Comprendiendo el diseño y la función del solenoide

Un solenoide es una bobina de alambre que, cuando se energiza, genera un campo magnético en su núcleo. Este dispositivo electromecánico presenta una actuación lineal electromagnética cuando se somete a una corriente eléctrica. Este campo magnético mueve una armadura ferrosa, permitiendo o bloqueando el flujo a través de una válvula solenoide. Los solenoides se utilizan comúnmente en diversas aplicaciones, como el control del flujo de fluidos en sistemas hidráulicos y neumáticos. Este artículo describe la forma constructiva de un solenoide y cómo funciona.

Tabla de contenidos

• Forma constructiva del solenoide
• Cómo funciona un solenoide?
• Fórmula del campo magnético de un solenoide
• Resistencia de la bobina del solenoide vs temperatura
• Equilibrio de fuerzas en la válvula solenoide
• Aplicaciones de la bobina del solenoide
• Preguntas frecuentes

Forma constructiva del solenoide

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

• Bobina (A): Un alambre de cobre enrollado firmemente alrededor del núcleo estacionario.
• Núcleo estacionario (B): Un cilindro ferromagnético
• Anillo de sombreado (C): Un anillo de sombreado, o bobina de sombreado, es una vuelta única o unas pocas vueltas de un conductor eléctrico (cobre o aluminio). El anillo de sombreado crea un desfase en el campo magnético, lo que ayuda a reducir el ruido y la vibración al asegurar un funcionamiento más suave del dispositivo electromagnético.
• Resorte (D): Un resorte 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 la bobina se energiza, también llamada émbolo del solenoide.

Cómo funciona un solenoide?

Se genera un campo magnético cuando la corriente en un solenoide fluye a través de la bobina. La fuerza del campo es directamente proporcional a la corriente, el número de vueltas 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 una trayectoria cerrada que confina el campo magnético.

El campo magnético induce una fuerza en la armadura que la atrae hacia arriba o la empuja hacia abajo. Lo normal es atraer la armadura hacia arriba, pero extender el lado de la armadura cercano al núcleo estacionario con una varilla de empuje hace que el campo empuje la armadura hacia abajo. En cualquier escenario, se comprime un resorte. La armadura permanece en la posición mientras el campo se mantenga. Cuando el campo se disipa, el resorte devuelve la armadura a su posición original.

Finalmente, el anillo de sombreado proporciona una trayectoria de baja impedancia para un pico de alto voltaje generado cuando el campo magnético se disipa. Esto disminuye la magnitud y duración del pico de voltaje, lo que protege el circuito.

Bobinas de solenoide de CC vs CA

Hay ventajas y desventajas al trabajar con solenoides de CC o CA. Un solenoide de CC funciona como se explicó anteriormente. La corriente CC que fluye a través de un solenoide crea una fuerza magnética lo suficientemente fuerte como para superar la fuerza del resorte, levantando la armadura hacia la bobina. Cuando la bobina se desenergiza, el resorte empuja la armadura de vuelta hacia abajo.

Las bobinas de CA son más complejas porque la CA cambia de polaridad. Dos veces por período, la corriente es cero, haciendo que la fuerza magnética sea cero. Debido a que la fuerza del resorte está constantemente empujando la armadura hacia abajo, la armadura vibra y crea un zumbido y tensiona los componentes. Para resolver este problema, un anillo de sombreado de cobre alrededor de la armadura almacena parte de la energía magnética, reduciendo la vibración.

Cuando la fuerza magnética supera la fuerza del resorte y la armadura está completamente levantada, la corriente que pasa por la bobina puede reducirse para ahorrar energía. La CC responde más lentamente que la CA porque la CC proporciona una corriente constante e invariable, lo que tarda más en generar y reducir los campos magnéticos. En contraste, la CA cambia de dirección rápidamente, permitiéndole ajustar los campos magnéticos más rápida y eficientemente, haciendo que las bobinas de CA sean más eficientes energéticamente.

Fórmula del campo magnético de un solenoide

El campo magnético de una bobina de solenoide depende del número de vueltas por unidad de longitud, la intensidad de la corriente a través de la bobina y la permeabilidad del material del solenoide. La fórmula para medir la fuerza del campo es:

Donde:

• B: la densidad de flujo magnético
• μ₀: La constante de permeabilidad que es 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

Resistencia de la bobina del solenoide vs temperatura

La relación entre la temperatura de un solenoide y su resistencia es un factor crítico en el rendimiento y la fiabilidad de los actuadores y válvulas de solenoide. A medida que aumenta la temperatura de una bobina de solenoide, también aumenta su resistencia. Esta relación se debe principalmente al coeficiente de temperatura de resistencia del material conductor, típicamente cobre, utilizado en los devanados de la bobina.

Fórmula de resistencia y temperatura

Cuando se energiza un solenoide, la energía eléctrica se convierte en calor debido a la disipación de potencia en la bobina, que es proporcional al cuadrado de la corriente (I²R). Este efecto de autocalentamiento, combinado con la temperatura ambiente y la resistencia térmica entre la bobina y su entorno, conduce a un aumento en la temperatura de la bobina.

La resistencia de una bobina de solenoide ( R(T) ) a una temperatura dada ( T ) puede describirse mediante la fórmula de resistencia de un solenoide:

donde:

• R(T): la resistencia a la temperatura T
• R₂₅: la resistencia a 25 °C
• ⍺: el coeficiente de temperatura de resistencia para el cobre (aproximadamente 0,0039 por grado Celsius)
• T: la temperatura en grados Celsius

Ejemplo

Una bobina de solenoide con una resistencia de 10 ohmios a 25 °C verá su resistencia aumentar a aproximadamente 13,9 ohmios a 125 °C. Este aumento del 39% en la resistencia sobre un aumento de temperatura de 100 °C ilustra el impacto significativo que la temperatura puede tener en la resistencia de la bobina.

Reducción de corriente

A medida que aumenta la resistencia de la bobina, la corriente que fluye a través de ella disminuye para un voltaje aplicado dado, según la Ley de Ohm (V = IR). Esta reducción en la corriente conduce a una disminución en la fuerza magnética generada por el solenoide, que es una función de los Amperios-Vueltas (NI) proporcionados por la bobina. En consecuencia, la fuerza del actuador del solenoide disminuye, lo que potencialmente afecta el rendimiento del actuador o válvula de solenoide.

Aplicaciones prácticas

En aplicaciones prácticas, es esencial considerar el entorno térmico y el ciclo de trabajo del solenoide. Las aplicaciones de servicio continuo, donde el solenoide está energizado durante períodos prolongados, pueden conducir a aumentos significativos de temperatura y resistencia. Las aplicaciones de servicio intermitente, con tiempos de encendido y apagado especificados, permiten que el solenoide se enfríe entre ciclos, mitigando el aumento de temperatura y sus efectos sobre la resistencia.

Solenoides de alta temperatura

Los solenoides de alta temperatura están específicamente diseñados para operar en entornos donde los solenoides estándar fallarían debido al calor excesivo. Estos solenoides utilizan materiales con mayor resistencia térmica y a menudo incorporan mecanismos de enfriamiento avanzados para manejar temperaturas elevadas. Por ejemplo, los solenoides de alta temperatura pueden estar diseñados para cumplir con clases térmicas como la Clase H, que permite temperaturas de operación más altas sin comprometer el rendimiento. Esto los hace adecuados para aplicaciones en entornos térmicos severos, asegurando un funcionamiento confiable incluso en condiciones extremas.

Pruebas

Para garantizar un rendimiento óptimo, mida la resistencia de la bobina después de un período de operación y compárela con la resistencia a temperatura ambiente. Esta comparación puede ayudar a estimar la temperatura de operación de la bobina y determinar si está dentro de los límites aceptables para la forma constructiva y aplicación del solenoide.

Resistencia de la bobina del solenoide de CA

Para las bobinas de solenoide de CA, la oposición total al flujo de corriente no se debe solo a la resistencia, sino también a la reactancia inductiva. La impedancia ( Z ) de una bobina de CA está dada por:

donde:

• R: la resistencia de la bobina
• X_L: es la reactancia inductiva, que se da por X_L = 2𝜋fL
• f: la frecuencia de la fuente de CA
• L: la inductancia de la bobina

Efectos de la temperatura en bobinas de CA

Mientras que la resistencia ( R ) de la bobina aumenta con la temperatura, la reactancia inductiva ( X_L ) es principalmente una función de la inductancia de la bobina y la frecuencia de la fuente de CA, y no cambia significativamente con la temperatura. Sin embargo, la impedancia general ( Z ) seguirá siendo afectada por el aumento de la resistencia debido a la temperatura.

Implicaciones prácticas

• Reducción de corriente: A medida que la resistencia de la bobina del solenoide de CA aumenta con la temperatura, la impedancia general aumenta, lo que lleva a una reducción en la corriente que fluye a través de la bobina. Sin embargo, debido a que la reactancia inductiva es típicamente mucho mayor que la resistencia, el efecto de la temperatura en la impedancia general se mitiga en cierta medida en comparación con una bobina de CC.
• Fuerza magnética: La fuerza magnética generada por un solenoide de CA también es una función de la corriente y el número de vueltas en la bobina. A medida que la corriente disminuye debido al aumento de la resistencia, la fuerza magnética disminuirá, de manera similar al comportamiento en los solenoides de CC.
• Calentamiento y enfriamiento: Los solenoides de CA también pueden experimentar calentamiento debido a las corrientes parásitas y las pérdidas por histéresis en el núcleo magnético, además de las pérdidas I²R en la bobina. Estos mecanismos de calentamiento adicionales pueden contribuir al aumento general de la temperatura del solenoide.

Equilibrio de fuerzas de la válvula solenoide

El principio básico de una válvula solenoide es un equilibrio de fuerzas entre la fuerza magnética del solenoide por un lado, y la presión del medio y la fuerza del resorte por el otro. Calcule la fuerza magnética requerida para una válvula solenoide de accionamiento directo con la siguiente fórmula:

Donde:

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

Ejemplo

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

Esta fórmula no se puede usar para válvulas de accionamiento indirecto. Las válvulas solenoides de accionamiento indirecto tienen un orificio más pequeño y utilizan la presión del medio para conmutar.

Aplicaciones de bobinas solenoides

• Aplicaciones de bloqueo: El campo magnético atrae el émbolo dentro del solenoide, haciendo que se mueva y bloquee el mecanismo en su lugar. Un resorte empuja el émbolo hacia atrás cuando se corta la corriente, liberando el bloqueo. Los solenoides se pueden usar en varias aplicaciones de bloqueo, incluyendo puertas, máquinas expendedoras, barreras de acceso y muchos otros dispositivos de seguridad.
• Aplicaciones automotrices: Los solenoides se utilizan en varias aplicaciones de vehículos, incluyendo el cambio de transmisión, el arranque del motor, la operación de sistemas de inyección de combustible, el bloqueo de puertas y la actuación de válvulas.
• Aplicaciones médicas: Los solenoides se utilizan en aplicaciones médicas para controlar el flujo de fluidos, regular válvulas en sistemas de gases médicos, operar bombas y dispensadores, y controlar el movimiento de equipos médicos.
• Aplicaciones ferroviarias: En la industria ferroviaria, los solenoides se utilizan para operar interruptores 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, operar sistemas neumáticos e hidráulicos, accionar embragues y frenos, controlar el movimiento de equipos, y en automatización, robótica y procesos de fabricación. Un actuador de un solenoide es típicamente un solenoide con un núcleo ferromagnético.

Preguntas frecuentes

¿Qué es una bobina de válvula solenoide?

Una bobina solenoide es un cable estrechamente 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 solenoide.

¿Los solenoides son de CA o CC?

Los solenoides convierten CA o CC en movimiento lineal.

¿Cuánta resistencia debe tener un solenoide?

La resistencia de un solenoide varía según el diseño y la aplicación, típicamente oscilando entre unos pocos ohmios y varios cientos de ohmios. Consulte las especificaciones del fabricante para conocer la resistencia exacta requerida.

¿Qué es la resistencia del solenoide?

La resistencia del solenoide es la oposición que una bobina solenoide ofrece al flujo de corriente eléctrica, medida en ohmios.

¿Cuánta resistencia debe tener un solenoide?

La resistencia de un solenoide varía según el diseño, pero típicamente oscila entre unos pocos ohmios y varios cientos de ohmios.

¿Qué afecta la resistencia de una bobina solenoide?

La resistencia de una bobina solenoide se ve afectada por la longitud del cable, el calibre del cable, la temperatura de la bobina y el material del cable.

¿Cómo afecta la temperatura a la resistencia del solenoide?

La resistencia del solenoide aumenta con la temperatura debido al coeficiente de temperatura positivo del material del cable, típicamente cobre.