ソレノイド — デバイス、操作、アプリケーション

この記事ではソレノイドに焦点を当てます。最初にこのトピックの理論的側面を検討し、次に実際的な側面を検討し、さまざまな動作モードでのソレノイドの応用分野に注目します。

ソレノイドは、長さが直径よりもはるかに長い円筒形のコイルです。ソレノイドという言葉自体は、solen と eidos という 2 つの単語の組み合わせで形成されており、最初の単語はチューブ、2 番目の単語は似ています。つまり、ソレノイドは筒状のコイルです。

広義のソレノイドは、円筒状のフレームにワイヤーで巻かれたインダクターであり、単層または多層にすることができます。ソレノイドのコイルの長さは直径を大幅に超えるため、直流電流が印加されると、このようなコイルを介して、その内部の内部空洞に、ほぼ均一な磁場が形成されます。

ソレノイドは、自動車のオートマチック トランスミッション ソレノイド バルブやスターター引き込みリレーなど、電気機械的な動作原理に基づく一部のアクチュエーターを指すことがよくあります。一般に、強磁性コアは後退部分として機能し、ソレノイド自体は機能します。 外側に磁気コアが取り付けられています、いわゆる強磁性ヨークです。

ソレノイドの設計に磁性材料が含まれていない場合、ワイヤに直流電流が流れると、コイルの軸に沿って磁場が形成され、その誘導は数値的には次のようになります。

ここで、N はソレノイドの巻数、l はソレノイド コイルの長さ、I はソレノイドの電流、μ0 は真空の透磁率です。

ソレノイドの両端では、磁気誘導はソレノイド内部の半分になります。これは、ソレノイドの両方の半分がその接合部でソレノイド電流によって生成される磁場に同等に寄与するためです。これは、半無限ソレノイドやフレームの直径に対して十分な長さのコイルにも当てはまります。エッジでの磁気誘導は次のようになります。

インダクタンスを持つ他のコイルと同様に、ソレノイドは主に誘導コイルであるため、ソレノイドは、ソレノイドの磁場を生成するコイルに電流を生成するために電源が行う仕事に数値的に等しいエネルギーを磁場に蓄積できます。

コイル内の電流が変化すると、自己誘導の EMF が発生し、ソレノイド コイルのワイヤの端の電圧は次のようになります。

ソレノイドのインダクタンスは次のようになります。

ここで、V はソレノイドの体積、z はソレノイド コイルのワイヤの長さ、n はソレノイドの単位長さあたりの巻き数、l はソレノイドの長さ、μ0 は真空透磁率です。

ソレノイドワイヤに交流電流が流れると、ソレノイドの磁界も交流になります。ソレノイドの AC 抵抗は本質的に複雑で、コイルのインダクタンスと有効抵抗によって決定される有効成分と無効成分の両方が含まれます。

ソレノイドの実用化

ソレノイドは多くの産業用途や民生用途で使用されています。多くの場合、リニアドライブは DC ソレノイド動作の一例にすぎません。レジのハサミ、エンジンバルブ、スタータープルリレー、油圧バルブなどを点検してください。交流では、ソレノイドはインダクタとして機能します るつぼ炉.

ソレノイド コイルは通常、銅で作られていますが、アルミニウム線で作られることは少なく、ハイテク産業では超電導コイルが使用されます。コアは鉄、鋳鉄、フェライト、その他の合金で、多くの場合シートの束の形をしているか、まったく存在しない場合もあります。

電気機械の目的に応じて、コアはさまざまな材料で作られます。電磁石の持ち上げ、種子の選別、石炭の洗浄などの装置。次にソレノイドの使用例をいくつか見ていきます。

ラインソレノイドバルブ

ソレノイドコイルに電圧を印加すると、バネにより弁体がパイロットポートに押し付けられ、ラインが閉じます。電流がバルブコイルに印加されると、アーマチュアと関連するバルブディスクがコイルに引っ張られて上昇し、スプリングに対抗してパイロット穴を開きます。

バルブの異なる側の圧力差により、パイプライン内で流体が移動します。バルブ コイルに電圧が印加されている限り、パイプラインは詰まりません。

ソレノイドがオフになると、スプリングによる抵抗力がなくなり、バルブが急激に下降し、パイロット穴が塞がれます。パイプラインは再び閉じられます。

自動車電磁スターターリレー

スターター モーターは基本的に、車のバッテリーから電力を供給される強力な DC モーターです。エンジン始動時には、スターターギヤ（ベンディックス）がクランクシャフトフライホイールにしばらくの間素早く噛み合う必要があり、同時にスターターモーターがオンになります。ここでのソレノイドはスターターソレノイドコイルです。

リトラクターリレーはスターターハウジングに取り付けられており、リレーコイルに電力が供給されると、ギアを前進させる機構に接続された鉄心が引き出されます。エンジン始動後はリレーコイルにより電源が遮断され、ギアはスプリングにより戻ります。

ソレノイドロック

電磁ロックでは、ボルトは電磁石の力によって駆動されます。このようなロックは、アクセス制御システムや水門システムで使用されます。このようなロックが装備されたドアは、制御信号の有効期間中にのみ開くことができます。この信号を除去した後は、ドアが開いたかどうかに関係なく、閉じたドアはロックされたままになります。

ソレノイド ロックの利点には、その設計が含まれます。エンジン ロックよりもはるかにシンプルで、耐摩耗性に優れています。ご覧のとおり、ここではソレノイドが再びリターン スプリングと組み合わされています。

加熱によるソレノイド付きインダクター

ソレノイドマルチターンインダクタは通常、加熱に使用されます。インダクタコイルは水冷銅管または銅バスバーで作られています。

中周波設備では単層巻線が使用され、産業用周波数巻線では単層または多層の巻線が使用されます。これは、インダクタの電気損失、負荷パラメータ、電圧パラメータ、電源の力率の順守条件により、電気損失が減少する可能性があるためです。誘導コイルの剛性を確保するために、最終的なアスベストセメントプレートの間にそのパテが最もよく使用されます。

現代の設備では 高周波焼入れと加熱 ソレノイドは高周波 AC モードで動作するため、通常は強磁性コアを必要としません。

ソレノイドモーター

シングルコイルソレノイドモーターでは、作動コイルのオン/オフを切り替えるとクランク機構が機械的に動き、戻りはソレノイドバルブやソレノイドロックと同様にバネによって行われます。

多巻線ソレノイド モーターでは、バルブの助けを借りてコイルの交互の作動が実行され、電源からの電流が正弦波電圧の半サイクルの 1 つで各コイルに供給されます。コアは一方または他方のコイルによって引き付けられ、往復運動を行い、クランクシャフトまたはホイールを回転させます。

実験施設のソレノイド

CERN の大型ハドロン衝突型加速器で動作する ATLAS 検出器などの実験設備では、ソレノイドも備えた強力な電磁石が使用されています。素粒子物理学実験は、物質の構成要素を発見し、宇宙を維持する自然の基本的な力を調査するために行われます。

テスラコイル

最後に、ニコラ テスラの遺産の愛好家は、コイルを構築するために常にソレノイドを使用します。テスラ変圧器の二次巻線はソレノイドにすぎません。そして、コイル内のワイヤの長さが非常に重要であることがわかりました。なぜなら、ここでのコイルの製造者は、ソレノイドを電磁石としてではなく、導波管、共振器として使用しているからです。ワイヤのインダクタンスだけでなく、この場合、ターン上の狭い間隔で形成されるキャパシタンスも含まれます。ちなみに、二次巻線の上部にあるトロイダルは、この分布容量を補償するように設計されています。

私たちの記事があなたのお役に立てば幸いです。すべてをリストしたわけではないので、ソレノイドとは何か、また現代世界にはソレノイドの応用分野がどれほどあるのかがわかりました。