נושא : סולנואיד – עקרון פעולה

בס"ד‏ ‏‏יום ראשון 16 יוני 2024

הקדמה

קמת בבוקר הכנת קפה במכונת אספרסו , בוקר טוב השתמשת בסולונאיד ואם במקרה השתמשת במכונת הכביסה השתמשת גם פה בסולונאיד ולמעשה הסולנואיד כל כך נפוץ שלמעשה יש סיכוי כי אנחנו משתמשים בו מספר פעמים ביום ולא חושבים על המוצר הגאוני הזה והיום נדבר עליו .

תמונה מספר 1 : מספר סוגים שונים של סולנואידים.

עקרון הפעולה של סולנואיד

סולנואיד הוא מכשיר אשר מיועד להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכאנית , ברמה הבסיסית ביותר הוא חוט המלופף סביב ליבה ,לליבה יש שני חלקים
1. ליבה נייחת.
2. חלק נע, שהוא האבזור הנקרא טובלן (plunger).
כאשר זרם חשמלי עובר דרך החוט המלופף, הוא יוצר שדה מגנטי שמושך את הטובלן לכיוון הליבה הנייחת והשדה מתגבר על כוחו של הקפיץ המותקן שם, וכאשר מפסקים את הזרם ,כוחו של הקפיץ מחזיר את הטובלן למקומו המקורי.
התנועה הלוך ושוב זו הופכת את הסוג הזה לסולנואיד ליניארי.
לסיכום על מנת שסולנואיד יתפקד כהלכה נדרשים שלושה מרכיבים:
1. חוט מלופף (סליל).
2. ליבה קבועה וטובלן הזז בתוך הליבה הקבועה.
3. מקור חשמלי.
למעשה סולנואיד משתמש באלקטרומגנטיות, אך הוא עצמו אינו אלקטרומגנט.

תמונה מספר 2 : סליל

מהו ברז חשמלי המבוסס על סולנואיד

ברז חשמלי זהה עקרונית לכל ברז אחר בכך שהוא מווסת את זרימת הגזים או הנוזלים. הסולנואיד מאפשר לאותם ברזים להיפתח או להיסגר באמצעות חשמל.
סוגים אלה של שסתומים יכולים להתבצע בשתי דרכים שונות:
פתוח בדרך כלל (NO)
סגור בדרך כלל (NC)
יש לשים לב כי מצב הברז החשמלי הפוך מהמצב החשמל.
ברז חשמלי המבוסס סולנואיד ( סגור בדרך כלל ) מצב מנוחה של הברז החשמלי ממבוסס הסולנואיד לא עובר זרם דרך ליפופי הסליל והליבה הניתנת להזזה מונחת על בסיס השסתום, ובכך הוא אוטם את השסתום, מכיוון שהנוזל או הגז שמאחוריו אינם יכולים לעבור.
בעת הפעלת המעגל ומעבר זרם דרך ליפופי הסליל נוצר שדה מגנטי, והשדה הזה גורם לליבה להתרומם, והנוזל או הגז יכולים כעת לעבור בחופשיות דרך השסתום. הפסקת המעגל מחזיר את הליבה חזרה למטה, סוגר את השסתום ומנתק את זרימת הגז או הנוזל. זוהי הפונקציה של שסתום סגור בדרך כלל, שנשאר סגור עד לשימוש בחשמל לפתיחת השסתום.
ברז חשמלי המבוסס סולנואיד ( פתוח בדרך כלל ) בדרך כלל משתמש באותם יסודות, אך נועד לעבוד הפוך. במצב כבוי, הליבה נשארת במצב למעלה, ומאפשרת לחומר לזרום דרך השסתום הפתוח. הפעלת השסתום תאלץ את הליבה לנוע למטה, תגרום לכיבוי הזרימה ולסגירת השסתום.

כוחו של סולנואיד

הכוח הזמין מהסולנואיד מגיע ממספר הליפופים והזרם הזורם דרך הסליל.
תכונה זו כידוע מוגדרת על ידי חוק אמפר, שהוא משוואה מתמטית המחשיבה את האלמנטים האלה כדי לקבוע את עוצמת השדה האלקטרומגנטי, משוואת השדה המגנטי מאפשרת לקבוע כמה סלילים וכמה זרם צריך כדי להפעיל כראוי שסתום סולנואיד.

משוואת השדה המגנטי של הסולנואיד

סולנואיד באורך אינסופי הוא הקל ביותר לתיאור, השדה המגנטי של סולנואיד אינסופי הוא אפס בדיוק בחוץ ויש לו ערך קבוע בתוך הסולנואיד. הסולנואיד האינסופי הוא לרוב קירוב סביר של סולנואיד באורך סופי בעולם האמיתי, אם נוכל לקבל שהשדה המגנטי יהיה שונה במקצת מזה של סולנואיד אינסופי בקרבת הקצוות ונוכל לתאר אותו באמצעות המשוואה הבאה

B – שדה מגנטי
μ0 – חלחלות של הריק , μ0 = 4π∙10^-7 [T∙m/A]
N – מספר ליפופים של סליל הסולנואיד
I – הזרם החשמלי הזורם בסליל של הסולנואיד
L – אורך סליל הסולנואיד

מוליכי הליפופים

חוט נחושת הוא הסוג הנפוץ ביותר של חוט המשמש לבניית הסליל , ישנם סוגים אחרים של מוליכים האפשריים לבניית הסליל אך לאף אחד מהם אין את אותם התכונות של הנחושת כמו מוליכות וגמישות כמו לנחושת. כמו בכל מוצרי החשמל גם כאן אנחנו מסווגים את המוליכים למספר קטגוריות וכל קטגוריה מציינת תכונות חומר אחרות

טבלה מספר 1 : טמפרטורת עבודה מקסימלית לפי רמות בידוד השונות

נקודה חשובה בכל מקרה אסור לעבור את טמפרטורת העבודה המקסימלית כלומר
טמפרטורת העבודה המקסימלית > טמפרטורת סביבה מקסימלית + טמפרטורה עליית הטמפרטורה

סוגי סולנואידים

בתצורת שנאי – סולנואידים אלה מורכבים מסליל עם ליבה מתכתית העשויה ממתכת חצויה בדומה לשנאי שחצו אותו לשניים תצורה זאת מסייעת בהפחתת זרמים תועים ומייעלת את ביצועי הסולנואיד. לסולנואיד זה יש זרם התחלתי גבוה ,וכוח מכאני גדול בהפעלה הראשונית.

סולנואיד ליניארי – זהו אחד הסולנואידים המוכרים ביותר. סולנואידים ליניאריים כוללים ליבת מתכת עטופה בסליל, המספקת כוח דחיפה או משיכה להפעלת ציוד. פעולה זו הופכת אותו לפופולרי לשימוש בהתקני התנעה רבים, כגון מערכות הצתה לרכב. סולנואידים ליניאריים הם גם אידיאליים לשימוש במנעולים חשמליים כדי לאפשר לדלת לעמוד בכוחות משמעותיים כשהיא נעולה.

סולנואיד סיבובי – בסולנואיד סיבובי הוא בעל אותם רכיבים חיוניים כמו סולנואידים אחרים אך עם אופן פעולה ייחודי. סולנואידים סיבוביים פועלים באמצעות ליבת מתכת הממוקמת על דיסק מחורץ, החריצים על הרכיב הנע ממוקמים לפי החריצים בגוף הסולנואיד, ומסבים כדוריים מאפשרים קלות תנועה משופרת. כאשר הסליל מקבל מתח ומופעל הליבה נסוגה לתוך גוף הסולנואיד וליבת הדיסק מסתובבת. כאשר הוא כבוי, קפיץ דוחף את ליבת הדיסק חזרה למצב ההתחלה שלה. מכיוון שהם חזקים יותר מסוגים אחרים של סולנואידים, סולנואידים סיבוביים משמשים לעתים קרובות ביישומים תעשייתיים כמו תריסים אוטומטיים ופעולות סיבוביות שונות.
סלילי הסולנואיד הסיבוביים מייצרים תנועה זוויתית או סיבובית בכיוון השעון או נגד כיוון השעון.
התנועה של סליל סולנואיד סיבובי יכולה להיות 25°, 35°, 45°, 60° ו-90°. התנועה הסיבובית יכולה להיווצר כאשר הסליל מופעל או לא מופעל או כאשר יש שינוי בקוטביות של השדה האלקטרומגנטי.

בהצלחה.