Ontwerp en Functie van Solenoïden Begrijpen
![Spoelen](https://storage.tameson.com/asset/Articles/general/solenoid-coils-main.jpg)
Figuur 1: Spoelen
Een solenoïde is een elektromechanisch apparaat dat elektromagnetische lineaire bediening biedt wanneer het wordt onderworpen aan een elektrische stroom. Het apparaat is een draadspoel die, onder spanning, een magnetisch veld opwekt in de kern. Het magnetische veld beweegt een plunjer voor verschillende toepassingen, waaronder vergrendeling, industrie, auto's en medische toepassingen. Dit artikel beschrijft het ontwerp van een solenoïde en de werking ervan.
Inhoudsopgave
- Solenoïde ontwerp
- Hoe werkt een solenoïde
- Magnetisch veld van een solenoïde formule
- Spoel toepassingen
- FAQs
Klaar om een klep te kopen? Bekijk onze online selectie door op een categorie hieronder te klikken!
Solenoïde ontwerp
![Een schema van een magneetspoel: spoel (A), stationaire kern (B), geleidende ring (C), veer (D) en anker (E).](https://storage.tameson.com/asset/Articles/general/solenoid-coil-parts.png)
Figuur 2: Een schema van een magneetspoel: spoel (A), stationaire kern (B), geleidende ring (C), veer (D) en plunjer (E).
Zoals te zien is in figuur 2, zijn de solenoïde onderdelen de volgende:
- Spoel (A): Een koperdraad strak om de stationaire kern gewikkeld.
- Stationaire kern (B): Een ferromagnetische cilinder
- Geleidende ring (C): Een geleidende ring, of schaduwspoel, is een enkele draai, of enkele draaien van een elektrische geleider (koper of aluminium).
- Veer (D): Een RVS veer die de plunjer terugbrengt naar zijn normale positie wanneer de spoel spanningsloos wordt gemaakt.
- Armatuur (E): Deel van de stationaire kern dat beweegt wanneer de spoel wordt bekrachtigd
Hoe werkt een solenoïde
Een magnetisch veld wordt gevormd wanneer stroom in een solenoïde door de spoel stroomt. De sterkte van het veld is recht evenredig met de stroom, het aantal windingen en de permeabiliteit van het ferromagnetische materiaal van de stationaire kern. De kern werkt als een magnetische schakeling voor het magnetische veld. Met andere woorden, de kern fungeert als een gesloten pad dat het magnetische veld insluit.
Het magnetische veld induceert een kracht op de plunjer die het omhoog trekt of omlaag duwt. De norm is om de plunjer omhoog te trekken, maar door de zijkant van de plunjer dicht bij de stationaire kern te verlengen met een duwstang, duwt het veld de plunjer omlaag. In beide gevallen wordt een veer samengedrukt. De plunjer blijft in deze positie zolang het magnetisch veld actief blijft. Wanneer het magnetisch veld wegvalt, brengt de veer de plunjer terug in zijn oorspronkelijke positie.
Ten slotte biedt de geleidende ring een pad met lage impedantie voor een hoogspanningspiek die wordt gegenereerd wanneer het magnetische veld verdwijnt. Dit vermindert de grootte en duur van de spanningspiek, wat het circuit beschermt.
DC vs AC magneetspoelen
Er zijn voor- en nadelen aan het werken met gelijkstroom- of wisselstroommagneten. Een DC magneet werkt zoals hierboven uitgelegd. Gelijkstroom door een solenoïde creëert een magnetische kracht die sterk genoeg is om de veerkracht te overwinnen, waardoor de plunjer in de spoel wordt getild. Wanneer de spoel spanningsloos wordt, duwt de veer de plunjer terug naar beneden.
AC-spoelen zijn complexer omdat AC van polariteit wisselt. Twee keer per periode is de stroom nul, waardoor de magnetische kracht nul is. Omdat de veerkracht de plunjer voortdurend naar beneden duwt, trilt de plunjer en maakt het een zoemend geluid en belast het de onderdelen. Om dit probleem op te lossen, slaat een koperen ring rond de plunjer een deel van de magnetische energie op, waardoor de trillingen worden verminderd.
Wanneer de magnetische kracht de veerkracht overwint en de plunjer volledig is opgeheven, kan de stroom door de spoel worden verminderd om energie te besparen. DC reageert langzamer dan AC, en daarom zijn AC-spoelen energiezuiniger.
Magnetisch veld van een solenoïde formule
Het magnetisch 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 magneetmateriaal. De formule voor het meten van de sterkte van het veld is:
Waar:
- B: de magnetische fluxdichtheid
- μ0: De permeabiliteitsconstante is 12,57 x 10 -7Hm -1.
- I: De stroom die door de spoel loopt
- N: Het aantal windingen
- L: Lengte van de spoel
Het krachtevenwicht van het magneetventiel
![Om de doorstroming te regelen, maakt een magneetventiel gebruik van een krachtenevenwicht tussen het magnetische veld van de spoel (B) en de kracht van de veer (C) en de druk van het medium (D). Het door de geleidende ring (A) opgewekte magnetische veld is van toepassing op AC-spoelen.](https://storage.tameson.com/asset/Articles/general/magnetic-field-solenoid.png)
Figuur 3: Om de stroom te regelen gebruikt een magneetventiel een krachtbalans tussen het magnetische veld van de spoel (B) en de kracht van de veer (C) en de druk van het medium (D). Het magnetisch veld gegenereerd door de geleidende ring (A) is van toepassing op wisselstroomspoelen.
Het basisprincipe van een magneetventiel is een krachtenevenwicht van de magnetische kracht van de elektromagneet aan de ene kant en de druk van het medium en de kracht van de veer aan de andere kant. De vereiste magnetische kracht voor een direct bediende magneetklep kan met de volgende formule worden berekend:
Waar:
- Fs = kracht van het magneetventiel (N)
- p = druk (Pa) (105 Pa = 1 bar)
- A = opening (m2)
- Fspring = veerkracht (N)
Voorbeeld
Een bepaalde solenoïde levert een kracht van 15N. Om deze magneet te gebruiken om een drukverschil van 10 bar te regelen, kan de maximale diameter van de opening 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.
Spoel toepassingen
- 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 afgesloten, waardoor het slot wordt vrijgegeven. Solenoïden kunnen in diverse sluitentoepassingen, met inbegrip van deuren, verkoopautomaten, toegangsbarrières, en vele andere veiligheidsapparaten worden gebruikt.
- Automobieltoepassingen: Solenoïden 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: Solenoïden worden gebruikt in medische toepassingen om vloeistofstroom te controleren, kleppen in medische gassystemen te regelen, pompen en dispensers in werking te stellen, en de beweging van medische apparatuur te controleren.
- Spoorwegtoepassingen: In de spoorwegindustrie worden solenoïden gebruikt om wissels en seinen te bedienen, remmen te bedienen, deuren en ramen te bedienen, en in dieselmotoren voor brandstofinjectie en uitlaatgasrecirculatie.
- Industriële toepassingen: Solenoïden worden gebruikt in industriële toepassingen om kleppen te bedienen, pneumatische en hydraulische systemen te bedienen, koppelingen en remmen te bedienen, de beweging van apparatuur te regelen en in automatiserings-, robotica- en productieprocessen. Een actuator van een solenoïde is typisch een solenoïde met een ferromagnetische kern.
![Een close-up van een magneetventiel in de transmissie van een tractor.](https://storage.tameson.com/asset/Articles/general/bulldozer-solenoid.jpg)
Figuur 4: Een close-up van een magneetventiel in de transmissie van een tractor.
FAQs
Wat is een magneetspoel?
Een magneetspoel is een strak gewikkelde draad die een magnetisch veld produceert wanneer er elektriciteit doorheen stroomt en wordt gebruikt om objecten te verplaatsen, elektriciteit te creëren of een magneetactuator te activeren.
Zijn solenoïden AC of DC?
Solenoïden zetten AC of DC om in lineaire beweging.