Solenoides

Un solenoide se define como una bobina de alambre, normalmente con la forma de un cilindro largo, que al transportar una corriente se asemeja a un imán de modo que un núcleo móvil es atraído a la bobina cuando fluye una corriente. Una definición más sencilla es que un solenoide es una bobina y un núcleo de hierro móvil usados para convertir energía eléctrica en energía mecánica.

Ilustración 1. Tomado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Solenoide#/media/File:Solenoide.jpg

Hay dos leyes básicas que gobiernan los solenoides:

• Ley de Faraday
• Ley de Ampere

Ley de Faraday

La tensión inducida en una bobina es proporcional al número de vueltas y a la tasa de cambio del flujo. La corriente inducida fluye en la dirección opuesta al cambio de flujo. El flujo no se acumula, en pocas palabras lo que entra es lo que sale.

Ley de Ampere

La fuerza magnetomotriz (fmm) alrededor de un bucle cerrado es igual a la corriente neta encerrada por el bucle. El objetivo del diseño de solenoides es transferir la máxima cantidad de NI (energía) desde la bobina al entrehierro de trabajo.

Funcionamiento
El solenoide está conformado por un embobinado hueco que se encuentra dentro de un contenedor rectangular o cilíndrico, cuyos costados suelen estar abiertos. En uno de los costados tiene un orificio en donde el émbolo es empujado hacia afuera. Cuando deja de alimentarse de corriente al embobinado, el émbolo regresa a su posición original gracias a un resorte.

Ilustración 2. Tomado de: https://www.330ohms.com/blogs/blog/113042692-solenoides-actuadores-mecanicos

Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un alambre conductor, éste genera un campo magnético cuyos polos están determinados por la dirección del flujo de la corriente en el embobinado. Si el émbolo está hecho de un material ferromagnético, el campo magnético creado por el paso de la corriente en el embobinado atraerá el émbolo hacia el centro del embobinado. Por otra parte, se coloca un resorte para que aplique una fuerza de resistencia proporcional mientras el émbolo entra en la cavidad rodeada por el embobinado.

Tipos de solenoides

• Solenoides giratorios

Proporcionan una carrera rotacional que se mide en grados. Algunos son unidireccionales y otros son bidireccionales. La mayor parte tienen un retorno a resorte para devolver la armadura (parte móvil) a la posición inicial. Los solenoides giratorios con frecuencia se usan cuando el tamaño paquete es de la mayor importancia y el trabajo que desempeñan se distribuye de manera más eficaz en toda su carrera. Los solenoides giratorios tienen un fuerza/par de arranque mayor que la de los solenoides lineales. Son más resistentes al impacto. Los solenoides giratorios también ofrecen vida útil más larga (en número de actuaciones) que los solenoides lineales.

Ilustración 3. Tomado de: http://www.sapiensman.com/tecnoficio/docs/doc65.php

Una de las aplicaciones más comunes que ayuda a ilustrar la función de un solenoide giratorio es abrir y cerrar un obturador láser.

• Solenoides lineales

Proporcionan una carrera lineal normalmente menor de una pulgada en cualquier dirección. Al igual que los giratorios, algunos solenoides lineales son unidireccionales y algunos son bidireccionales. Los solenoides lineales normalmente se clasifican como de tirar (la ruta electromagnética tira de un émbolo hacia el cuerpo del solenoide) o de tipo de empujar en el cual el émbolo / eje se empuja hacia afuera de la caja. Muchos tienen un retorno a resorte para devolver el émbolo o émbolo y eje a la posición inicial. Los solenoides lineales son dispositivos menos complejos y son significativamente menos costosos que los productos giratorios. También ofrecen menos ciclos de vida útil y a veces tienden a ser más grandes.

Tomado de: http://basketbolt.blogspot.mx/2012/06/el-solenoide.html

Los solenoides lineales tienen aplicaciones en electrodomésticos, máquinas vendedoras, seguros de puerta, cambiadores de monedas, disyuntores de circuito, bombas, aparatos médicos, transmisiones automotrices y máquinas postales, por nombrar sólo unas cuantas.

Consideraciones de aplicación para diseñar un solenoide

• Carrera
• Fuerza o par
• Tensión
• Corriente / energía
• Temperatura
• Tiempo/velocidad de operación
• CA / CD
• Vida útil

1. Carrera

Al aplicar solenoides, mantenga la carrera tan breve como sea posible para mantener el tamaño, peso y consumo de energía al mínimo.

2. Fuerza

Se aplica a productos lineales. La fuerza de arranque típicamente es más importante que la fuerza de terminación. Se sugiere un factor de seguridad de 1.5. Por ejemplo, una aplicación que requiera 3 libras de fuerza deberá emplear un solenoide que proporcione al menos 4.5 libras de fuerza. La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado del entrehierro con los diseños de émbolo de cara plana. El entrehierro es el espacio en el circuito magnético que permite que la armadura se mueva sin interferencia y el flujo magnético para circular con resistencia mínima (reluctancia).

3. Tensión

La fuente de tensión determina el devanado de bobina a usar en el solenoide adecuado. Las clasificaciones comunes de fuente de alimentación de CD son 6,12,24,36 y 48 VCD. Solenoides de CA vs. CD – Los solenoides de CA se usan más frecuentemente en electrodomésticos. En general los solenoides de CA se especificaban cuando había un alto costo en la rectificación a CD. Los solenoides de CA típicamente requieren el doble de la energía de irrupción de un solenoide de CD equivalente. En consecuencia, para las aplicaciones de hoy en día se eligen más solenoides de CD.

4. Corriente/Energía

La fuerza producida por un solenoide de CD es proporcional al cuadrado del número de vueltas (N) en el devanado de bobina multiplicado por la corriente (I). Esto determina los amperes-vueltas o NI. Los requisitos de bobina del solenoide deben ser iguales a la fuente de alimentación.

5. Temperatura

Se debe considerar tanto la temperatura ambiente del ambiente del solenoide como el auto calentamiento del solenoide en funcionamiento. La resistencia de la bobina varía con la temperatura que afecta la salida de fuerza. La temperatura de auto calentamiento está dictada por el ciclo de servicio. Cada aumento de 1° por encima de 20° C es igual a un aumento de 0.39% de la resistencia nominal; lo que reduce la salida de fuerza o par.

6. Tiempo/velocidad de operación

Los factores que afectan el tiempo y la velocidad incluyen la masa de la carga, la potencia/vatios disponibles y la carrera. La desenergización también juega un papel importante y es afectada por el entrehierro, supresión de bobina, mecanismo de retorno del émbolo o armadura, y el magnetismo residual.

1. El entrehierro es el espacio en el circuito magnético que permite que la armadura se mueva sin interferencia y el flujo magnético para fluir con resistencia mínima (reluctancia). Cuanto más pequeño es el entrehierro, más tiempo necesita para disminuir el campo magnético resultante de la bobina excitada. Esto causa un tiempo de desenergizado más largo.
2. La aplicación de dispositivos de protección electrónica para reducir picos causados al interrumpir la corriente en la bobina es necesaria para garantizar la protección de su dispositivo de conmutación. La supresión de bobina tiende a aumentar el tiempo de desenergizado del solenoide.
3. Puesto que los solenoides tienen fuerza sólo en una dirección, debe haber una fuerza de restauración (como la gravedad o un resorte) para devolver el solenoide a la posición de arranque o desenergizada. Esto ubica al solenoide para la siguiente operación.
4. Las superficies del entrehierro de un solenoide se vuelven el polo norte y sur de un imán cuando se energizan. Cuando el solenoide está apagado, sigue existiendo entre los polos una atracción magnética pequeña pero mensurable llamada magnetismo residual. El magnetismo residual se puede reducir al construir las piezas del solenoide de hiperaleaciones o al aumentar el tamaño del entrehierro.

7. Aspectos ambientales

Se deben señalar muchos factores ambientales al elegir un solenoide. Entre ellos están temperatura, arena / polvo, humedad, impacto, vibración, vacío, productos químicos y polvo de papel.

8. Vida útil del solenoide

La vida útil se determina y es optimizada por:

1. Sistema de cojinete y acabado de la superficie del eje
2. Carga lateral y alineación de la carga
3. Impedir que las piezas del polo choquen entre sí
4. Reducir el impacto al des energizar
5. Las expectativas de vida útil de un solenoide van de 50 mil ciclos a más de 100 millones de ciclos.

Ejemplo de aplicación de un solenoide

Referencias

Platt, Charles, Encyclopedia of Electronics Components. Power Sources & Conversion, Volume I,O'Reilly Media Inc., U.S.A., Pages 173-177.

http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_6.html

http://www.nsfcontrols.co.uk/technical-support/solenoid-fundamentals/