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Cómo Funcionan los Solenoides (MEC006S)

Este artículo es de 2003 siendo actualizado en 2016, pero el tema es actual, y como esto es tema teórico es válido. En este artículo se explica el principio de funcionamiento de los solenoides que se utilizan mucho en Mecatrónica.

 

Introducción

Los solenoides se utilizan en un gran número de aplicaciones en la industria, en aplicaciones eléctricas de todo tipo, en la electrónica (automotriz, aeronáutica y náutica) y muchos otros campos en que la electrónica está presente. El solenoide es uno de los más importantes de todos los dispositivos electromecánicos conocidos. Aprende en este artículo un poco más sobre los solenoides y donde se utilizan.

Hay varias formas de obtener energía mecánica de la electricidad. Los motores eléctricos son el ejemplo más conocido de esto, donde aprovechando el efecto magnético de la corriente puede crear fuerzas capaces de mover un rotor.

Menos común son las formas que aprovechan las propiedades de determinados materiales como, por ejemplo, el SMAs (Shape Alloy Memories) y materiales piezoeléctricos.

En el primer caso podemos fabricar de ciertas aleaciones, cables como la forma de Nitinol que con una corriente eléctrica produce una fuerza mecánica considerable en este proceso. Los robots com los llamados "músculos eléctricos" usan estas fibras como ejemplo de la figura 1.

 


 

 

Por otro lado, materiales con propiedades piezoeléctricas como ciertas cerámicas, pueden contraer o dilatar algunas partes por millón cuando se somete a una tensión eléctrica y en el proceso también pueden producir fuerza mecánica. 

Con estos materiales pueden desarrollar motores piezoeléctricos, como se muestra en la figura 2, que encuentran aplicaciones en la electrónica de precisión, especialmente donde requiere un alto grado de miniaturización.


 

 

 

Sin embargo, basado en el viejo principio de la producción de la energía mecánica del campo magnético creado por una corriente en una bobina es un dispositivo útil y que se encuentra en una gran variedad de aplicaciones importantes: el solenoide.

Es precisamente este dispositivo que vamos a hablar en las próximas líneas de este artículo.

 

  El solenoide

Una bobina cilíndrica con las características indicadas en la figura 3 se llama solenoide.


 

 

 

Cuando una corriente pasa pela bobina se crea un campo magnético que es más intenso en su interior.

La fuerza de este campo depende de varios factores tales como:

a) Número de vueltas de la bobina

b) Intensidad de la corriente

c) Si hay o no un núcleo interior

Se observa que, si ponemos en las cercanías de un solenoide de un núcleo de material ferroso, donde se concentran las líneas de campo magnético, aparece una fuerza para tirar este núcleo en el interior de la bobina, como se muestra en la figura 4.

 


 

 

De este hecho que podemos elaborar dispositivos capaces de producir fuerza mecánica para tirar de un núcleo y se conocen como solenoides. En la figura 5 es un ejemplo de un solenoide común.


 

 

 

Cuando la bobina está apagada, el resorte mantiene la base del material ferroso de fuera del núcleo del solenoide bobina.

Cuando cerramos el circuito y la bobina producirá un campo magnético que tira el núcleo liberando de esta manera, fuerza mecánica.

Es fácil ver que el solenoide sólo puede realizar una fuerza mecánica en una distancia relativamente pequeña (que es la distancia que viaja para ser tirado).

Otro hecho que debe tenerse en cuenta es que, para la construcción que se muestra, la fuerza no tiene la misma intensidad en el curso celebrado por el núcleo, ya que aumenta a medida que penetra en la bobina, como se muestra en la figura 6.

 


 

 

Solenoides comunes pueden producir fuerzas que van desde la fracción Newton (N) hasta varios Newtons.

Sin embargo, cuando se necesita un tirón o un empujón en una parte de un dispositivo mecánico, el solenoide del dispositivo de seguridad se muestra ideal para esta tarea.

De hecho, dependiendo del tipo de empuje o tire del solenoide se puede construirse de varias maneras.

 

  Tipos de solenoides

Podemos construir un solenoide con características específicas para cada aplicación.

Esto conduce a una enorme línea de tipos que se encuentran en las más diversas aplicaciones y lo que vamos a hablar y que se muestran en la figura 7.

 


 

 

En (a) tienen un solenoide cilíndrico típico que empuja (push) algo cuando se activa. El solenoide tipo se muestra en (b) pull (tirar) algo cuando está energizado y utiliza una base cilíndrica.

En C demostrada un solenoide de alta potencia que utiliza el núcleo laminado y que por lo tanto opera con corriente alterna.

Un tipo importante de solenoide en ciertas aplicaciones es el solenoide giratorio que se muestra en (d). Este solenoide, cada pulso de corriente en el eje de la bobina avanza en una dirección determinada.

La construcción típica de este solenoide se muestra en la figura 8.

 

 


 

 

Un solenoide de este tipo puede producir el movimiento de rotación a partir de pulsos de corriente, y funciona como una especie de motor. Tenga en cuenta, sin embargo, que la acción de este solenoide es unilateral, es decir, el rotor puede girar solamente en una dirección.

Otros tipos de construcciones que son variaciones de los tipos indicados se pueden encontrar en muchos equipos de uso común.

 

Características

Cuando se trabaja con solenoides tiene que interpretar sus características o incluso descubrir cuando no está especificados por los fabricantes.

Vamos a mirarlos y ver cómo podemos descubrirlas:

  a) Tensión nominal

Es la tensión que debemos aplicar la bobina para que produce la fuerza esperada.

Para el control común, esta tensión puede variar entre 1.5 V y 48 V (modelos de CC) y 12 a 220 V (tipo AC)

En realidad, cualquier solenoide siempre producirá fuerza cuando se aplica una tensión, no importa cuán pequeño. Sin embargo, en una aplicación que se debe producir una determinado fuerza esto depende de aplicar una tensión de valor adecuado.

En la figura 9 tenemos la curva de fuerza x voltaje para un solenoide común, sin embargo, puede variar ya que no todos los tipos tienen esta característica.

 


 

 

Podemos encontrar la tensión de funcionamiento de un solenoide de un modo relativamente simple, sin embargo, no tiene los resultados absolutamente precisos si no sabemos la fuerza que debe producir el solenoide.

Para hacer este teste simplemente conectamos el solenoide a una fuente de tensión variable y mida la fuerza producida utilizando un dinamómetro, como se muestra en la figura 10.

 


 

 

No es fácil determinar la tensión máxima que se puede aplicar. Qué se puede hacer en este caso es verificar cuando la bobina del solenoide comienza a calentar. Calentamiento excesivo indica que la tensión sobrepasa el valor máximo soportado por el componente.

 

b) Corriente nominal

Es la corriente que atraviesa la bobina del solenoide cuando se aplica la tensión nominal o tensión. Esta corriente varía entre unas pocas decenas y algunos amperios dependiendo del tamaño, la fuerza y la aplicación de solenoide.

Si conocemos la tensión nominal o tensión de operación normal de un solenoide puede medir la corriente simplemente usando un multímetro (para solenoides). En la figura 11 se muestra cómo hacerlo.

 


 

 

 

Si la resistencia de la bobina del solenoide es conocida (o medir) podemos fácilmente calcular el valor nominal utilizando ley de Ohm:

 

Donde:

V es la tensión nominal del solenoide del dispositivo de seguridad (V)

R es la resistencia de la bobina (ohmios)

I es la corriente nominal del solenoide del dispositivo de seguridad (A)

 

c) Resistencia de la bobina

La resistencia de la bobina de un solenoide determinará la intensidad de corriente que se activa cuando se aplica la tensión nominal (Ley de Ohm). Los valores comunes pueden variar entre unos cuantos Ω y algunos miles de Ω.

Cuando no se conoce esta resistencia tenemos dos maneras para determinar:

La primera es midiendo directamente con un multímetro.

El segundo es mediante el uso de la ley del ohmio con la tensión nominal de acuerdo con la fórmula:

Donde

R es la resistencia de la bobina (ohmios)

V es la tensión nominal del solenoide del dispositivo de seguridad (V)

I es la unidad actual (A)

 

d) Fuerza que produce

Esta es una característica importante de un solenoide, principalmente para los proyectos. Esta fuerza no es siempre conocida y es necesario determinar eso.

Las especificaciones de los solenoides de que la fuerza se mide en Newtons (N) cuando se aplica la tensión nominal. En algunos tipos, cuya fuerza no es lineal a lo largo de la base, esta fuerza puede administrarse en forma de un gráfico.

Podemos determinar esta fuerza con un dinamómetro y un dispositivo formado por una palanca, como se muestra en la figura 12.

 


 

 

La palanca está diseñada para alcanzar una mayor precisión desde dinamómetros común operan según la tensión de un resorte y esto depende del curso. Con una trayectoria más grande necesaria para desencadenar el dinamómetro es un riesgo al leer el desplazamiento desde el núcleo y no la fuerza ejercida.

Escalas comunes pueden usarse para medir esta fuerza.

 

Recuerde que la fuerza F ejercida por el solenoide está dada por:

Donde:

F es la fuerza ejercida por el solenoide

d es el brazo de palanca más pequeño

D es el mayor brazo de palanca

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e) Disipación de energía

Cuando se aplica la tensión nominal a la intensidad de la corriente electromagnética que viaja depende de su resistencia óhmica (en solenoides AC por impedancia). Se produce entonces la producción de calor que debe disiparse.

Si este calor no se disipa corre el riesgo de sobrecalentamiento eventualmente quemará el componente.

La potencia máxima que puede disipar el solenoide normalmente se especifica y puede ser incluso mayor de lo que normalmente se produce durante el funcionamiento normal. Esto permite que en aplicaciones donde opera para cortos intervalos de tiempo (pulsos) se utiliza una tensión más alta.

Podemos calcular la cantidad de calor disipada por un solenoide si conocemos el voltaje y corriente, aplicando el julio:

 

Donde:

P es la potencia disipada (W)

V es el voltaje aplicado (V)

I es la corriente nominal (A)

 

CONCLUSIÓN:

Solenoides se encuentran en una multitud de aplicaciones prácticas que lleva a la necesidad profesional de conocerlos. Lo que hemos visto es sólo una introducción a estos dispositivos cada vez más presente en los dispositivos que se unen la mecánica a la electrónica, es decir, los dispositivos mecatrónicos.

 

 

 

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