Новости

Oct 12, 2023

Механизмы: Соленоиды

С тех пор, как люди впервые начали играть с электричеством, мы доказали, что достаточно умны в поиске способов использовать эту энергию и приводить ее в движение. Электродвигатели всех типов двигают мир,

С тех пор, как люди впервые начали играть с электричеством, мы доказали, что достаточно умны в поиске способов использовать эту энергию и приводить ее в движение. Электродвигатели всех типов движут миром, но они далеко не единственный способ привести электричество в движение. Если вам нужно непрерывное вращение, вам подойдет двигатель. Но для более простых задач включения и выключения, где точный контроль положения не имеет решающего значения, соленоид больше подойдет тем, что вам нужно. Эти электромагнитные устройства встречаются повсюду, и они следующие в нашей серии полезных механизмов.

Физик скажет вам, что соленоид — это просто катушка с проводом, по которой может проходить ток. Вот и все. Однако, за исключением физической лаборатории, такое простое устройство не имеет большого механического применения, поэтому то, что мы склонны считать соленоидом, немного сложнее. Практический соленоид имеет катушку, но он также будет иметь несколько механических частей, чтобы он мог работать как привод.

Плунжерный соленоид является хорошим примером основ. Воздушный сердечник катушки соленоида частично занят плунжером из железа или мягкой стали, удерживаемым на месте возвратной пружиной. Когда на катушку подается ток, образуется магнитное поле, и плунжер с силой втягивается в сердечник соленоида. Когда ток перестает течь, магнитное поле разрушается, и возвратная пружина возвращает плунжер в состояние покоя. Это характерно для большинства соленоидов — они либо срабатывают, либо нет. Это делает их идеальными для работ, требующих установки чего-либо в том или ином положении на небольшом расстоянии, например, клапанов, которые останавливают поток жидкости через трубу или трубопровод.

Размеры плунжерных соленоидов варьируются от очень маленьких до смехотворно больших. С небольшой стороны, плунжерные соленоиды используются в качестве приводов микрофлюидных клапанов в научных и медицинских целях, а также в качестве приводной головки для ударных матричных принтеров (да, каждая из этих точек является плунжером соленоида).

Вероятно, вы ежедневно взаимодействуете с соленоидами среднего размера. Щелчок в начале и в конце работы льдогенератора вашего холодильника — это то, что включает и выключает воду для пополнения лотка. Аналогичный щелчок вы услышите в автоматах по продаже газированной воды. И те волшебники пинбола среди нас подтвердят, что силы, бросающие этот серебряный шар по игровому полю, создаются соленоидами.

Более того, внутри стартера почти каждого легкового и грузового автомобиля, по крайней мере, с двигателями внутреннего сгорания, есть довольно большой соленоид. Соленоид расположен над стартером и отвечает за подключение и отключение стартера от системы. Плунжер соленоида прикреплен к приводному валу двигателя посредством рычага. Когда ключ зажигания поворачивается, на катушку соленоида подается напряжение, втягивая плунжер внутрь и перемещая рычаг наружу вдоль вращающегося вала двигателя. Это приводит в движение ведущую шестерню, которая входит в зацепление с маховиком двигателя и проворачивает двигатель до тех пор, пока он не запустится.

Доступны другие типы соленоидов, включая поворотные соленоиды. Именно так они и звучат: приводы, которые могут вращаться между двумя положениями. Конструкции различаются, но наиболее распространенные типы имеют ротор с постоянным магнитом на валу внутри сердечника соленоида. Когда на катушку подается напряжение, ротор испытывает крутящий момент из-за магнитного поля, подобно ротору двигателя с постоянными магнитами. Однако ротор перемещается только до физической остановки и возвращается в исходное положение пружиной, когда катушка обесточивается. Если полярность катушки изменена, то ротор и вал могут качаться в другую сторону, что делает вращающийся соленоид этого типа бистабильным. В других вращающихся соленоидах используется металлический диск с наклонными канавками и шарикоподшипниками; когда плунжер всасывается в сердечник, шарикоподшипники заставляют диск и вал вращаться по канавкам.

Как электрически простые устройства, соленоиды могут работать как от переменного, так и от постоянного тока. Соленоид постоянного тока работает тише, поскольку магнитное поле постоянно, пока катушка находится под напряжением. Соленоид переменного тока имеет тенденцию вибрировать, поскольку магнитное поле меняется, и сила возвратной пружины преодолевает его в тот момент, когда ток меняет направление в катушке. Эту тенденцию можно смягчить, используя затеняющее кольцо для изменения магнитной цепи соленоидов переменного тока. Затеняющее кольцо — это небольшое медное кольцо, которое находится внутри сердечника соленоида и контактирует с плунжером, когда он полностью втянут. Магнитное поле катушки под напряжением индуцирует ток внутри кольца, который, в свою очередь, создает собственное магнитное поле, отстающее от фазы поля соленоида на 90°. Когда поле соленоида падает до нуля, когда сигнал переменного тока проходит нулевую точку, магнитный поток от затеняющего кольца удерживает соленоид втянутым, устраняя надоедливую болтовню.