Mecanismos: solenoides

Joel Carrasco
Joel Carrasco

Desde que la gente empezó a jugar con la electricidad, hemos demostrado ser expertos en formas de aprovechar ese poder y transformarlo en movimiento. Los motores eléctricos de todo tipo mueven el mundo, pero están lejos de ser la única forma de mover la electricidad. Cuando desee una rotación continua, el motor es el camino a seguir. Pero para aplicaciones de encendido y apagado más simples donde un buen control de posición no es crítico, un solenoide se parece más a lo que necesita. Estos dispositivos electromagnéticos se encuentran en todas partes y siguen en nuestra serie sobre mecanismos útiles.

Bobina y buzo

Un físico le dirá que un solenoide es simplemente una bobina de alambre a través del cual puede pasar corriente. Aquí lo tienes. Sin embargo, excepto en el laboratorio físico, un dispositivo tan simple no es muy mecánico, por lo que lo que tendemos a considerar como un solenoide es un poco más complicado. Un práctico solenoide tiene una bobina, pero también tendrá varias partes mecánicas para que funcione como actuador.

Solenoide tipo buzo. Fuente: UniqueMachines

Un solenoide de buceo es un buen ejemplo de lo básico. El núcleo de aire de la bobina del solenoide está parcialmente ocupado por un émbolo de hierro o acero dulce, mantenido en su lugar por un resorte de retorno. Cuando se aplica corriente al devanado, se forma un campo magnético y el émbolo se empuja con fuerza hacia el núcleo del solenoide. Cuando la corriente deja de fluir, el campo magnético colapsa y la fuente de retorno obliga al buceador a regresar al estado de reposo. Esta es una característica de la mayoría de los solenoides: están alimentados o no. Esto los hace ideales para trabajos que necesitan colocar algo en una posición u otra en una distancia corta, como válvulas que detienen el flujo de líquido a través de una tubería o tubo.

Los solenoides de buceo van desde los más pequeños hasta los ridículamente grandes. En el lado pequeño, los solenoides de buceo ven el servicio como aceleradores para válvulas de microfluidos en aplicaciones científicas y médicas, y en el disco para el estilo eficiente de las impresoras matriciales de puntos (sí, cada uno de esos puntos es el émbolo de un solenoide).

Probablemente interactúe con solenoides de tamaño mediano a diario. El clic al principio y al final del congelador de su refrigerador es lo que abre y cierra el agua para volver a llenar la bandeja. Oirá un clic similar en las máquinas de refrescos de origen. Y esos magos del pinball entre nosotros testificarán que las fuerzas que lanzan esa bola plateada alrededor del campo de juego son generadas por solenoides.

Aumentando la escala, hay un solenoide bastante grande dentro del motor de casi todos los automóviles y camiones en la carretera, al menos aquellos con motores de combustión interna. El solenoide se encuentra en el motor de arranque y es responsable de conectar y desconectar el arrancador del sistema. El émbolo del solenoide está conectado al eje del motor mediante una palanca. Cuando se gira la llave de encendido, la bobina del solenoide se energiza, tirando del émbolo y moviendo la palanca a lo largo del eje del motor que ahora gira. Esto empuja una marcha para engranar con la inercia del motor para arrancar el motor hasta que arranca.

Estilos de solenoide

Un tipo de solenoide rotativo. Fuente: UniqueMachines

Hay disponibles otros estilos de solenoide, incluidos los solenoides giratorios. Tal como suenan: aceleradores que pueden girar entre dos posiciones. Los diseños varían, pero los tipos más comunes tienen un rotor magnético constante en un eje dentro del núcleo del solenoide. Cuando se energiza la bobina, el rotor experimenta un par debido al campo magnético, similar al rotor de un motor magnético constante. Sin embargo, el rotor se detiene físicamente y un resorte lo devuelve a la posición de reposo cuando se desactiva el devanado. Si se invierte la polaridad de la bobina, entonces el rotor y el eje se pueden girar de manera diferente, lo que hace que este estilo de solenoide rotatorio sea biestable. Otros solenoides giratorios utilizan un disco de metal con ranuras deslizantes y cojinetes de bolas; cuando el émbolo es aspirado hacia el núcleo, los rodamientos de bolas fuerzan al disco y al eje a girar a lo largo de las ranuras.

CA, CC y amortiguación

Como dispositivos eléctricamente simples, los solenoides pueden funcionar con CA o CC. Un solenoide de CC tiende a ser más silencioso porque el campo es constante mientras que el devanado se fortalece. Un solenoide de CA tiende a charlar, ya que el campo magnético varía y la fuerza del resorte de retorno lo supera tan pronto como la corriente cambia de dirección en la bobina. Esta tendencia se puede mitigar mediante el uso de un anillo de sombra para cambiar el circuito magnético de los solenoides alternos. Un anillo de sombra es solo un pequeño anillo de cobre que se encuentra dentro del núcleo del solenoide, por lo que entra en contacto con el émbolo cuando está completamente retraído. El campo magnético de la bobina energizada induce una corriente dentro del anillo, que a su vez crea su propio campo magnético, que retrasa la fase del campo del solenoide en 90 °. Cuando el campo del solenoide cae a cero mientras la forma de onda de CA pasa el punto cero, el flujo magnético del anillo de sombra mantiene el solenoide retraído, eliminando la molesta vibración.

Si bien cualquier solenoide funcionará con CA o CC, se debe tener cuidado de observar las especificaciones de la bobina. Los solenoides representan una carga inductiva y, por lo tanto, su impedancia es mucho mayor en aplicaciones alternativas. Entonces, si un solenoide clasificado para 24 VCA funcionara a 24 VCC, probablemente se quemaría rápidamente porque la corriente que lo atraviesa excedería las especificaciones de diseño. Esto podría evitarse mediante una resistencia limitadora de corriente o reduciendo la corriente continua.

Como su primo el relé, los solenoides pueden dañar cualquier circuito que los controle. Cuando se elimina la corriente que fluye a través de un solenoide o una bobina de relé, el voltaje aumenta cuando el campo magnético colapsa. Si ese pico entra en partículas sensibles, como un transistor que acciona el devanado, el dispositivo podría destruirse. El medio clásico para esto con bobinas de CC es el diodo de parche, conectado en paralelo a través de la bobina con el ánodo en el lado negativo. El aleteo le da a la corriente inducida un lugar adonde ir cuando se quita la energía del devanado para evitar que induzca el pico de alto voltaje. Los diodos amortiguadores no funcionarán en bobinas de CA, por lo que un amortiguador RC, con una pequeña resistencia y capacitancia en serie colocados en paralelo entre sí a través de la bobina, tiene el mismo propósito.

Esto es solo un breve vistazo a lo que son y hacen los solenoides, y cómo incorporar estos dispositivos en sus proyectos.

  • Ren dice:

    “El solenoide se encuentra en el motor de arranque y es responsable de conectar y desconectar el motor de arranque del sistema”.

    En el caso de los Ford más antiguos, el “solenoide” era un relé electromagnético que activaba el motor de arranque, la fuerza centrífuga tiraba del motor de arranque a la inercia y el resorte Bendix tiraba del motor de arranque hacia atrás cuando la inercia giraba más rápido que el motor de arranque.

    • macona dice:

      Este sigue siendo el diseño predominante en motores pequeños. No se necesita ningún solenoide de arranque en nada pequeño. Desde muy joven diría menos de 30 CV.

    • Doug dice:

      Mayor es relativo. Un tipo de arrancador ford usó uno de sus devanados de campo para insertar un émbolo conectado a una conexión que enganchó el engranaje de pinza antes de completar el circuito eléctrico a la armadura del motor. De hecho, un solenoide secretamente visible.

      • PuceBabuino dice:

        Otra vez más viejo … mis primeros solenoides de cinta fueron de autos viejos y descartados (descartados). Eso fue hace mucho tiempo y los autos ya estaban bastante oxidados y destripados. Los solenoides eran los actuadores de los indicadores de “dedo señalador”, que eran comunes en los días antes de que las luces indicadoras intermitentes delanteras y traseras fueran estándar. Eran comunes en los autos “caja” construidos en los años 20 y 30 y generalmente se ubicaban en el pilar central que separaba las puertas delantera y trasera. Se puede ver uno aquí (https://en.wikipedia.org/wiki/Lanchester_Ten#/media/File:Lanchester_10_first_registered_Dec_1935_1203cc.JPG) justo detrás de la ventana del lado del conductor.

        Bastante fácil de quitar (especialmente cuando no tenías que preocuparte por rayar la pintura) y muy divertido experimentar con el uso de una de las gruesas baterías de “linterna” de 9v que generalmente estaban disponibles en los años 60.

        • Ren dice:

          “Los solenoides eran los actuadores de los indicadores de ‘señalar con el dedo’, que eran comunes en los días antes de que las luces indicadoras delanteras y traseras parpadeantes fueran estándar”.

          Para su información, creo que se llaman semáforos …
          al menos así los llaman los fanáticos de VW.

          • Herbert dice:

            Genial tiene algunos autos con estos. siempre se quedan así que saludamos de todos modos

          • PuceBabuino dice:

            De todos modos, dos dedos siempre son mejores que uno para hacer señales con las manos. 🙂

      • Gregg Eshelman dice:

        El “pulpo en movimiento”, como lo llamó Ford. El motor de arranque “solenoide” es en realidad un relé de alta corriente para conectar la batería directamente al motor de arranque.

        El flujo magnético en la bobina de campo tira del núcleo de la bobina hacia abajo. Una palanca en el otro lado del pivote central empuja la transmisión Bendix para engranar con la corona dentada.

        Los solenoides de arranque de Ford eran una solución rápida común para los arrancadores de GM cuando los contactos dentro de sus solenoides montados en el motor de arranque se quemaban hasta que estaban fuera de servicio. Esto también es posible al instalar un motor de arranque nuevo o al construir un automóvil personalizado, para evitar la necesidad de tener que reemplazar siempre * el motor de arranque GM o el solenoide. Solenoide de arranque de google ford en chevy

        * Además del desgaste mecánico o falla del inducido o devanados del solenoide o las escobillas de carbón.

  • Ren dice:

    Mi primer encuentro con un diodo de parche fue en el solenoide de cambio de pista del reproductor de 8 pistas.

  • Ostraco dice:

    “Estos dispositivos electromagnéticos se encuentran en todas partes y siguen en nuestra serie de dispositivos útiles”.

    También logrado por hidráulica.

    • macona dice:

      Yo diría que se cansa más a menudo. Los neumáticos son generalmente todo o nada como la mayoría de los solenoides. Si utiliza sistemas hidráulicos, probablemente desee controlar un poco el movimiento.

      • fm` dice:

        Tanto el sistema hidráulico como el neumático funcionan con un solenoide electromecánico integrado en una válvula.

        • Hannahranga dice:

          Solo en aplicaciones más grandes y complicadas, muchas controladas por válvulas manuales.

          • Ren dice:

            Tal vez no en los tractores modernos, pero la mayoría de las herramientas de los tractores agrícolas, así como los patines, eran de mano hace 20 años (ahora estoy seguro de cómo se fabrican, no me sorprendería si “vuela por cable”) agricultura.)

          • PuceBabuino dice:

            O “Traffickers”, aparentemente, aunque no recuerdo haber escuchado términos … pero hay muchas cosas que no recuerdo en este momento :-)) https://en.wikipedia.org/wiki/Trafficers

        • macona dice:

          Más formas que solo válvulas solenoides. Hay válvulas operadas manualmente, válvulas operadas por servicio con lazos de control de posición completa para hidráulica, válvulas de control mecánico e incluso válvulas operadas neumáticamente que utilizan sistemas lógicos aéreos.

  • a B C dice:

    Te amo Jeri … Le das sentido a todo.

    • Ren dice:

      Yo también la amo, pero ella no escribió este artículo …
      (Debido a la orden de restricción, ya no puedo comentar sobre B ^)

  • BT dice:

    Vi ese video para ver más de ese bonito aspecto que muestra Tektronix.

    Luego, en otros lugares, me inundaron los anuncios de Tektronix que nunca antes había tenido.

    Entonces, ¿me engañé a mí mismo para ver un anuncio? ¿Y estuvo HaD involucrado en esto? ¿Este artículo “educativo” realmente nos engaña para que miremos la publicidad?

    Los anuncios honestos son una cosa y entiendo su razón de ser, pero no permitiré que me engañen para verlos o leerlos. Puedo elegir lo que leo y veo.

    • ian dice:

      para empezar, instale fantasmas: bloquea las CINCO pistas activas que parece usar la-tecnologia …

      • JohnU dice:

        Créame, 5 es un número muy bajo de pistas, la mayoría de los sitios web modernos tienen de 10 a 20 capas de basura.

        Ghostery + NoScript te sorprenderá con el desempeño de Internet.

        • Gregg Eshelman dice:

          Realmente extraño Controle de Scripts. Esta adición al navegador permitió un buen control de lo que las secuencias de comandos pueden hacer o no hacer. Podría bloquear TODAS las ventanas emergentes no utilizadas, explosiones, avance automático y otras mierdas automáticas molestas / peligrosas, sin embargo, permitiría que las iniciativas de los usuarios se ejecutaran (cosas que querías que sucedieran porque TÚ hiciste clic en algo).

  • Casco dice:

    ¡Hace muchos años solía arreglar unidades de cinta de casete en computadoras NCR antiguas! Una cosa que recuerdo vívidamente fue que se aplicó un gran pulso de corriente (durante unos 200 ms) para alimentar el solenoide, pero luego la corriente se redujo a una pequeña fracción (¿tal vez 1/4 de la punta?) Para mantener el solenoide en funcionamiento. (¿Es la fuerza sobre el buzo más fuerte cuando ya está dentro?). Diseño inteligente para aliviar los problemas térmicos de un solenoide operado durante mucho tiempo …

    • denis dice:

      Los inyectores de combustible automotrices de baja impedancia funcionan así, se llama “inclinar y mantener”. Actualmente una jeringa es mejor, por lo que los inyectores tienen una alta impedancia y solo funcionan directamente a 12v.

      Sin embargo, la mayoría de los arrancadores automotrices actuales usan esta técnica, el solenoide está cableado en serie con el motor principal. cuando el solenoide se activa, el motor principal es básicamente corto, por lo que el solenoide ve 12v cuando el solenoide está completamente acoplado, básicamente se acorta, pero la caída de voltaje a través de los contactos y algo de cableado es suficiente para mantener el solenoide activado. El fenómeno resultante ocurre cuando los contactos en el solenoide se queman (o las redes de solenoides) y el motor está en orden, cuando se gira la llave para arrancar, el motor se volverá muy lento.

      • Martín dice:

        inyectores de combustible: eso depende. AFAIK en diesel common rail todavía tienen que hacer un techo y aguantar. Estos inyectores deben moverse muy rápido y controlar presiones de hasta 1000 bar y más en ms. A menudo, hay varias inyecciones en un ciclo de trabajo de compresión. Se patean con una potencia muy alta, pueden llegar a kW y se cura la energía de desmagnetización. La primera razón de esto es desmagnetizar contra el alto voltaje (más rápido) y, en segundo lugar, por supuesto, ahorrar energía.

        solenoide inicial: normalmente tiene dos devanados, el devanado fuerte y estirado se acorta como usted describe, pero es un devanado de retención.
        En una máquina de pinball, el brazo de pinball también tiene dos bobinados, el fuerte se apaga mediante un contacto de interruptor de límite.

        • Stephen Walsh dice:

          Mayormente correcto, pero tal vez no por la razón que crees. La velocidad que alcanzará un solenoide comenzará a partir de la corriente en la bobina (entre otras cosas) y la corriente en la bobina solo puede acumularse tan rápido como lo permita la inductancia de la bobina. Si asume que la inductancia de la bobina es constante e independiente de la posición de inmersión, entonces la corriente aumentará como se describe: I = L * V / t por lo que la corriente (y la fuerza de inmersión) aumentará más rápido si se reduce la inductancia L . o el voltaje V aumenta.

          Top and hold se usan ampliamente para solenoides, así como para motores paso a paso más grandes, entre otros, pero tienen la desventaja de que el doble voltaje impulsa la bobina, lo que complica el proyecto del controlador, mientras que un sistema de doble bobina puede usar una bobina rápida con baja inductancia con una bobina. captura un poco más tarde y ambas unidades de bobina solo necesitan ser el mismo circuito de controlador simple en muchos casos. Esto es a menos que también se necesite una restauración rápida del émbolo. Si es así, entonces la ecuación anterior es válida y el voltaje directo del diodo “fluctuante” sujeta V a un valor bajo, lo que hace que la caída del campo magnético sea bastante suave y por lo tanto la liberación del buceador se retrasa.

          Desafortunadamente, la inductancia no es (y no puede ser) constante, por lo que no es tan simple. Si la inductancia fuera constante e independiente de la posición de buceo, entonces el buceador no experimentaría ninguna fuerza. La fuerza que siente el buceador es proporcional al cambio de inductancia en relación con el cambio de posición o dL / dx. El resultado final es que a medida que aumenta la corriente y el émbolo se mueve en respuesta, aumenta la inductancia, lo que ralentiza la velocidad a la que aumenta la corriente y, por lo tanto, ralentiza la respuesta del solenoide. Las matemáticas para describir estos efectos y las reacciones del buceador son un poco más complejas. Ofrezco un buen texto sobre el tema si quieres satisfacer tu curiosidad.

          No soy fanático del término “diodo de parche” porque me parece confuso. Encuentro un “diodo libre” menos ambiguo y menos probable que se confunda con el diodo de baja pérdida. Un flirter RC rara vez se usa en una situación de solenoide de CC y en realidad tiene dos propósitos en un circuito de CA típico: uno debe presentar una corriente inmediata a un tiristor para cumplir con la especificación de corriente de retención para el tiristor hasta que la corriente de bobinado pueda tomar el control y el otro propósito es disipar la energía de la bobina cuando se desenergiza. Cuando una bobina se desenergiza mientras tiene un campo magnético incorporado, la energía magnética debe disiparse en algún lugar. El condensador de flauta se elige para que sea lo suficientemente grande como para absorber esa energía y la resistencia se elige para amortiguar el circuito de segundo orden formado por el condensador de flauta y el devanado a un valor típicamente alrededor de la amortiguación crítica (alrededor de 0,7) o más alrededor de la amortiguación de Bessel ( aproximadamente 0, 86). Algo más que eso excede y probablemente representa una disipación de potencia excesiva en la resistencia en condiciones normales de bobina de energía (por supuesto en circuitos de CA).
          Espero que no haya sido una lectura completamente borrosa y espero haber hecho algunas conversiones lejos de un diodo “coqueto” cuando “rueda libre”, “captura”, “EMF trasero” o incluso “antiparalelo” son mucho mejores. . condiciones. 🙂

  • mufuo dice:

    ¿Se puede cortar un solenoide para hacer una pistola de riel?

    • Martín dice:

      No. Como su nombre lo indica, un cañón de riel necesita rieles, rieles gruesos y pesados ​​de cobre. Podrías cortar solenoides a un bobinado. Un simple CG de una sola página no es más que un solenoide con un émbolo de movimiento libre.

      • Tú quieres dice:

        Cue ElectroBoom y su lanzador de mini carretes:

    • Greenaum dice:

      Si desconecta la pieza que sostiene el émbolo, NO puede ser una pistola de riel.

      [if you want a boring answer, you’re tallking about a coil gun / Gauss gun, rather than a rail gun. They use coils just like that, but designed to have particularly good characteristics for firing projectiles]

  • Fred dice:

    La función de los solenoides se copia en cosas como aceleradores de bloqueo central por un motor pequeño. No tan rápido de correr, pero sí bastante rápido. La corriente de funcionamiento es más baja y tienen una potencia de “batido” mucho mejor (la potencia de tracción es como mucho la misma que la amplitud mínima), y la mayoría funciona en contrafase. Con algunos inteligentes, también pueden hacer que una posición (es decir, un movimiento de inmersión parcial) sea útil para el control de los sistemas hidráulicos de los tractores, etc.
    A menos que se necesite una respuesta rápida (como inyectores de combustible), ahora son casi los mejores.

  • Dan dice:

    Un comienzo interesante para los solenoides.
    ¿Existe la posibilidad de que en un próximo artículo se hable más sobre sus pros y contras, cómo especificarlos y diseñar mecanismos para ellos, etc.? Eso es lo que siempre me obstaculiza. Por lo general, un solenoide se siente fuerte o es fuerte sobre el papel, pero no opera ningún mecanismo.

  • Gregg Eshelman dice:

    Motor de solenoide V8. https://www.youtube.com/watch?v=uhYEdD94vH0

    ¿Cuándo construirá alguien tal arreglo dentro de un motor de combustión interna? Ahora, eso sería realmente una conversión eléctrica. Comience con lo básico, convierta Briggs & Stratton de un solo cilindro, luego haga un V-twin. Trabaje con un motor de automóvil de 4 cilindros en línea, luego un V6 o V8.

    ¿No sería divertido en una exhibición de autos? Un automóvil caliente parece tener el Chevy 350ci común, pero en realidad es un motor de solenoide eléctrico.

  • PhysSec Ulo dice:

    Otra forma en la que muchos de nosotros probablemente interactuamos con los solenoides a diario es el acceso a una tarjeta. Las huelgas eléctricas y (algunas) galletas electrificadas usan solenoides para bloquear / desbloquear.

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