaja v enem od pol ciklov sinusne napetosti. Jedro zaporedoma privlači ena ali druga tuljava, pri čemer se vrti ročična gred ali kolo.

Solenoidi v eksperimentalnih napravah

Eksperimentalne naprave, kot je detektor ATLAS, ki deluje na velikem hadronskem trkalniku v CERN-u, uporabljajo močne elektromagnete, ki vključujejo tudi solenoide. Eksperimenti s fiziko delcev se izvajajo, da bi odkrili gradnike snovi in ​​raziskali temeljne sile narave, ki vzdržujejo naše vesolje.

Teslove tuljave

Končno, poznavalci zapuščine Nikole Tesle vedno uporabljajo solenoide za izdelavo tuljav. Sekundarno navitje Teslovega transformatorja ni nič drugega kot solenoid. In dolžina žice v tuljavi se izkaže za zelo pomembno, saj graditelji tuljav tu uporabljajo solenoide ne kot elektromagnete, ampak kot valovode, kot resonatorje, v katerih, kot v vsakem nihajnem krogu, ni le induktivnost žice, temveč tudi kapacitivnost, ki se v tem primeru oblikuje od tesno razporejenih do prijatelja na zavojih. Mimogrede, toroid na vrhu sekundarnega navitja je zasnovan tako, da kompenzira to porazdeljeno kapacitivnost.

Upamo, da vam je bil naš članek koristen in zdaj veste, kaj je solenoid in koliko področij njegove uporabe obstaja v sodobnem svetu, ker nismo našteli vseh.