Inzicht in magneetventiel ontwerp en functie

Een magneetventiel is een spoel van draad die, wanneer geactiveerd, een magnetisch veld in zijn kern genereert. Dit elektromechanische apparaat kenmerkt zich door elektromagnetische lineaire aandrijving wanneer het wordt blootgesteld aan een elektrische stroom. Dit magnetische veld beweegt een ijzeren anker, waardoor de stroming door een magneetventiel wordt toegestaan of geblokkeerd. Magneetventielen worden vaak gebruikt in verschillende toepassingen, zoals het regelen van vloeistofstroming in hydraulische en pneumatische systemen. Dit artikel beschrijft de bouwvorm van een magneetventiel en hoe het functioneert.

Inhoudsopgave

• Magneetventiel bouwvorm
• Hoe werkt een magneetventiel
• Formule voor het magnetische veld van een magneetventiel
• Weerstand van magneetventielspoel vs temperatuur
• Krachtenevenwicht magneetventiel
• Toepassingen van magneetspoelen
• Veelgestelde vragen

Magneetventiel bouwvorm

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

• Spoel (A): Een koperdraad strak gewikkeld rond de vaste kern.
• Vaste kern (B): Een ferromagnetische cilinder
• Schaduwring (C): Een schaduwring, of schaduwspoel, is een enkele winding of enkele 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 verzekeren.
• Veer (D): Een RVS veer die het anker terugbrengt naar zijn normale positie wanneer de spoel wordt uitgeschakeld.
• Anker (E): Deel van de vaste kern dat beweegt wanneer de spoel wordt geactiveerd, ook wel de magneetventielplunjer genoemd.

Hoe werkt een magneetventiel

Een magnetisch veld wordt gegenereerd wanneer stroom in een magneetventiel 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 vaste kern. De kern werkt als een magnetisch circuit voor het magnetische veld. Met andere woorden, de kern fungeert als een gesloten pad dat het magnetische veld beperkt.

Het magnetische veld induceert een kracht op het anker die het ofwel omhoog trekt of omlaag duwt. De norm is om het anker omhoog te trekken, maar het verlengen van de zijde van het anker dicht bij de vaste kern met een duwstang resulteert in het omlaag duwen van het anker door het veld. 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 schaduwring 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.

DC vs AC magneetspoelen

Er zijn voor- en nadelen aan het werken met DC of AC magneetventielen. Een DC magneetventiel werkt zoals hierboven uitgelegd. DC-stroom die door een magneetventiel stroomt, creëert een magnetische kracht die sterk genoeg is om de veerkracht te overwinnen, waardoor het anker in de spoel wordt getild. Wanneer de spoel wordt uitgeschakeld, duwt de veer het anker weer naar beneden.

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

Wanneer de magnetische kracht de veerkracht overwint en het 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. Daarentegen verandert AC snel van richting, waardoor het magnetische velden sneller en efficiënter kan aanpassen, wat AC-spoelen energie-efficiënter maakt.

Formule voor het magnetische veld van een magneetventiel

Het magnetische veld van een magneetventielspoel hangt af van het aantal windingen per lengte-eenheid, de sterkte van de stroom door de spoel en de permeabiliteit van het magneetventielmateriaal. 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

Weerstand van solenoïdespoel versus temperatuur

De relatie tussen de temperatuur van een solenoïde en de weerstand van een solenoïde is een cruciale factor in de prestaties en betrouwbaarheid van solenoïde-actuatoren en -kleppen. Naarmate de temperatuur van een solenoïdespoel stijgt, neemt ook de weerstand van de solenoïde 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.

Formule voor weerstand en temperatuur

Wanneer een solenoïde wordt bekrachtigd, wordt elektrische energie omgezet in warmte door 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, leidt tot een stijging van de temperatuur van de spoel.

De weerstand van een solenoïdespoel ( R(T) ) bij een bepaalde temperatuur ( T ) kan worden beschreven door de formule voor de weerstand 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 zijn weerstand zien 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.

Stroomvermindering

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). Deze vermindering van de stroom leidt tot een afname van de magnetische kracht die door de solenoïde wordt gegenereerd, die een functie is van de ampère-windingen (NI) die door de spoel worden geleverd. Bijgevolg neemt de actuatorkracht van de solenoïde af, wat mogelijk de prestaties van de solenoïde-actuator of -klep beïnvloedt.

Praktische toepassingen

In praktische toepassingen is het essentieel om rekening te houden met de thermische omgeving en de inschakelduur van de solenoïde. Toepassingen met continue werking, waarbij de solenoïde gedurende langere perioden wordt bekrachtigd, kunnen leiden tot aanzienlijke temperatuurstijgingen en verhoogde weerstand. Toepassingen met intermitterende werking, 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 werken 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, die hogere bedrijfstemperaturen mogelijk maakt zonder de prestaties in gevaar te brengen. Dit maakt ze geschikt voor toepassingen in zware thermische omgevingen, waarbij een 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 het ontwerp en de toepassing van de solenoïde.

Weerstand van AC-solenoïdespoel

Voor AC-solenoïdespoelen is de totale weerstand tegen stroomstroom niet alleen te wijten aan weerstand, maar ook aan 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 de temperatuur.

Praktische implicaties

• Stroomvermindering: Naarmate de weerstand van de AC-solenoïdespoel toeneemt met de temperatuur, neemt de algehele impedantie toe, wat leidt tot een vermindering van de stroom die door de spoel vloeit. Omdat de inductieve reactantie echter meestal 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-solenoïde 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-solenoïden.
• Verwarming en koeling: AC-solenoïden kunnen ook verwarming 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 solenoïde.

Krachtenbalans magneetventiel

Het basisprincipe van een magneetventiel is een krachtenbalans van de magnetische kracht van de solenoïde 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: solenoïdekracht (N)
• p: druk (Pa) (10⁵ Pa = 1 bar)
• A: doorlaat (m²)
• F_spring: veerkracht (N)

Voorbeeld

Een gegeven solenoïde levert een kracht van 15N. Om deze solenoïde 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 werkende ventielen. Indirect werkende magneetventielen hebben een kleinere doorlaat 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 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 vloeistofstromen 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 magneetventielspoelspoel?

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 ontwerp 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 het ontwerp, 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 weerstand van een solenoïde?

De weerstand van een solenoïde neemt toe met de temperatuur vanwege de positieve temperatuurcoëfficiënt van het draadmateriaal, meestal koper.