Wat is een Solenoïde?

Een solenoïde is een spoel van draad die, wanneer geactiveerd, een magnetisch veld in zijn kern genereert. Wanneer er een elektrische stroom door de solenoïde loopt, creëert dit een magnetisch veld. Dit magnetische veld beweegt een ijzerhoudende anker, waardoor de stroom door een magneetventiel wordt toegestaan of geblokkeerd. Solenoïden worden vaak gebruikt in verschillende toepassingen, zoals het regelen van vloeistofstroom in hydraulische en pneumatische systemen. Dit artikel beschrijft de bouwvorm van een solenoïde en hoe deze functioneert binnen de bouwvorm van een magneetventiel.

Inhoudsopgave

• Bouwvorm en functie van solenoïde
• Formule voor het magnetische veld van een solenoïde
• Formule voor de kracht van een solenoïde
• Weerstand van solenoïdespoel versus temperatuur
• Krachtenevenwicht van magneetventiel
• Toepassingen van solenoïdespoelen
• Veelgestelde vragen

Bouwvorm en functie van solenoïde

Zoals te zien in Figuur 2, zijn de onderdelen van een solenoïde de volgende:

• Spoel (A): Een koperdraad strak gewikkeld rond de stationaire kern.
• Stationaire kern (B): Een ferromagnetische cilinder
• Schaduwring (C): Een schaduwring, of schaduwspoel, is een enkele winding of een paar windingen van een elektrische geleider (koper of aluminium). De schaduwring creëert een faseverschuiving in het magnetische veld, wat helpt om geluid en trillingen te verminderen door een soepelere werking van het elektromagnetische apparaat te garanderen.
• Veer (D): Een veer die het anker terugbrengt naar zijn normale positie wanneer de spoel niet geactiveerd is.
• Anker (E): Deel van de stationaire kern dat beweegt wanneer de spoel geactiveerd wordt, ook wel de solenoïdeplunjer genoemd.

Waarom zit er een veer in een solenoïde?

De veer van het magneetventiel dient verschillende belangrijke functies:

• Terugkeermechanisme: De veer beweegt het ventiel naar zijn standaardpositie wanneer de solenoïde uitgeschakeld is. Met een veer zal het ventiel sluiten of openen, afhankelijk van de standaardpositie, wanneer de elektrische stroom wordt uitgeschakeld.
• Stabiliteit en controle: Een geactiveerde solenoïde creëert een elektromagnetische kracht. De veer zorgt voor stabiliteit en controle van de prestaties van het ventiel.
• Fail-safe werking: De veer zorgt ervoor dat het magneetventiel de veiligheid kan handhaven door te sluiten of te openen wanneer er geen stroom wordt geleverd.

Hoe werkt een solenoïde?

Een magnetisch veld wordt gegenereerd wanneer stroom in een solenoïde door de spoel stroomt. De sterkte van het veld is direct evenredig met de stroom, het aantal windingen en de permeabiliteit van het ferromagnetische materiaal van de stationaire kern. De kern fungeert als een gesloten pad dat het magnetische veld beperkt.

De norm is dat het magnetische veld het anker omhoog trekt. Als echter de zijde van het anker dicht bij de stationaire kern is verlengd, duwt het magnetische veld het anker naar beneden. In beide scenario's wordt een veer samengedrukt. Het anker blijft in de positie zolang het veld aanwezig blijft. Wanneer het veld verdwijnt, brengt de veer het anker terug naar zijn oorspronkelijke positie.

Ten slotte biedt de afschermring een pad met lage impedantie voor een hoogspanningspiek die wordt gegenereerd wanneer het magnetische veld verdwijnt. Dit vermindert de omvang en duur van de spanningspiek, wat het circuit beschermt.

Om het volledige werkingsprincipe van magneetventielen te begrijpen, lees ons overzichtsartikel over magneetventielen.

DC vs AC magneetspoel

Het bovenstaande gedeelte legt uit hoe een DC-magneetventiel werkt. DC die door een magneetspoel stroomt, creëert een sterke magnetische kracht om de veerkracht te overwinnen, waardoor de anker in de spoel wordt getild. Wanneer de spoel wordt uitgeschakeld, duwt de veer de anker weer naar beneden.

AC-spoelen zijn complexer omdat AC van polariteit wisselt. De stroom is twee keer per periode nul, waardoor de magnetische kracht nul wordt. Omdat de veerkracht constant de anker naar beneden duwt, trilt de anker, wat een zoemend geluid veroorzaakt en de componenten belast. Om dit probleem op te lossen, slaat een koperen afschermring rond de anker een deel van de magnetische energie op, waardoor de trilling vermindert.

Wanneer de magnetische kracht de veerkracht overwint en de anker volledig is opgetild, kan de stroom door de spoel worden verminderd om energie te besparen. DC reageert langzamer dan AC omdat DC een constante, onveranderende stroom levert, waardoor het langer duurt om magnetische velden op te bouwen en te verminderen. AC daarentegen verandert snel van richting, waardoor het magnetische velden sneller en efficiënter kan aanpassen, wat AC-spoelen energie-efficiënter maakt. Lees ons vergelijkingsartikel om meer te leren over de voor- en nadelen van werken met DC- of AC-magneetventielen.

Formule voor het magnetische veld van een magneetspoel

Het magnetische veld van een magneetspoel hangt af van het aantal windingen per lengte-eenheid, de sterkte van de stroom door de spoel en de permeabiliteit van het materiaal van de magneetspoel. De formule voor het meten van de sterkte van het veld is:

Waarbij:

• B: de magnetische fluxdichtheid
• μ₀: De permeabiliteitsconstante die 12,57 x 10^-7 Hm^-1 is
• I: De stroom die door de spoel loopt
• N: Het aantal windingen
• L: De lengte van de spoel

Formule voor de kracht van een magneetspoel

De elektromagnetische kracht van een magneetspoel kan worden berekend met de volgende formule:

Waarbij:

• F: kracht van de magneetspoel
• N: het aantal windingen van de spoel
• I: stroom (ampère)
• μ₀: permeabiliteit van vrije ruimte (ongeveer 4𝜋 x 10^-7 Tm/A)
• A: dwarsdoorsnede van de magneetspoel
• g: lengte van de opening tussen spoel en ijzer

Weerstand van magneetspoel vs temperatuur

De relatie tussen de temperatuur van de magneetspoel en de weerstand van de magneetspoel is een cruciale factor in de prestaties en betrouwbaarheid van magneetactuatoren en -ventielen. Naarmate de temperatuur van een magneetspoel stijgt, neemt ook de weerstand van de magneetspoel toe. Deze relatie is voornamelijk te wijten aan de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand van het geleidende materiaal, meestal koper, dat in de spoelwindingen wordt gebruikt.

Naarmate de weerstand van de spoel toeneemt, neemt de stroom door de spoel af voor een gegeven aangelegde spanning, volgens de wet van Ohm (V = IR). Een vermindering van de stroom leidt tot een afname van de magnetische kracht die door de solenoïde wordt gegenereerd, wat een functie is van de ampère-windingen (NI) die door de spoel worden geleverd. Als gevolg hiervan neemt de actuatorkracht van de solenoïde af, wat mogelijk de prestaties van de solenoïde-actuator of het magneetventiel beïnvloedt.

Weerstand en temperatuurformule

Wanneer een solenoïde wordt bekrachtigd, wordt elektrische energie omgezet in warmte als gevolg van de vermogensdissipatie in de spoel, die evenredig is met het kwadraat van de stroom (I²R). Dit zelfverwarmingseffect, in combinatie met de omgevingstemperatuur en de thermische weerstand tussen de spoel en zijn omgeving, verhoogt de temperatuur van de spoel.

De weerstand van een solenoïdespoel (R(T)) bij een bepaalde temperatuur (T) kan worden beschreven door de weerstandsformule van een solenoïde:

Waarbij:

• R(T): de weerstand bij temperatuur T
• R₂₅: de weerstand bij 25 °C
• ⍺: de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand voor koper (ongeveer 0,0039 per graad Celsius)
• T: de temperatuur in graden Celsius

Voorbeeld

Een solenoïdespoel met een weerstand van 10 ohm bij 25 °C zal toenemen tot ongeveer 13,9 ohm bij 125 °C. Deze toename van 39% in weerstand over een temperatuurstijging van 100 °C illustreert de aanzienlijke impact die temperatuur kan hebben op de spoelweerstand.

Praktische toepassingen

In praktische toepassingen moet rekening worden gehouden met de thermische omgeving van de solenoïde en de inschakelduur. Continue toepassingen, waarbij de solenoïde gedurende langere perioden wordt bekrachtigd, kunnen leiden tot aanzienlijke temperatuurstijgingen en verhoogde weerstand. Magneetventielen kunnen worden beoordeeld voor 100% inschakelduur voor toepassingen die gedurende langere perioden werken, maar deze kunnen nog steeds niet onbeperkt worden gebruikt. Intermitterende toepassingen met gespecificeerde aan- en uit-tijden laten de solenoïde tussen de cycli afkoelen, waardoor de temperatuurstijging en de effecten ervan op de weerstand worden beperkt.

Hogetemperatuursolenoïden

Hogetemperatuursolenoïden zijn specifiek ontworpen om te functioneren in omgevingen waar standaard solenoïden zouden falen door overmatige hitte. Deze solenoïden maken gebruik van materialen met een hogere thermische weerstand en bevatten vaak geavanceerde koelmechanismen om verhoogde temperaturen te beheersen.

Hogetemperatuursolenoïden kunnen bijvoorbeeld ontworpen zijn om te voldoen aan thermische klassen zoals Klasse H, waardoor hogere bedrijfstemperaturen mogelijk zijn zonder de prestaties in gevaar te brengen. Dit maakt ze geschikt voor toepassingen in zware thermische omgevingen, waarbij betrouwbare werking zelfs onder extreme omstandigheden wordt gegarandeerd.

Testen

Om optimale prestaties te garanderen, meet de spoelweerstand na een periode van gebruik en vergelijk deze met de weerstand bij kamertemperatuur. Deze vergelijking kan helpen bij het schatten van de bedrijfstemperatuur van de spoel en bepalen of deze binnen aanvaardbare grenzen valt voor de bouwvorm en toepassing van de solenoïde.

Weerstand van AC-magneetspoel

Voor AC-magneetspoelen wordt de totale weerstand tegen stroomstroom niet alleen veroorzaakt door weerstand, maar ook door inductieve reactantie. De impedantie (Z) van een AC-spoel wordt gegeven door:

Waarbij:

• R: de weerstand van de spoel
• X_L: de inductieve reactantie, die wordt gegeven door X_L = 2𝜋fL
• f: de frequentie van de AC-voeding
• L: de inductantie van de spoel

Temperatuureffecten op AC-spoelen

Terwijl de weerstand (R) van de spoel toeneemt met de temperatuur, is de inductieve reactantie (X_L) voornamelijk een functie van de inductantie van de spoel en de frequentie van de AC-voeding, en verandert deze niet significant met de temperatuur. De algehele impedantie (Z) zal echter nog steeds worden beïnvloed door de toename van de weerstand als gevolg van temperatuur.

Praktische implicaties

• Stroomvermindering: Naarmate de weerstand van de AC-magneetspoel toeneemt met de temperatuur, neemt de algehele impedantie toe, wat leidt tot een vermindering van de stroom door de spoel. Omdat de inductieve reactantie echter doorgaans veel groter is dan de weerstand, wordt het effect van temperatuur op de algehele impedantie enigszins verminderd in vergelijking met een DC-spoel.
• Magnetische kracht: De magnetische kracht die door een AC-magneetspoel wordt gegenereerd, is ook een functie van de stroom en het aantal windingen in de spoel. Naarmate de stroom afneemt door verhoogde weerstand, zal de magnetische kracht afnemen, vergelijkbaar met het gedrag in DC-magneten.
• Opwarming en afkoeling: AC-magneten kunnen ook opwarming ervaren door wervelstromen en hystereseverliezen in de magnetische kern, naast de I²R-verliezen in de spoel. Deze extra verwarmingsmechanismen kunnen bijdragen aan de algehele temperatuurstijging van de magneet.

Krachtenevenwicht magneetventiel

Het basisprincipe van een magneetventiel is een krachtenevenwicht van de magnetische kracht van de magneet aan de ene kant, en de druk van het medium en de kracht van de veer aan de andere kant. Bereken de vereiste magnetische kracht voor een direct werkend magneetventiel met de volgende formule:

Waarbij:

• F_s: magneetkracht (N)
• p: druk (Pa) (10⁵ Pa = 1 bar)
• A: doorlaat (m²)
• F_spring: veerkracht (N)

Voorbeeld

Een gegeven magneet levert een kracht van 15N. Om deze magneet te gebruiken voor het regelen van een verschildruk van 10 bar, kan de maximale doorlaatdiameter worden berekend.

Deze formule kan niet worden gebruikt voor indirect bediende kleppen. Indirect bediende magneetventielen hebben een kleinere opening en gebruiken de druk van het medium om te schakelen.

Toepassingen van solenoïdespoelen

• Vergrendelingstoepassingen: Het magnetische veld trekt de plunjer in de solenoïde aan, waardoor deze beweegt en het mechanisme op zijn plaats vergrendelt. Een veer duwt de plunjer terug wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, waardoor de vergrendeling wordt opgeheven. Solenoïdes kunnen worden gebruikt in verschillende vergrendelingstoepassingen, waaronder deuren, verkoopautomaten, toegangsbarrières en vele andere beveiligingsapparaten.
• Automotive toepassingen: Solenoïdes worden gebruikt in verschillende voertuigtoepassingen, waaronder het schakelen van de transmissie, het starten van de motor, het bedienen van brandstofinjectiesystemen, het vergrendelen van deuren en het bedienen van kleppen.
• Medische toepassingen: Solenoïdes worden gebruikt in medische toepassingen om vloeistofstroom te regelen, kleppen in medische gassystemen te reguleren, pompen en doseerapparaten te bedienen en de beweging van medische apparatuur te controleren.
• Spoorwegtoepassingen: In de spoorwegindustrie worden solenoïdes gebruikt om wissels en seinen te bedienen, remmen te controleren, deuren en ramen te bedienen, en in dieselmotoren voor brandstofinjectie en uitlaatgasrecirculatie.
• Industriële toepassingen: Solenoïdes worden in industriële toepassingen gebruikt om kleppen te bedienen, pneumatische en hydraulische systemen te bedienen, koppelingen en remmen te activeren, de beweging van apparatuur te controleren, en in automatisering, robotica en productieprocessen. Een actuator van een solenoïde is meestal een solenoïde met een ferromagnetische kern.

Veelgestelde vragen

Wat is een magneetventielspoel?

Een solenoïdespoel is een strak gewikkelde draad die een magnetisch veld produceert wanneer er elektriciteit doorheen stroomt en wordt gebruikt om voorwerpen te verplaatsen, elektriciteit op te wekken of een solenoïde-actuator te activeren.

Zijn solenoïdes AC of DC?

Solenoïdes zetten AC of DC om in lineaire beweging.

Hoeveel weerstand moet een solenoïde hebben?

De weerstand van een solenoïde varieert per bouwvorm en toepassing, meestal variërend van enkele ohm tot enkele honderden ohm. Controleer de specificaties van de fabrikant voor de exacte vereiste weerstand.

Wat is solenoïdeweerstand?

Solenoïdeweerstand is de weerstand die een solenoïdespoel biedt tegen de stroom van elektrische stroom, gemeten in ohm.

Hoeveel weerstand moet een solenoïde hebben?

De weerstand van een solenoïde varieert afhankelijk van de bouwvorm, maar ligt meestal tussen enkele ohm en enkele honderden ohm.

Wat beïnvloedt de weerstand van een solenoïdespoel?

De weerstand van een solenoïdespoel wordt beïnvloed door de draadlengte, draaddikte, spoeltemperatuur en het materiaal van de draad.

Hoe beïnvloedt temperatuur de solenoïdeweerstand?

Solenoïdeweerstand neemt toe met de temperatuur vanwege de positieve temperatuurcoëfficiënt van het draadmateriaal, meestal koper.