Соленоид (инжиниринг)

В технике соленоид — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию с помощью электромагнита, сформированного из катушки с проводом . Устройство создает магнитное поле. ^[1] от электрического тока и использует магнитное поле для создания линейного движения. ^[2]^[3]^[4]

В электромагнитной технике соленоид представляет собой исполнительный механизм со скользящим ферромагнитным плунжером внутри катушки. Без питания плунжер на часть своей длины выступает за пределы катушки; при приложении силы плунжер втягивается в катушку. Электромагниты с фиксированными сердечниками не считаются соленоидами.

Проще говоря, соленоид преобразует электрическую энергию в механическую работу . Обычно он имеет многовитковую катушку из магнитной проволоки, окруженную рамкой, которая также является носителем магнитного потока для повышения ее эффективности. В технике этот термин может также относиться к множеству преобразовательных устройств, которые преобразуют энергию в линейное движение, более сложное, чем простые двухпозиционные приводы. ^[5]

Термин «соленоид» также часто относится к электромагнитному клапану , интегрированному устройству, содержащему электромеханический соленоид, который приводит в действие либо пневматический , либо гидравлический клапан, или электромагнитному переключателю, определенному типу реле , которое использует внутренний электромеханический соленоид для управления электрическим переключателем. ; например, автомобильный соленоид стартера или линейный соленоид. Соленоидный болт — это тип электромеханического запорного механизма.

Приложения

Электромеханический соленоид

Электромеханические соленоиды состоят из электромагнитно-индуктивной катушки, намотанной на подвижный стальной или железный стержень (называемый якорем ). Катушка имеет такую форму, что якорь можно перемещать внутрь и наружу пространства в центре катушки, изменяя индуктивность катушки и тем самым становясь электромагнитом . Движение якоря используется для придания механической силы какому-либо механизму, например, управлению электромагнитным клапаном . Несмотря на то, что соленоиды обычно слабы на любых расстояниях, кроме очень коротких, они могут управляться напрямую с помощью схемы контроллера и, таким образом, имеют очень быстрое время реакции.

Сила, приложенная к якорю, пропорциональна изменению индуктивности катушки относительно изменения положения якоря и тока, протекающего через катушку (см. закон индукции Фарадея ). Сила, приложенная к якорю, всегда будет перемещать якорь в направлении, которое увеличивает индуктивность катушки.

Электромеханические соленоиды обычно встречаются в электронных пейнтбольных маркерах , автоматах для игры в пинбол , матричных принтерах и топливных форсунках . В некоторых жилых дверных звонках используются электромеханические соленоиды, при этом электризация катушки заставляет якорь ударять по металлическим перезвонам. ^[6]

Толкайте и тяните соленоиды

Соленоиды толкающего и тянущего действия являются обычными элементами каталога, обычно имеют трубчатую конструкцию. Они состоят из шпульной катушки, стального плунжера, цилиндрического корпуса и концевых частей, одна из которых является полюсом статора. Каждый тип аналогичен другому по конструкции, за исключением того, что тянущий тип имеет средства для прикрепления к плунжеру и притягивает прикрепленный груз к соленоиду. Нажимной тип имеет нажимной штифт, выступающий из соленоида и отталкивающий нагрузку от соленоида. Магнитно они одинаковы; т.е. внутри магнитное поле притягивает плунжер к полюсному наконечнику статора. Большинство соленоидов не используют магнитное отталкивание между магнитным полюсом и плунжером для толкания, за исключением редких случаев. Некоторые типы постоянных магнитов работают за счет одновременного притяжения и отталкивания плунжера в одном и том же направлении для срабатывания (и являются двунаправленными за счет изменения электрической полярности катушки). Обычные соленоиды толкающего или тянущего действия движутся в одном направлении только при подаче питания. Для перемещения плунжера в обесточенное положение требуется пружина или другое средство. В других конструкциях используется C- или D-образная рама из гнутой плоской стали, и катушка может быть видна. Эффективность этих типов обусловлена их стальным внешним каркасом, который окружает магнитный поток вокруг катушки (встык) и фокусирует поток в воздушном зазоре между плунжером и полюсом статора.

Пропорциональный соленоид

В эту категорию соленоидов входят магнитные цепи уникальной конструкции, которые обеспечивают аналоговое позиционирование плунжера или якоря соленоида в зависимости от тока катушки. Эти соленоиды, как осевые, так и вращательные, имеют геометрию, несущую поток, которая одновременно создает высокую пусковую силу (крутящий момент) и имеет секцию, которая быстро начинает магнитно насыщаться. Результирующий профиль силы (крутящего момента) по мере прохождения соленоидом рабочего хода почти плоский или снижается от высокого значения к более низкому. Соленоид может быть полезен для позиционирования, остановки в середине хода или для срабатывания на низкой скорости; особенно в системе управления с замкнутым контуром. Однонаправленный соленоид будет срабатывать против противодействующей силы, а система с двумя соленоидами будет работать автоматически. Концепция пропорциональности более подробно описана в публикации SAE 860759 (1986).

Фокусировка магнитного поля и сопутствующее измерение потока, как показано в документе SAE, необходимы для создания высокой пусковой силы в начале хода соленоида и для поддержания уровня или снижения силы по мере того, как соленоид движется в диапазоне своего смещения. Это совершенно противоположно тому, что происходит с обычными соленоидами с уменьшающимся воздушным зазором. Фокусировка магнитного поля на рабочем воздушном зазоре изначально приводит к высокой МДС (ампер-виток) и относительно низкому уровню магнитного потока через воздушный зазор. Это высокое произведение МДС на поток (считываемая энергия) создает высокую пусковую силу. По мере увеличения плунжера (ds) энергия движения F∙ds извлекается из энергии воздушного зазора. Вследствие приращения движения плунжера проницаемость воздушного зазора немного увеличивается, магнитный поток увеличивается, ммс в воздушном зазоре немного уменьшается; все это приводит к поддержанию высокого произведения ммс х поток. Из-за повышенного уровня магнитного потока увеличение падения ампер-витков в других частях металлической цепи (преимущественно в геометрии полюса) приводит к уменьшению ампер-витков воздушного зазора и, следовательно, к уменьшению потенциальной энергии поля в воздушном зазоре. Дальнейшее перемещение плунжера вызывает постоянное уменьшение силы соленоида, создавая тем самым идеальные условия для управления движением, контролируемого током, подаваемым на катушку соленоида. Вышеупомянутая геометрия полюса, имеющая линейно изменяющуюся площадь пути, обеспечивает почти линейное изменение силы. Противоположная сила пружины или двусторонний соленоид (две катушки) позволяют контролировать движение вперед и назад. Управление с обратной связью улучшает линейность и жесткость системы.

Поворотный соленоид

Поворотный соленоид представляет собой электромеханическое устройство, используемое для вращения храпового механизма при подаче питания. Они использовались в 1950-х годах для автоматизации поворотных переключателей в электромеханических системах управления. Повторное нажатие поворотного соленоида перемещает переключатель на одно положение вперед. Два поворотных привода на противоположных концах вала поворотного мгновенного переключателя могут перемещать или менять положение переключателя.

Поворотный соленоид имеет внешний вид, похожий на линейный соленоид, за исключением того, что сердечник якоря установлен в центре большого плоского диска с тремя наклонными дорожками качения, отчеканенными на нижней стороне диска. Эти канавки совпадают с дорожками качения на корпусе соленоида, разделенными шарикоподшипниками в дорожках качения.

Когда соленоид активируется, сердечник якоря магнитно притягивается к полюсу статора, и диск вращается на шарикоподшипниках в дорожках качения по мере продвижения к корпусу катушки. При отключении питания пружина на диске поворачивает его обратно в исходное положение как вращательно, так и в осевом направлении.

Поворотный соленоид был изобретен в 1944 году Джорджем Х. Леландом из Дейтона, штат Огайо, чтобы обеспечить более надежный и устойчивый к ударам и вибрации механизм сброса бомб, сбрасываемых с воздуха. Ранее использовавшиеся линейные (осевые) соленоиды были склонны к непреднамеренному срабатыванию. Патент США № 2496880 описывает электромагнит и наклонные дорожки качения, которые лежат в основе изобретения. Инженер Леланда, Эрл В. Керман, сыграл важную роль в разработке совместимой скобы для сброса бомбы, включающей поворотный соленоид. Оковы для бомб этого типа найдены в фюзеляже самолета B-29, выставленном в Национальном музее ВВС США в Дейтоне, штат Огайо. Это была версия соленоида Леланда диаметром 1 дюйм, которая служила затвором камеры во время пролета корабля «Маринер-4» над Марсом в июле 1965 года. Соленоиды этого типа продолжают использоваться в бесчисленных современных приложениях и до сих пор производятся по оригинальному патенту Леланда. бренд «Ledex», ныне принадлежащий Johnson Electric .

Появившись на рынке в 1980-х годах, единственный вращающийся соленоид со сбалансированным трехлопастным ротором с железными лопастями обеспечил улучшенную виброизоляцию за счет устранения осевого движения ротора . Это устройство обеспечивало пропорциональное, бесшумное позиционирование, а также быстрое вращение для таких целей, как сортировщики почты и конвейерные ворота. Затем последовала версия ротора с постоянными магнитами (патент США 5,337,030; 1994 г.), которая обеспечивала быстрое электрическое двунаправленное вращение.

Вращающаяся звуковая катушка

Вращающаяся звуковая катушка — это вращающаяся версия соленоида. Обычно фиксированный магнит находится снаружи, а часть катушки движется по дуге, управляемой током, протекающим через катушки. Вращающиеся звуковые катушки широко используются в таких устройствах, как дисководы . ^{[ нужна ссылка ]} Рабочая часть измерителя с подвижной катушкой также представляет собой тип вращающейся звуковой катушки, которая вращается вокруг оси указателя. Волосковая пружина обычно используется для обеспечения слабой, почти линейной восстанавливающей силы.

Пневматический электромагнитный клапан

Пневматический электромагнитный клапан — это переключатель для подачи воздуха к любому пневматическому устройству, обычно к приводу , позволяющий относительно небольшому сигналу управлять большим устройством. Это также интерфейс между электронными контроллерами и пневматическими системами. ^{[ нужна ссылка ]}

Гидравлический электромагнитный клапан

Гидравлические электромагнитные клапаны в целом аналогичны пневматическим электромагнитным клапанам, за исключением того, что они контролируют поток гидравлической жидкости (масла), часто при давлении около 3000 фунтов на квадратный дюйм (210 бар, 21 МПа, 21 МН/м). ²). В гидравлическом оборудовании используются соленоиды для управления потоком масла к гидроцилиндрам или приводам. Клапаны с электромагнитным управлением часто используются в ирригационных системах, где относительно слабый соленоид открывает и закрывает небольшой пилотный клапан, который, в свою очередь, активирует главный клапан, подавая давление жидкости на поршень или диафрагму, механически соединенную с главным клапаном. Соленоиды также используются в повседневных предметах домашнего обихода, таких как стиральные машины, для контроля потока и количества воды в барабане.

Соленоиды трансмиссии контролируют поток жидкости через автоматическую коробку передач и обычно устанавливаются в корпусе клапана трансмиссии.

Электромагнит стартера автомобиля

В легковом или грузовом автомобиле соленоид стартера является частью системы зажигания автомобильного двигателя. Соленоид стартера получает большой электрический ток от автомобильного аккумулятора и небольшой электрический ток от замка зажигания . Когда зажигание включено (т.е. когда ключ поворачивается для запуска автомобиля), небольшой электрический ток заставляет соленоид стартера замкнуть пару тяжелых контактов, передавая тем самым большой электрический ток на стартер . Это тип реле .

Соленоиды стартера также могут быть встроены в сам стартер и часто видны снаружи стартера. Если соленоид стартера получает недостаточную мощность от аккумулятора, он не сможет запустить двигатель и может издавать быстрый характерный «щелкающий» или «щелкающий» звук. Это может быть вызвано низким или разряженным аккумулятором, коррозией или ослаблением соединений с аккумулятором, а также поломкой или повреждением положительного (красного) кабеля аккумулятора. Любое из этих действий приведет к подаче на соленоид некоторой мощности, но недостаточной, чтобы удерживать тяжелые контакты закрытыми, поэтому сам стартер никогда не вращается, и двигатель не запускается.

См. также

Ссылки

^ Каллихан, Э.Э. (1960), Магнитное поле конечного соленоида (PDF) , НАСА , получено 15 февраля 2024 г.
^ «Как работает соленоид?» .
^ «Соленоид 101: Что такое соленоид?» .
^ Сон, Чан-Ву (2015). «Проектирование электромагнитного привода с магнитным плунжером для миниатюрных сегментных роботов» . Прикладная наука . 5 (3): 595–607 . Проверено 17 апреля 2024 г.
^ «Соленоид 101: Что такое соленоид?» .
^ «Как заставить дверь звонить» . Популярная наука . № Март 1975 г. Март 1975 г. с. 117. Архивировано из оригинала 14 мая 2018 года . Проверено 29 ноября 2017 г.

Внешние ссылки

Основы соленоидов для робототехники

Расчеты соленоидной силы: https://www.keepandshare.com/doc18/25385/solenoidMagnetics-pdf-713k?da=y§

[1] Каллихан, Э.Э. (1960), Магнитное поле конечного соленоида (PDF) , НАСА , получено 15 февраля 2024 г.

[2] «Как работает соленоид?» .

[3] «Соленоид 101: Что такое соленоид?» .

[4] Сон, Чан-Ву (2015). «Проектирование электромагнитного привода с магнитным плунжером для миниатюрных сегментных роботов» . Прикладная наука . 5 (3): 595–607 . Проверено 17 апреля 2024 г.

[5] «Соленоид 101: Что такое соленоид?» .

[6] «Как заставить дверь звонить» . Популярная наука . № Март 1975 г. Март 1975 г. с. 117. Архивировано из оригинала 14 мая 2018 года . Проверено 29 ноября 2017 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]