Comprender el diseño y el funcionamiento de los solenoides

Un solenoide es un dispositivo electromecánico que se caracteriza por un accionamiento lineal electromagnético cuando se somete a una corriente eléctrica. El dispositivo es una bobina de alambre que, al recibir energía, genera un campo magnético dentro de su núcleo. El campo magnético mueve una armadura para diversas aplicaciones, como el cierre, la industria, la automoción y la medicina. Este artículo describe el diseño de un solenoide y su funcionamiento.

Índice de contenidos

• Diseño del solenoide
• ¿Cómo funciona un solenoide?
• Fórmula del campo magnético de un solenoide
• Aplicaciones de bobinas
• Preguntas frecuentes

Diseño del solenoide

Como se ve en la Figura 2, las partes del solenoide son las siguientes:

• Bobina (A): Un hilo de cobre firmemente enrollado alrededor del núcleo estacionario.
• Núcleo estacionario (B): Un cilindro ferromagnético
• Anillo de sombreado (C): Un anillo de sombreado, o bobina de sombreado, es una o varias vueltas de un conductor eléctrico (cobre o aluminio).
• Primavera (D): Un muelle de acero inoxidable que devuelve la armadura a su posición normal cuando la bobina se desenergiza.
• Armadura (E): Parte del núcleo estacionario que se mueve cuando se excita la bobina, también llamado émbolo del solenoide.

¿Cómo funciona un solenoide?

Un campo magnético se forma cuando la corriente en un solenoide fluye a través de la bobina. La intensidad del campo es directamente proporcional a la corriente, el número de bobinados y la permeabilidad del material ferromagnético del núcleo estacionario. El núcleo funciona como un circuito magnético para el campo magnético. En otras palabras, el núcleo actúa como un camino cerrado que confina el campo magnético.

El campo magnético induce una fuerza sobre el inducido que tira de él hacia arriba o lo empuja hacia abajo. Lo normal es tirar del inducido hacia arriba, pero si se extiende el lado del inducido cercano al núcleo estacionario con una varilla de empuje, el campo empuja el inducido hacia abajo. En ambos casos, se comprime un muelle. El inducido permanece en la posición mientras permanece el campo. Cuando el campo se disipa, el muelle devuelve el inducido a su posición original.

Por último, el anillo de sombreado proporciona una vía de baja impedancia para un pico de alta tensión generado cuando se disipa el campo magnético. Esto disminuye la magnitud y duración del pico de tensión, lo que protege el circuito.

Bobinas de CC frente a bobinas de CA

Trabajar con solenoides de corriente continua o alterna tiene ventajas e inconvenientes. Un solenoide de CC funciona como se ha explicado anteriormente. La corriente continua que fluye a través de un solenoide crea una fuerza magnética lo suficientemente fuerte como para superar la fuerza del muelle, elevando la armadura dentro de la bobina. Cuando la bobina se desexcita, el muelle empuja el inducido hacia abajo.

Las bobinas de CA son más complejas porque la CA cambia de polaridad. Dos veces por período, la corriente es cero, con lo que la fuerza magnética es nula. Como la fuerza del muelle empuja constantemente el inducido hacia abajo, éste vibra y crea un zumbido que somete a tensión a los componentes. Para resolver este problema, un anillo de cobre alrededor del inducido almacena parte de la energía magnética, reduciendo la vibración.

Cuando la fuerza magnética vence a la fuerza del muelle y el inducido se eleva por completo, la corriente que circula por la bobina puede reducirse para ahorrar energía. La CC responde más lentamente que la CA, por lo que las bobinas de CA son más eficientes energéticamente.

Fórmula del campo magnético de un solenoide

El campo magnético de una bobina depende del número de espiras por unidad de longitud, de la intensidad de la corriente que la atraviesa y de la permeabilidad del material. La fórmula para medir la intensidad del campo es:

Dónde:

• B: la densidad de flujo magnético
• μ₀: La constante de permeabilidad que es de 12,57 x ^{10-7 Hm-1}
• I: La corriente que pasa por la bobina
• N: El número de vueltas
• L: La longitud de la bobina

Equilibrio de fuerzas de la electroválvula

El principio básico de una electroválvula es un equilibrio de fuerzas entre, por un lado, la fuerza magnética del solenoide y, por otro, la presión del medio y la fuerza del muelle. Calcula la fuerza magnética necesaria para una electroválvula de mando directo con la siguiente fórmula:

Dónde:

• F_s = fuerza del solenoide (N)
• p = presión (Pa) (¹⁰⁵ Pa = 1 bar)
• A = orificio (^m2)
• F_spring= fuerza del muelle (N)

Ejemplo

Un solenoide dado proporciona una fuerza de 15N. Para utilizar este solenoide para controlar un diferencial de presión de 10 bares, se puede calcular el diámetro máximo del orificio.

Esta fórmula no puede utilizarse para las válvulas de accionamiento indirecto. Las electroválvulas de accionamiento indirecto tienen un orificio más pequeño y utilizan la presión del medio para conmutar.

Aplicaciones de bobinas

• Aplicaciones de bloqueo: El campo magnético atrae el émbolo dentro del solenoide, haciendo que se mueva y bloquee el mecanismo. Un muelle empuja el émbolo hacia atrás cuando se corta la corriente, liberando el cierre. Los solenoides pueden utilizarse en diversas aplicaciones de cierre, como puertas, máquinas expendedoras, barreras de acceso y muchos otros dispositivos de seguridad.
• Aplicaciones en automoción: Los solenoides se utilizan en diversas aplicaciones de los vehículos, como el cambio de la transmisión, el arranque del motor, el funcionamiento de los sistemas de inyección de combustible, el cierre de puertas y el accionamiento de válvulas.
• Aplicaciones médicas: Los solenoides se utilizan en aplicaciones médicas para controlar el flujo de fluidos, regular válvulas en sistemas de gases medicinales, accionar bombas y dispensadores y controlar el movimiento de equipos médicos.
• Aplicaciones ferroviarias: En la industria ferroviaria, los solenoides se utilizan para accionar agujas y señales, controlar frenos, accionar puertas y ventanas, y en motores diésel para la inyección de combustible y la recirculación de gases de escape.
• Aplicaciones industriales: Los solenoides se utilizan en aplicaciones industriales para controlar válvulas, accionar sistemas neumáticos e hidráulicos, accionar embragues y frenos, controlar el movimiento de equipos y en procesos de automatización, robótica y fabricación. El actuador de un solenoide suele ser un solenoide con núcleo ferromagnético.

Preguntas frecuentes

¿Qué es una bobina de electroválvula?

Una bobina de solenoide es un alambre fuertemente enrollado que produce un campo magnético cuando la electricidad fluye a través de él y se utiliza para mover objetos, crear electricidad o activar un actuador de solenoide.

¿Los solenoides son de CA o de CC?

Los solenoides convierten la corriente alterna o continua en movimiento lineal.