Elektromagnesy — urządzenie, działanie, zastosowanie

W tym artykule skupimy się na solenoidach. Najpierw rozważymy teoretyczną stronę tego tematu, następnie praktyczną, gdzie zwrócimy uwagę na obszary zastosowania elektromagnesów w różnych trybach ich pracy.

Solenoid to cylindryczna cewka, której długość jest znacznie większa niż jego średnica. Samo słowo solenoid powstało z połączenia dwóch słów — solen i eidos, z których pierwsze tłumaczy się jako tuba, drugie — podobnie. Oznacza to, że solenoid to cewka w kształcie rurki.

Solenoidy w szerokim znaczeniu to cewki indukcyjne uzwojone drutem na cylindrycznej ramie, która może być jednowarstwowa lub wielowarstwowa... Ponieważ długość cewki solenoidu znacznie przekracza jego średnicę, to po przyłożeniu prądu stałego przez taką cewkę, wewnątrz niej, we wnęce wewnętrznej powstaje prawie jednolite pole magnetyczne.

Elektromagnesy są często określane jako niektóre siłowniki na elektromechanicznej zasadzie działania, takie jak elektrozawór automatycznej skrzyni biegów w samochodzie lub przekaźnik cofania rozrusznika.Z reguły rdzeń ferromagnetyczny działa jak cofnięta część i sam elektromagnes wyposażony w rdzeń magnetyczny na zewnątrz, tak zwane jarzmo ferromagnetyczne.

Jeśli w konstrukcji solenoidu nie ma materiału magnetycznego, to gdy prąd stały przepływa przez drut, wzdłuż osi cewki powstaje pole magnetyczne, którego indukcja jest liczbowo równa:

Gdzie N to liczba zwojów solenoidu, l to długość cewki solenoidu, I to prąd w solenoidzie, μ0 to przenikalność magnetyczna próżni.

Na końcach solenoidu indukcja magnetyczna jest o połowę mniejsza niż wewnątrz solenoidu, ponieważ obie połówki solenoidu na ich połączeniu mają równy udział w polu magnetycznym wytwarzanym przez prąd solenoidu. Można to powiedzieć o pół-nieskończonym solenoidzie lub cewce, która jest wystarczająco długa dla średnicy ramy. Indukcja magnetyczna na krawędziach będzie równa:

Ponieważ solenoid jest przede wszystkim cewką indukcyjną, jak każda cewka z indukcyjnością, solenoid jest w stanie magazynować energię w polu magnetycznym liczbowo równym pracy, jaką wykonuje źródło, aby wytworzyć prąd w cewce, który generuje pole magnetyczne solenoidu:

Zmiana prądu w cewce doprowadzi do pojawienia się pola elektromagnetycznego samoindukcji, a napięcie na końcach drutu cewki elektromagnesu będzie równe:

Indukcyjność solenoidu będzie równa:

Gdzie V to objętość solenoidu, z to długość drutu w cewce solenoidu, n to liczba zwojów na jednostkę długości solenoidu, l to długość solenoidu, μ0 to próżniowa przenikalność magnetyczna.

Kiedy prąd przemienny przepływa przez drut elektromagnesu, pole magnetyczne solenoidu również będzie się zmieniać. Rezystancja prądu przemiennego elektromagnesu jest z natury złożona i obejmuje zarówno składowe aktywne, jak i reaktywne określone przez indukcyjność i rezystancję czynną cewki.

Praktyczne zastosowanie elektromagnesów

Solenoidy są używane w wielu zastosowaniach przemysłowych i cywilnych. Często napędy liniowe są tylko przykładem działania elektromagnesu prądu stałego. Sprawdź nożyce w kasach fiskalnych, zawory silnika, przekaźnik rozrusznika, zawory hydrauliczne itp. W prądzie przemiennym solenoidy działają jak cewki indukcyjne piece tyglowe.

Cewki elektromagnesów są z reguły wykonane z miedzi, rzadziej z drutu aluminiowego.W przemyśle high-tech stosuje się cewki nadprzewodzące. Rdzenie mogą być żelazne, żeliwne, ferrytowe lub z innych stopów, często w postaci wiązki arkuszy lub mogą nie występować wcale.

W zależności od przeznaczenia maszyny elektrycznej rdzeń jest wykonany z jednego lub drugiego materiału. Urządzenia takie jak podnoszenie elektromagnesów, sortowanie nasion, oczyszczanie węgla itp. Następnie przyjrzymy się kilku przykładom użycia solenoidów.

Zawór elektromagnetyczny linii

Poprzez przyłożenie napięcia do cewki elektromagnesu tarcza zaworu zostaje mocno dociśnięta do portu pilotowego przez sprężynę i przewód zostaje zamknięty. Kiedy prąd jest doprowadzany do cewki zaworu, zwora i związana z nią tarcza zaworu unoszą się, ciągnięte przez cewkę, przeciwstawiając się sprężynie i otwierając otwór prowadzący.

Różnica ciśnień po różnych stronach zaworu powoduje ruch płynu w rurociągu i dopóki napięcie jest podawane na cewkę zaworu, rurociąg nie jest zablokowany.

Gdy elektromagnes jest wyłączony, sprężyna już niczego nie zatrzymuje i zawór opada w dół, blokując otwór prowadzący. Rurociąg jest ponownie zamknięty.

Przekaźnik elektromagnetyczny rozrusznika samochodowego

Rozrusznik to zasadniczo mocny silnik prądu stałego zasilany z akumulatora samochodu. W momencie uruchomienia silnika należy szybko załączyć na chwilę koło zębate rozrusznika (bendix) z kołem zamachowym wału korbowego i jednocześnie włączyć rozrusznik. Solenoid jest tutaj cewką elektromagnesu rozrusznika.

Przekaźnik zwijacza jest zamontowany na obudowie rozrusznika, a po doprowadzeniu zasilania do cewki przekaźnika pociągany jest żelazny rdzeń połączony z mechanizmem przesuwającym bieg do przodu. Po uruchomieniu silnika zasilanie jest odcinane przez cewkę przekaźnika i bieg wraca do tyłu dzięki sprężynie.

Zamek elektromagnetyczny

W zamkach elektromagnetycznych rygiel jest napędzany siłą elektromagnesu. Zamki takie stosowane są w systemach kontroli dostępu oraz systemach śluz. Drzwi wyposażone w taki zamek można otworzyć tylko w okresie ważności sygnału sterującego. Po usunięciu tego sygnału zamknięte drzwi pozostaną zaryglowane, niezależnie od tego, czy były otwierane.

Zaletą zamków elektromagnetycznych jest ich konstrukcja — jest znacznie prostsza niż zamków silnika, bardziej odporna na zużycie. Jak widać, tutaj elektromagnes jest ponownie sparowany ze sprężyną powrotną.

Cewka indukcyjna z solenoidem przez ogrzewanie

Cewki indukcyjne wieloobrotowe są zwykle używane do ogrzewania. Cewka indukcyjna jest wykonana z chłodzonej wodą rurki miedzianej lub miedzianej szyny zbiorczej.

W instalacjach średniej częstotliwości stosuje się uzwojenia jednowarstwowe, natomiast w przemysłowych uzwojeniach częstotliwości uzwojenie może być jednowarstwowe lub wielowarstwowe. Wynika to z możliwego zmniejszenia strat elektrycznych w cewce indukcyjnej oraz z warunków zgodności parametrów obciążenia oraz z parametrami napięciowymi i współczynnikiem mocy zasilacza. Aby zapewnić sztywność cewki indukcyjnej, jej kit jest najczęściej stosowany między końcowymi płytami azbestowo-cementowymi.

W nowoczesnych instalacjach hartowanie indukcyjne i nagrzewanie Solenoidy działają w trybie prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości, więc zwykle nie potrzebują rdzenia ferromagnetycznego.

Silnik elektromagnetyczny

W silnikach jednocewkowych załączanie i wyłączanie cewki wykonawczej powoduje mechaniczny ruch mechanizmu korbowego, a powrót odbywa się za pomocą sprężyny, podobnie jak w elektrozaworze i elektrozaczepie.

W wielouzwojeniowych silnikach elektromagnetycznych naprzemienne załączanie cewek odbywa się za pomocą zaworów.Do każdej cewki doprowadzany jest prąd ze źródła zasilania w jednym z półokresów napięcia sinusoidalnego. Rdzeń jest sukcesywnie przyciągany przez jedną lub drugą cewkę, wykonując ruch posuwisto-zwrotny, napędzając wał korbowy lub koło do obracania się.

Solenoidy w obiektach doświadczalnych

Instalacje eksperymentalne, takie jak detektor ATLAS działający w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, wykorzystują potężne elektromagnesy, które zawierają również solenoidy. Eksperymenty z zakresu fizyki cząstek elementarnych są przeprowadzane w celu odkrycia elementów budulcowych materii i zbadania podstawowych sił natury, które podtrzymują nasz wszechświat.

Cewki Tesli

Wreszcie koneserzy dziedzictwa Nikoli Tesli zawsze używają solenoidów do budowy cewek. Uzwojenie wtórne transformatora Tesli to nic innego jak solenoid. A długość drutu w cewce okazuje się bardzo ważna, ponieważ konstruktorzy cewek używają tutaj solenoidów nie jako elektromagnesów, ale jako falowodów, jako rezonatorów, w których, jak w każdym obwodzie oscylacyjnym, występuje nie tylko indukcyjność drutu, ale także pojemność powstająca w tym przypadku od blisko rozmieszczonych do przyjaciela na zwojach. Nawiasem mówiąc, toroid w górnej części uzwojenia wtórnego ma na celu kompensację tej rozproszonej pojemności.

Mamy nadzieję, że nasz artykuł był dla Ciebie przydatny i teraz wiesz, czym jest solenoid i ile jest obszarów jego zastosowania we współczesnym świecie, ponieważ nie wymieniliśmy ich wszystkich.