Что такое катушка соленоида

Что такое катушка соленоида?

Катушки соленоида

Электромагнитные катушки, также называемые соленоидами, представляют собой трехмерные петли или катушки из проволоки, которые намотаны вокруг металлического сердечника и функционируют для создания магнитного поля, когда через катушку проходит электрический ток.

Таким образом, становясь электромагнитом, то есть его магнитное поле создается потоком электрического тока, соленоидная катушка служит для преобразования электрической энергии в линейное движение.

Катушки соленоида состоят из двух основных частей: спиральной проволоки и металлического сердечника.

Спиральный провод чаще всего изготавливается из изолированной или эмалированной меди или медных сплавов., в то время как металлический сердечник обычно формируется из твердого или порошкового железа, но также может быть сформирован из стали или нержавеющей стали.

Очень важно, чтобы металлический сердечник был изготовлен из ферромагнитных материалов, веществ, способных концентрировать магнитные линии потока и увеличивать индуктивность катушки.

В результате, когда электрический ток течет в катушке, большая часть результирующего магнитного потока будет находиться в материале сердечника. Меньшая часть флюса, который находится за пределами материала сердечника, будет приближаться к концам сердечника или сбоку.

Кроме того, существует два основных типа соленоидных катушек: линейные соленоидные катушки и вращающиеся соленоидные катушки. Наиболее существенное различие между двумя типами соленоидных катушек состоит в том, что линейные соленоидные катушки преобразуют электрическую энергию в линейное движение, тогда как вращающиеся катушки соленоида преобразуют электрическую энергию во вращательное движение.

Кроме того, в то время как катушки линейного соленоида будут ссылаться на силу, оказываемую катушкой, катушки вращающегося соленоида будут ссылаться на крутящий момент, прилагаемый катушкой.

Очень популярные электрические соленоидные катушки — это электрические катушки которые используется почти во всех отраслях промышленности для разного использования:

Электромагнитные катушки также используются в таких отраслях, как почта, полиграфия, безопасность, строительство, офисное оборудование, бытовая техника и многое другое.

Поскольку соленоидные катушки необходимы для такого широкого спектра применений, они могут иметь стандартную конструкцию или они могут быть изготовлены по индивидуальному заказу, чтобы лучше соответствовать своему назначению.

Источник

В этой статье речь пойдет о соленоидах. Сначала рассмотрим теоретическую сторону данной темы, затем практическую, где отметим сферы применения соленоидов в различных режимах их работы.

Соленоидом называется цилиндрическая обмотка, длина которой значительно превышает ее диаметр. Само слово соленоид образовано сочетанием двух слов — solen и eidos, первое из которых переводится как труба, второе — подобный. То есть соленоид — это катушка, по форме напоминающая трубу.

Зачастую соленоидами называют некоторые исполнительные механизмы, электромеханического принципа работы, как например соленоидный клапан автоматической коробки передач автомобиля или втягивающее реле стартера. Как правило, в качестве втягиваемой части выступает ферромагнитный сердечник, а сам соленоид оснащен снаружи магнитопроводом, так называемым ферромагнитным ярмом.

Если в конструкции соленоида магнитный материал отсутствует, то при протекании по проводнику постоянного тока, вдоль оси катушки формируется магнитное поле, индукция которого численно равна:

Где, N – число витков в соленоиде, l – длина намотки соленоида, I – ток в соленоиде, μ0 — магнитная проницаемость вакуума.

На краях соленоида магнитная индукция вдвое меньше, чем внутри него, поскольку обе половины соленоида в месте их объединения привносят равный вклад в магнитное поле, создаваемое током соленоида. Это можно сказать о полубесконечном соленоиде или о достаточно длинной, по отношению к диаметру каркаса, катушке. Магнитная индукция по краям будет равна:

Поскольку соленоид — это в первую очередь катушка индуктивности, то как и любая катушка, обладающая индуктивностью, соленоид способен запасать в магнитном поле энергию, численно равную работе, которую совершает источник для создания в обмотке тока, порождающего магнитное поле соленоида:

Изменение тока в обмотке приведет к возникновению ЭДС самоиндукции, и напряжение на краях провода обмотки соленоида будет равно:

Индуктивность соленоида будет равна:

Где, V – объем соленоида, z – длина провода в обмотке соленоида, n – число витков в единице длины соленоида, l – длина соленоида, μ0 — магнитная проницаемость вакуума.

При пропускании через провод соленоида переменного тока, магнитное поле соленоида так же будет переменным. Сопротивление соленоида переменному току имеет комплексный характер, и включает в себя как активную, так и реактивную составляющие, определяемые индуктивностью и активным сопротивлением провода обмотки.

Практическое использование соленоидов

Соленоиды применяются во многих отраслях промышленности и во многих областях гражданской сферы деятельности. Часто поступательные электроприводы — это как раз пример работы соленоидов на постоянном токе. Ножницы отрезания чеков в кассовых аппаратах, клапаны двигателей, тяговое реле стартера, клапаны гидравлических систем и т. д. На переменном токе соленоиды работают в качестве индукторов тигельных печей.

Обмотки соленоидов, как правило, изготавливают из медного, реже — из алюминиевого провода. В высокотехнологичных отраслях применяют обмотки из сверхпроводников. Сердечники могут быть железными, чугунными, ферритовыми или из иных сплавов, часто в форме пакета листов, а могут и вовсе отсутствовать.

В зависимости от назначения электрической машины, сердечник делается из того или иного материала. Устройства типа подъемных электромагнитов, сортирующие семена, очистители угля и т. д. Далее рассмотрим несколько примеров применения соленоидов.

Электромагнитный клапан трубопровода

Пока напряжение на обмотку соленоида не подано, тарелка клапана плотно прижата к пилотному отверстию пружиной, и трубопровод перекрыт. При подаче тока в обмотку клапана, якорь и соединенная с ним тарелка клапана поднимаются, втягиваясь катушкой, противодействуя пружине, и открывая пилотное отверстие.

Разность давлений с разных сторон от клапана приводит к движению жидкости в трубопроводе, и пока на катушку клапана подано напряжение, трубопровод не перекрыт.

Когда питание с соленоида снято, пружину больше ничего не удерживает, и тарелка клапана устремляется вниз, перекрывая пилотное отверстие. Трубопровод вновь перекрыт.

Втягивающее реле стартера автомобиля

Стартер является по сути мощным мотором постоянного тока с питанием от аккумулятора автомобиля. В момент пуска двигателя зубчатая шестерня стартера (бендикс) должна быстро сцепиться с маховиком коленвала на некоторое время, и одновременно включается мотор стартера. Соленоид здесь — обмотка втягивающего реле стартера.

Втягивающее реле установлено на корпусе стартера, и при подаче питания к обмотке реле происходит втягивание железного сердечника, соединенного с механизмом, выдвигающим шестерню вперед. После пуска двигателя питание с обмотки реле снимается, и шестерня возвращается обратно благодаря пружине.

В соленоидных электрозамках ригель приводится в движение усилием электромагнита. Такие замки применяются в системах контроля доступа и в шлюзовых дверных системах. Оборудованная таким замком дверь может быть открыта только в период действия управляющего сигнала. После снятия этого сигнала закрытая дверь останется запертой независимо от того, открывалась ли она.

К преимуществам соленоидных замков можно отнести их конструкцию — она намного проще, чем у моторных замков, более износостойка. Как видим, здесь соленоид снова работает в паре с возвратной пружиной.

Соленоидный индуктор сквозного нагрева

При сквозном нагреве используют обычно соленоидные многовитковые индукторы. Обмотку индуктора изготавливают из медной трубки с водяным охлаждением или из медной шины.

В установках средней частоты используют однослойные обмотки, а в установках промышленной частоты обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Это связано с возможным уменьшением электрических потерь в индукторе и с условиями согласования параметров нагрузки и с параметрами источника питания по напряжению и коэффициенту мощности. Для обеспечения жесткости катушки индуктора чаще всего применяют ее стяжку между торцовыми асбоцементными плитами.

В современных установках индукционной закалки и нагрева соленоиды работают в режиме питания переменным током высокой частоты, поэтому ферромагнитный сердечник им, как правило, не нужен.

В однокатушечных соленоидных двигателях включение и выключение рабочей катушки приводит к механическому движению кривошипно-шатунного механизма, причем возврат осуществляется опять же пружиной, подобно тому, как это происходит в электромагнитном клапане и в соленоидном замке.

В многокатушечных соленоидных двигателях попеременное включение катушек осуществляется при помощи вентилей. К каждой катушке ток от источника питания подается в один из полупериодов синусоидального напряжения. Сердечник поочередно втягивается то одной, то другой катушкой, совершая возвратно-поступательное движение, приводя во вращение коленчатый вал или колесо.

Соленоиды на экспериментальных установках

Экспериментальные установки типа детектора ATLAS, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, используют мощные электромагниты, которые тоже включают в себя соленоиды. Эксперименты в физике элементарных частиц проводятся с целью обнаружения строительных блоков материи и изучения фундаментальных сил природы, на которых держится наша Вселенная.

Наконец, ценители наследия Николы Тесла всегда используют соленоиды для построения катушек. Вторичная обмотка трансформатора Тесла — не что иное, как соленоид. И длина провода в катушке оказывается очень важной, ведь строители катушек используют здесь соленоиды не как электромагниты, а как волноводы, как резонаторы, в которых как в любом колебательном контуре есть не только индуктивность провода, но и емкость, формируемая в данном случае расположенными вплотную друг к другу витками. Кстати, тороид на вершине вторичной обмотке призван как раз скомпенсировать эту распределенную емкость.

Надеемся, что наша статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, что такое соленоид, и как много сфер его применения есть в современном мире, ведь перечислили мы отнюдь не все из них.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Катушки индуктивности (Часть 2 Соленоиды). Применение и устройство

Надежность работы катушки индуктивности довольно высока. Неисправности могут возникать при чрезмерном нагревании, повреждении изоляции, либо при эксплуатации с напряжением выше допустимой величины.

Надежность соленоидов

Чаще всего в негодность приходит не соленоид, а механизм, приводящийся в действие соленоидом. Может выйти из строя мембрана, тяга и другие детали электроклапанов, приводов заслонок и других механизмов. Например, на иглу в топливных форсунках постепенно оседает налет, который мешает ей передвигаться и плотно прилегать к отверстию. В результате форсунка выходит из строя из-за потери герметичности. Хотя при этом электрическая часть форсунки (соленоид) остается исправной.

Устранение неисправностей

Применение соленоидов

В различных отраслях промышленного производства, автомобилях и другой технике используются такие устройства, как катушки индуктивности. Электроприводы поступательного движения являются примерами функционирования соленоидов, действующих на постоянном токе.

Вот некоторые сферы применения соленоидов:

Чаще всего обмотки соленоидов выполняют алюминиевым или медным проводником. В отраслях с высокими технологиями используют обмотки, выполненные из сверхпроводников. Материалом сердечника обычно используется пакет металлических листов, ферритовые сплавы, чугун, сталь. Это зависит от назначения электрического устройства.

Электроклапан трубопровода

Перед подачей питания на катушку соленоида тарелка клапана прижата к отверстию с помощью пружины. Трубопровод закрыт. При подключении питания на обмотку якорь с тарелкой клапана втягиваются катушкой и поднимаются, преодолевая действие пружины, и открывая при этом отверстие трубопровода.

Жидкость в трубе движется, и трубопровод будет находиться в открытом виде до тех пор, пока на катушку подключен ток. При выключении питания пружина выталкивает тарелку клапана вниз и перекрывает отверстие трубы. Трубопровод закрывается.

Стартерное втягивающее реле

1 — Втягивающее реле
2 — Вилка стартера
3 — Передняя крышка
4 — Бендикс
5 — Задняя крышка

Стартер автомобиля выполнен по принципу электродвигателя постоянного тока, работающего от аккумуляторной батареи автомобиля. При запуске двигателя шестерня стартера, которая называется бендиксом, быстро входит в зацепление с зубчатым венцом маховика коленчатого вала на короткое время, необходимое для запуска двигателя. В это время подключается электродвигатель стартера. Роль соленоида в стартере играет втягивающее реле.

Оно расположено на корпусе стартера. При подключении питания к катушке втягивающего реле, она создает втягивающее усилие, действующее на металлический сердечник, который выдвигает шестерню вперед с помощью специального механизма. После запуска мотора напряжение отключается от обмотки реле, и шестерня отходит в первоначальное положение под действием пружины.

Электрический замок

В замках, оснащенных соленоидом, ригель перемещается с помощью электромагнита. Такие электрические замки стали популярными в системах контроля доступа, а также в дверях шлюзов. Дверь с электрозамком можно открыть только путем подачи на него сигнала управления. После отключения этого сигнала дверь снова запирается.

К достоинствам таких замков относится простота устройства. Она намного проще других моделей, имеет высокую стойкость к износу. Из рассмотренных примеров применений видно, что соленоид чаще всего функционирует совместно с упругим элементом в виде пружины.

Индуктор на основе соленоида

Для сквозного нагревания металлических деталей часто применяют индукторы, выполненные в виде многовиткового соленоида. Обмотку при этом выполняют из медной шины или медной трубки с жидкостным охлаждением.

В среднечастотных установках применяют обмотки, состоящие из одного слоя. В промышленных установках также применяют многослойную обмотку. Это зависит от параметров источника напряжения, коэффициента мощности, параметров нагрузки, а также возможным снижением потерь электрической энергии.

Для создания требуемой жесткости катушки индуктивности ее торцы обычно стягивают асбоцементными плитами. В инновационных устройствах для нагрева и индукционной закалки катушки индуктивности эксплуатируются на переменном токе повышенной частоты, вследствие чего применение ферромагнитного сердечника не требуется.

Соленоидный электродвигатель

Существуют электрические двигатели с применением соленоидов. Принцип его действия заключается в включении и выключении катушек в определенное время, что приводит в движение коленчатый вал двигателя. При этом возврат сердечника катушки выполняется с помощью пружины, как в рассмотренном ранее электромагнитном клапане или электрическом замке.

В соленоидных двигателях, имеющих несколько катушек, коммутация катушек производится вентилями в виде полупроводниковых элементов. К отдельной катушке поступает напряжение в определенный полупериод синусоидального напряжения. Стальной сердечник по очереди втягивается разными катушками. При этом он выполняет возвратно-поступательное движение, вращая коленвал двигателя или колесо.

Экспериментальные устройства

Опытные устройства, подобные детектору «Атлас», действующие на адронном коллайдере, включают в себя электрические магниты повышенной мощности на основе соленоидов. Физические эксперименты с элементарными частицами осуществляются для обнаружения строительных элементов материи и изучения сил природы, действующих во Вселенной.

Катушки индуктивности Тесла

Любители экспериментов с катушками Тесла часто применяют катушки для создания таких катушек. В них соленоидом является вторичная обмотка трансформатора. Важным параметром является длина проводника обмотки, так как соленоиды в таком устройстве играют роль резонаторов и волноводов, а не электромагнитов. В них имеется емкость, созданная находящимися рядом витками, а также индуктивность, как и в любом колебательном контуре. На вершине вторичной обмотки расположен тороид, предназначенный для компенсации распределенной емкости.

Источник

Соленоид

Солено́ид — разновидность электромагнитов. Соленоид — это односложная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра. Характеризуется значительным соотношением длины намотки к диаметру оправки, что позволяет создать внутри катушки относительно равномерное магнитное поле.

Соленоид почти всегда снабжается внешним магнитопроводом. Внутренний магнитопровод может быть подвижным или отсутствовать вовсе.

Содержание

Соленоид на постоянном токе

Если длина соленоида намного больше его диаметра и не используется магнитный материал, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное вдоль оси, которое однородно и для постоянного тока по величине равно

(СИ),

(СГС),

где — магнитная проницаемость вакуума, — число витков N на единицу длины l (линейная плотность витков), — ток в обмотке.

При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

Индуктивность соленоида

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

(СИ), (СГС),

где — объём соленоида, — длина проводника, намотаннного на соленоид, — длина соленоида, — диаметр витка.

Без использования магнитного материала плотность магнитного потока в пределах катушки является фактически постоянной и равна

где − магнитная проницаемость вакуума, − число витков, — сила тока и — длина катушки. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление через катушку равно плотности потока , умноженному на площадь поперечного сечения и число витков :

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

эквивалентная предыдущим двум формулам.

Соленоид на переменном токе

При переменном токе соленоид создаёт переменное магнитное поле. Если соленоид используется как электромагнит, то на переменном токе величина силы притяжения изменяется. В случае якоря из магнитомягкого материала направление силы притяжения не изменяется. В случае магнитного якоря направление силы меняется. На переменном токе соленоид имеет комплексное сопротивление, активная составляющая которого определяется активным сопротивлением обмотки, а реактивная составляющая определяется индуктивностью обмотки.

Применение

Соленоиды постоянного тока чаще всего применяются как поступательный силовой электропривод. В отличие от обычных электромагнитов обеспечивает большой ход. Силовая характеристика зависит от строения магнитной системы (сердечника и корпуса) и может быть близка к линейной.

Соленоиды приводят в движение ножницы для отрезания билетов и чеков в кассовых аппаратах, язычки замков, клапаны в двигателях, гидравлических системах и проч. Один из самых известных примеров — «тяговое реле» автомобильного стартёра.

Соленоиды на переменном токе применяются в качестве индуктора для индукционного нагрева в индукционных тигельных печах.

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Соленоид» в других словарях:

СОЛЕНОИД — Прибор, состоящий из тонкой спирали, опущенной в чашечку со ртутью при развитии магнетизма. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. СОЛЕНОИД завитая спиралью проволока, которая обладает свойствами магнита,… … Словарь иностранных слов русского языка

СОЛЕНОИД — (от греч. solen трубка и eidos вид) цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа намотанных вплотную друг к другу витков проводника. При пропускании через соленоид электрического тока внутри и вне соленоида возникает магнитное поле,… … Большой Энциклопедический словарь

СОЛЕНОИД — (от греч. solen трубка и eidos вид), свёрнутый в спираль изолированный проводник, по к рому течёт электрич. ток. Обладает значит. индуктивностью и малым активным сопротивлением и ёмкостью. В ср. части внутр. полости С., длина к рого значительно… … Физическая энциклопедия

соленоид — а, ж. solénoide m., нем. Solenoid <гр. solen трубка + eidos вид. электр. Проволочная спираль, по которой пропускают электрический ток для создания магнитного поля. Соленоидный ая, ое. Крысин 1998. Лекс. Толль 1864: соленоид; СИС 1937:… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

СОЛЕНОИД — СОЛЕНОИД, ЭЛЕКТРОМАГНИТ, в котором мягкий железный сердечник двигается, открывая или закрывая электрическую цепь, таким образом работая как переключатель, или РЕЛЕ … Научно-технический энциклопедический словарь

СОЛЕНОИД — СОЛЕНОИД, соленоида, муж. (от греч. solen трубка и eidos вид) (тех., физ.). Проволочная спираль, вокруг которой, при пропускании электрического тока, создается магнитное поле. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

СОЛЕНОИД — согнутая спиралью проволока (катушка), по которой пропущен ток и вокруг которой создается магнитное поле. Последнее будет тем сильнее, чем больше ток в соленоиде и чем больше число витков в нем. С. ведет себя аналогично магниту. Самойлов К. И.… … Морской словарь

СОЛЕНОИД — спираль из проволоки, по к рой пропускают электр. ток и к рая может заменить собой электромагнит. Вокруг витков С. образуется магнитное поле, магнитные силовые линии к рого выходят из одного конца С. и входят в другой. С. обладает свойством… … Технический железнодорожный словарь

соленоид — сущ., кол во синонимов: 1 • катушка (19) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

соленоид — а; м. [от греч. sōlēn трубка и eidos вид] Физ., техн. Проволочная спираль, намотанная на сердечник, вокруг которой при пропускании электрического тока создаётся магнитное поле. ◁ Соленоидный, ая, ое. С. клапан. С ые двигатели. * * * соленоид (от… … Энциклопедический словарь

Источник