Как работи
Соленоидът е намотка върху U-образна феромагнитна сърцевина и подвижна желязна котва с пружина. Токът прави магнитно поле, полето дърпа котвата навътре, а без ток пружината я връща. Видовете са:
| Вид | Как работи |
|---|---|
| еднопосочен линеен | сила в една посока, връщане с пружина |
| двупосочен линеен | две намотки – по една за всяка посока |
| бистабилен (с две устойчиви състояния) | импулс, посоката е от полярността; крайните положения държи магнит + пружина – без ток |
| ротационен | завъртане в една посока + пружина (най-разпространеният) или реверсивен с две намотки |
| задържащ | огромна задържаща сила без движение: над 250 kg за врати, над 700 kg за сейфове |
Магнитната сила е F = μ₀(NI)²A/(2(g + g₀)²). Тя расте с квадрата на тока и пада с квадрата на междината g. Когато котвата е далеч, силата е малка. Щом тръгне, силата расте лавинообразно и котвата „плесва“.
Захранването е 12 V, токът е 500 mA. В отворено положение магнитната сила е 0,863 N, а пружината дърпа с 0,4 N – котвата тръгва.
Магнитът срещу пружината
магнитна сила пружината
Жълтото е магнитната сила, синьото – пружината (по-силна, когато е свита, т.е. вляво). Котвата е отворена вдясно, на 6 mm. Ако там жълтото е над синьото, котвата тръгва. После силата расте стотици пъти, докато междината се затваря, и пружината няма шанс. Свали напрежението под ~8 V и жълтото в отворено положение пада под синьото – соленоидът бръмчи, но не щраква.
Трапчинката в тока
Включваме напрежението и гледаме тока. Отначало расте като в RL верига (АЦУ, тема 20). Но щом котвата тръгне, междината намалява, индуктивността L расте, а членът i·dL/dt работи като противо-е.д.н. (както при двигателя, тема 16). Затова токът пада, докато котвата се движи. Щом котвата удари дъното, движението спира и токът пак расте до U/R. Тази „трапчинка“ се ползва за диагностика: по нея контролерът знае дали и кога котвата е задействала, без отделен сензор.
Котвата затваря за 20,7 ms.
Токът
ток
Котвата
междина
Котвата тръгва бавно и се ускорява. Токът (жълто) спада точно докато тя лети, а най-ниската му точка е в мига на удара. После расте бавно, защото затвореният магнитопровод има голяма индуктивност. Вдигни напрежението: котвата затваря по-бързо и трапчинката е по-рязка.
Задържането е евтино
Затворената котва има почти нулева междина, затова за същата сила стига много по-малко ток. Тук задържането срещу пружината иска само 42,6 mA. С двоен запас това са 0,174 W вместо 6 W при пълното напрежение. Затова драйверите на соленоиди дърпат с пълно напрежение и после минават на ШИМ (тема 16) с малък коефициент на запълване. Соленоидът не прегрява, а захранването се пести. Бистабилният соленоид отива докрай: държи с постоянен магнит и не харчи нищо.
Самопроверка
1. Как зависи силата на соленоида от тока и от междината?
F ~ I²/(g + g₀)²: квадратично расте с тока и квадратично пада с междината.
2. Защо токът на соленоида спада, докато котвата се движи?
Индуктивността расте при затварянето на междината; членът i·dL/dt е противо-е.д.н., който сваля тока.
3. Защо соленоидите се задържат с по-малък ток?
При затворена котва междината е почти нула и силата при същия ток е много по-голяма – стига малък ток (ШИМ) да държи срещу пружината.
4. Какво е бистабилен соленоид?
Превключва се с импулс (посоката – от полярността) и остава в крайното положение с постоянен магнит и пружина, без ток.