Что такое соленоидный электромагнитный клапан, назначение, устройство и принцип действия

Назначение и применение электромагнитных клапанов

Электромагнитный клапан выполняет роль регулирующего и запорного устройства в дистанционном управлении транспортировкой потоков жидкостей, воздуха, газа и других носителей. При этом процесс его использования может быть как ручным, так и полностью автоматизированным.

Наибольшую популярность получил соленоидный клапан Esbe, имеющий в качестве основного устройства соленоидный вентиль. Клапан соленоид состоит из электрических магнитов, которые в народе еще называют соленоидами. По своему устройству электромагнитный клапан напоминает обыкновенный запорный, но в данном случае управление положением рабочего органа происходит без применения физических усилий. Катушка принимает на себя электрическое напряжение, тем самым приводя в работу соленоидный вентиль и всю систему.

Электромагнитный клапан работает как в сложных технологических процессах на производстве, или же в коммунальных предприятиях, так и в быту. Используя такое устройство, мы можем самостоятельно регулировать объемы подачи воздуха или жидкости в конкретный момент времени. Вакуумный клапан же может работать в системах разреженного воздуха.

В зависимости от условий, где применяется электромагнитный клапан, корпус может изготавливаться обычный и взрывозащищенный. Такое устройство используется преимущественно на точках нефте- и газодобычи, а также на автомобильных заправках и складах топлива.

Водяные клапаны применяются для автоматизации систем очистки воды. Кроме этого, электромагнитный водопроводный клапан нашел свое применение в поддержании уровня воды в водных резервуарах.

Устройство клапана

Основные конструктивные элементы электромагнитного клапана это:

• корпус;
• крышка;
• мембрана (или же поршень);
• пружина;
• плунжер;
• шток;
• электрическая катушка, которую еще называют соленоид.

Схема устройства клапана

Корпус и крышка могут быть изготовлены из металлических материалов (латунь, чугун, нержавеющая сталь), либо же из полимерных (полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, нейлон и др.). Для создания плунжеров и штоков используют специальные магнитные материалы. Катушки необходимо прятать под пылезащищенный и герметичный корпус, дабы исключить внешнее воздействие на тонкую работу соленоида. Обмотка катушек выполняется эмалированным проводом, который сделан из электротехнической меди.

К трубопроводу устройство подсоединяется резьбовым или фланцевым способом. Чтобы подключить клапан к электросети применяют штекер. Для изготовления уплотнений и прокладок используют термостойкую резину, каучук и силикон.

В комплектации с изделием поставляют приводы с примерным рабочим напряжением 220В. Отдельными компаниями выполняются заказы на поставку приводов с напряжением 12В и 24В. Привод комплектуется встроенной схемой форсированного управления СФУ.

Принцип работы электромагнитных систем

Электромагнитная катушка индуктивности работает во всех известных напряжениях переменного и постоянного тока (220В АС, 24 AC, 24 DC, 5 DC и др.). Соленоиды помещают в специальные корпуса, защищенные от воды. За счет низкого потребления энергии, особенно для небольших электромагнитных систем, возможно управление с помощью полупроводниковых схем.

Чем меньше воздушный зазор между стопором и электромагнитным сердечником, тем сильнее возрастает напряженность магнитного поля, вне зависимости от вида и величины подаваемого напряжения. Электромагнитные системы с переменным током имеют куда большую величину штока и силу магнитного поля, чем системы с постоянным током.

Когда подается напряжение и воздушный зазор имеет максимальную протяженность, системы переменного тока, потребляя большое количество энергии, поднимают шток и зазор закрывается. Благодаря этому увеличивается мощность выходного потока и создается перепад давления. Если же подается постоянный ток, то увеличение скорости потока происходит довольно медленно, до тех пор, пока значение напряжения не станет фиксированным. По этой причине клапаны могут регулировать системы только низкого давления, за исключением тех, что оснащены небольшими проходными отверстиями.

Иначе говоря, в статическом положении, при условии, что катушка обесточена и устройство находится в закрытом/открытом положении (в зависимости от типа), поршень находится в герметичном соединении с седлом клапана. При подаче напряжения, катушка передает импульс на привод и шток открывается. Это возможно потому, что катушка формирует магнитное поле, которое в свою очередь воздействует на плунжер и втягивается в него.

Индуктивность соленоида

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

L=μn2V=μ4πz2l{\displaystyle L=\mu _{0}n^{2}V\!={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {z^{2}}{l}}} (СИ) (6),{\displaystyle \qquad (6),}

L=4πn2V=z2l{\displaystyle L=4\pi n^{2}V\!={\frac {z^{2}}{l}}} (СГС) (7),{\displaystyle \qquad (7),}

где μ{\displaystyle \mu _{0}} — магнитная проницаемость вакуума,
n=Nl{\displaystyle n=N/l} — число витков на единицу длины соленоида,
N{\displaystyle N} — число витков,
V=Sl{\displaystyle V=Sl} — объём соленоида,
z=πdN{\displaystyle z=\pi dN} — длина проводника, намотанного на соленоид,
S=πd24{\displaystyle S=\pi d^{2}/4} — площадь поперечного сечения соленоида,
l{\displaystyle l} — длина соленоида,
d{\displaystyle d} — диаметр витка.

Без использования магнитного материала магнитная индукция B{\displaystyle B} в пределах соленоида является фактически постоянной и равна

B=μNlI=μnI(8),{\displaystyle B=\mu _{0}{\frac {N}{l}}I=\mu _{0}nI\qquad (8),}

где I{\displaystyle I} — сила тока. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление Ψ{\displaystyle \Psi } через катушку равно магнитной индукции B{\displaystyle B}, умноженной на площадь поперечного сечения S{\displaystyle S} и число витков N{\displaystyle N}:

Ψ=BSN=μN2ISl=μn2VI=LI(9).{\displaystyle \displaystyle \Psi =BSN=\mu _{0}N^{2}IS/l=\mu _{0}n^{2}VI=LI\qquad (9).}

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

L=μN2Sl=μn2V(10),{\displaystyle \displaystyle L=\mu _{0}N^{2}S/l=\mu _{0}n^{2}V\qquad (10),} эквивалентная предыдущим двум формулам.

Правила монтажа и эксплуатации

Во время монтажа и эксплуатации соленоидных клапанов необходимо учитывать следующие моменты:

1. Перед самостоятельной установкой электромагнитного устройства для воды, необходимо произвести подготовительные работы, в которые входит зачистка труб и их разметка.
2. Место установки клапана должно находиться на виду, и быть в свободном доступе. Компактность электромагнитных клапанов упрощают эту задачу.
3. Категорически воспрещено монтировать устройство в том случае, когда электромагнитная катушка будет играть роль рычага.
4. Монтаж и демонтаж должен проводиться, только когда устройство полностью обесточено.
5. Рекомендуется установить на систему грязевой фильтр, благодаря которому изделие не будет забиваться инородными частицами.
6. На соленоид не должна оказываться нагрузка от веса труб.
7. Установку нужно проводить согласно маркировке стрелок указывающих направления, нанесенных на поверхность клапана.
8. В случае если установка производится на открытом пространстве, устройство необходимо защитить специальной изоляцией.
9. В качестве уплотнителя соединений клапана и трубы рекомендуется использовать ФУМ-ленту.
10. К электросети устройство подключается с помощью гибкого кабеля чье сечение жил не должно быть меньше 1 мм.

Соблюдение правил при монтажных работах и требований инструкции по эксплуатации продлят срок службы устройства, которое стабилизирует рабочее давление среды внутри системы.

Неполадки при работе данного устройства зачастую обуславливаются следующими проблемами:

• из-за разрыва кабеля управляющего блока, кабель не может получить нужное электропитание;
• в случае выхода из строя пружины, при нормальной подаче электропитания клапан не срабатывает;
• если при пуске оборудования не слышно характерного щелчка, то причина кроется в сгоревшей электромагнитной катушке.

Привести к неисправности соленоидного клапана нормально-закрытого может даже банальный засор отверстия.

Осмотр внутренних элементов водяного клапана должен осуществляться только при полностью опорожненной системе. Самостоятельное выполнение сложного ремонта не рекомендуется.

Описание и принцип работы соленоида

Линейный соленоид работает на том же основном принципе, что и электромеханическое реле, описанное в предыдущем уроке, и точно так же, как и реле, они также могут переключаться и управляться с помощью транзисторов или полевых МОП-транзисторов. Линейный соленоид — это электромагнитное устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическое толкающее или тянущее усилие или движение. Линейный соленоид в основном состоит из электрической катушки, намотанной вокруг цилиндрической трубки с ферромагнитным приводом или «плунжером», который может свободно перемещать или скользить «ВХОД» и «ВЫХОД» в корпусе катушек. Виды соленоидов представлены на рисунке ниже.

Соленоиды могут использоваться для электрического открывания дверей и защелок, открытия или закрытия клапанов, перемещения и управления роботизированными конечностями и механизмами и даже для включения электрических выключателей только путем подачи питания на его катушку. Соленоиды доступны в различных форматах, причем наиболее распространенными типами являются линейный соленоид, также известный как линейный электромеханический привод (LEMA) и вращающийся соленоид.

Соленоид и сфера применения

Оба типа соленоидов, линейный и вращательный доступны в виде удержания (с постоянным напряжением) или в виде защелки (импульс ВКЛ-ВЫКЛ), при этом типы защелки используются в устройствах под напряжением или при отключении питания. Линейные соленоиды также могут быть разработаны для пропорционального управления движением, где положение плунжера пропорционально потребляемой мощности. Когда электрический ток протекает через проводник, он генерирует магнитное поле, и направление этого магнитного поля относительно его северного и южного полюсов определяется направлением потока тока внутри провода.

Эта катушка проволоки становится « электромагнитом » со своими собственными северным и южным полюсами, точно такими же, как у постоянного магнита. Сила этого магнитного поля может быть увеличена или уменьшена либо путем управления количеством тока, протекающего через катушку, либо путем изменения количества витков или петель, которые имеет катушка. Пример «электромагнита» приведен ниже.

Соленоид на постоянном токе

Если длина соленоида намного больше его диаметра и не используется магнитный материал, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное вдоль оси, которое однородно и для постоянного тока по величине равно:

B=μnI{\displaystyle B=\mu _{0}nI} (СИ) (1),{\displaystyle \qquad (1),}

B=4πcnI{\displaystyle B={\frac {4\pi }{c}}nI} (СГС) (2),{\displaystyle \qquad (2),}

где μ{\displaystyle \mu _{0}} — магнитная проницаемость вакуума,
n=Nl{\displaystyle n=N/l} — число витков на единицу длины соленоида,
N{\displaystyle N} — число витков,
l{\displaystyle l} — длина соленоида,
I{\displaystyle I} — ток в обмотке.

Вследствие того, что две половины бесконечного соленоида в точке их соединения вносят одинаковый вклад в магнитное поле, магнитная индукция полубесконечного соленоида у его края вдвое меньше, чем в объёме. То же самое можно сказать о поле на краях конечного, но достаточно длинного соленоида:

BKP=12μnI{\displaystyle B_{\mathrm {KP} }={\frac {1}{2}}\mu _{0}nI} (СИ) (3).{\displaystyle \qquad (3).}

При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I{\displaystyle I}. Величина этой энергии равна

Ecoxp=ΨI2=LI22(4),{\displaystyle E_{\mathrm {coxp} }={{\Psi I} \over 2}={{LI^{2}} \over 2}\qquad (4),}

где Ψ=NΦ{\displaystyle \Psi =N\Phi } — потокосцепление,
Φ{\displaystyle \Phi } — магнитный поток в соленоиде,
L{\displaystyle L} — индуктивность соленоида.

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

ε=−LdIdt(5){\displaystyle \varepsilon =-L{dI \over dt}\qquad (5)}.

Конечные непрерывные соленоиды

Конечный соленоид — соленоид с конечной длиной. Непрерывный означает, что соленоид не сформирован дискретными катушками, но листом проводящего материала. Мы предполагаем, что ток однородно распределен на поверхности соленоида с поверхностной плотностью тока K; в цилиндрических координатах:

Магнитное поле может быть найдено, используя векторный потенциал, который для конечного соленоида с радиусом a и длина L в цилиндрических координатах является

где

Здесь, и полные овальные интегралы первого, второго, и третьего вида.

Используя

плотность магнитного потока получена как

Ремонт своими руками

Ремонт соленоида АКПП заключается в:

• замене проводки или штекера;
• промывке и очистке клапана;
• замене втулок плунжера.

Для ремонта соленоидов АКПП своими руками понадобится:

• ремкомплекты втулок;
• набор для развальцовки;
• карбклинер;
• шестигранник;
• молоток;
• тиски;
• пресс;
• лоток для сбора составных частей клапана.

Процесс работы:

1. Снимите уплотнители.
2. Открутите контршпильку. Выверните контргайку и выньте пружину.
3. Установите клапан в приспособление для развальцовки. Электрический разъём должен оказаться в прорези.
4. Зажмите приспособление в тиски.
5. Развальцуйте клапан стамеской и молотком под углом 60℃.
6. Выньте катушку и шток из корпуса.
7. Очистите детали клапана от грязи карбклинером.
8. Проверьте обмотку катушки. Втулки с царапинами и повреждениями замените новыми, используя оправку. Запрессуйте втулки молотком. Возьмите развертку и выведите на втулках посадочный размер.
9. Катушку промойте и продуйте.
10. Соберите устройство в обратной последовательности с новыми уплотнителями.
11. Проверьте «отщёлкивание» и сопротивление электроклапана.

Проблемы с обмоткой встречаются редко. Чаще из-за перегрева повреждается провод, соединяющий катушку и разъём. Чтобы его припаять, нужно аккуратно сточить корпус катушки и найти контакт.

Выбор клапана

Прежде чем приступать к выбору клапана, необходимо выяснить устройство арматуры, принцип ее действия и область применения.

Устройство арматуры

Электромагнитный или соленоидный клапан состоит из следующих элементов:

1. корпуса запорной арматуры, который может быть изготовлен из латуни, бронзы и иных материалов, не подверженных коррозии;
2. поршня и штока, изготовленных из материалов, обладающих достаточными для работы устройства магнитными свойствами;
3. мембраны – чувствительного элемента, подающего сигналы о возникновении аварийной ситуации;

Мембраны могут изготавливаться из различных материалов, что влияет на технические параметры арматуры.

1. электромагнитной катушки (соленоида), располагаемой в защитном корпусе.

Составляющие элементы соленоидного клапана

Как работает клапан

Принцип работы клапана:

1. в обычном положении, в зависимости от вида устройства, пружина клапана находится в опушенном/поднятом состоянии;
2. при подаче электромагнитного сигнала на катушку клапана (220в) пружина поднимается, пропуская излишний поток жидкости, или поднимается для перекрытия потока соответственно;
3. после снятия напряжения составляющие арматуры приходят в обычное состояние.

Схема действия электромагнитного клапана

Область использования

Для чего нужен соленоидный клапан? Арматура используется:

в системах водоснабжения для смешивания потоков и достижения оптимальной температуры или аварийного перекрытии системы;

Соленоидные клапан на трубах подачи воды в жилое помещение

• в системах отопления для снижения потерь при испарении жидкости;
• в канализационных сетях, особенно в местах общественного пользования. Арматура также устанавливается для снижения потерь;
• в оросительных системах. Монтаж электромагнитного клапана позволяет задавать временные интервалы подачи воды для полива растений;
• в моечной технике бытового и промышленного назначения для обеспечения бесперебойной работы слива.

Разновидности клапанов

Произвести классификацию электромагнитных клапанов можно по нескольким признаками:

1. в зависимости от механизма действия клапаны подразделяются на арматуру:
   • прямого действия. Запорный элемент клапана работает под управлением сердечника, на который подается напряжение;
   • пилотного действия. Такая арматура дополнена пилотным клапаном, который и осуществляет управление запорным элементом;

Арматура с дополнительным клапаном управления

1. по положению запорного элемента выделяют:

Открытый электромагнитный клапан в стандартном положении

Принцип работы закрытого электромагнитного клапана

1. по количеству патрубков:
   • одноходовые – клапаны с одним патрубком. Используются для аварийного перекрытия;
   • двухходовые – имеют два патрубка. Арматура может использоваться как для перекрытия/открытия потока, так и для смешивания;
   • трехходовые – три патрубка. Способны выполнять как функцию смешивания, так и функции регулирования и перекрытия.

Электромагнитный клапан с тремя патрубками

При выборе клапана также рекомендуется учитывать технические характеристики, так как несоответствие требований трубопроводной системы и данных клапана может привести к поломкам арматуры и преждевременному износу.

О разных видах клапан, устройстве арматуры и принципе работы подробно рассказано на видео.

https://youtube.com/watch?v=nbsuWXqErA8

Самостоятельная проверка и замена соленоидов АКПП

Соленоиды постоянно находятся в агрессивной среде – трансмиссионном масле с металлическими мелкими продуктами износа шестерен (стружка, осколки, сажа от тормозных фрикционов и пр.).Принцип действия клапана АКПП состоит в том, что его сердечник постоянно находится в магнитном поле. Этим магнитом притягиваются металлические фрагменты, находящиеся в масляном растворе, на стержень и обмотку катушки.

Если при эксплуатации автомобиля замечены такие признаки, как удары и толчки в районе коробки передач, загорелась лампочка датчика о неисправности АКПП, переключение передач сопровождается резкими ударами и рывками, рекомендуется проверить состояние соленоидов:

1. Первичная компьютерная диагностика гидроблока.
2. Если компьютер выдал заключение о поломке соленоидов, данные механизмы демонтируются с машины для дальнейшего анализа.
3. При помощи тестера замеряется сопротивление соленоида. Данный показатель должен быть равен 10-25 Ом.
4. Проверяется возможное заклинивание сердечника. Контакты клапана подсоединяются к источнику тока с напряжением 12 вольт. Если соленоид исправен, он должен при подключении издавать явный щелчок.

Существует метод проверки соленоидов при помощи сжатого воздуха. Считается, что при продувке клапана, находящегося в закрытом положении, он свободно пропускает воздушный поток. Соответственно, в открытом – воздух не проходит.

Замена соленоидов в АКПП может быть произведена в условиях гаража. Основное условие – тщательное выполнение рекомендаций. Тип соленоида определяется, исходя из особенностей конструкции автоматической коробки передач. Необходимые технические данные на АКПП можно посмотреть в инструкции по эксплуатации конкретного автомобиля.

Алгоритм действий при замене соленоидов АКПП:

• демонтаж гидроблока с коробки передач (открутить болты, отжать специальные фиксаторы);
• отключение от питания и извлечение соленоидов из блока;
• установка новых соленоидов на освободившиеся места;
• подключение элементов к сети;
• установка гидроблока на место с заменой изношенной прокладки на новую.

Прокладка гидроблока нуждается в обязательной замене с целью предупреждения возможных утечек масляной жидкости.

Простые драйверы для соленоидов

Самый простой способ управлять соленоидом — включить и выключить ток.

Это часто делается с помощью переключателя MOSFET с низкой стороны и токового защитного диода (рисунок ниже).

В этой схеме ток ограничен только напряжением питания и постоянным сопротивлением соленоида.

Электромеханические характеристики простого привода соленоида ограничены. Поскольку полное напряжение и ток применяются в течение 100% времени, ток втягивания ограничивается постоянной мощностью рассеяния соленоида. Большая индуктивность катушки ограничивает скорость нарастания тока при включении соленоида.

Соленоид

Соленоидом называется проводник, свитый спиралью, по которому пропущен электрический ток (рисунок 1, а).

Если мысленно разрезать витки соленоида поперек, обозначить направление тока в них, как было указано выше, и определить направление магнитных индукционных линий по «правилу буравчика», то магнитное поле всего соленоида будет иметь такой вид, как показано на рисунке 1, б.

Рисунок 1. Соленоид (а) и его магнитное поле (б)

Рисунок 2. Компьютерная модель соленоида

На оси бесконечно длинного соленоида, на каждой единице длины которого намотано n витков, напряженность магнитного поля внутри соленоида определяется формулой:

H = I × n .

В том месте, где магнитные линии входят в соленоид, образуется южный полюс, где они выходят – северный полюс.

Для определения полюсов соленоида пользуются «правилом буравчика», применяя его следующим образом: если расположить буравчик вдоль оси соленоида и вращать его по направлению тока в витках катушки соленоида, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля (рисунок 3).

Рисунок 3. Определение полюсов соленоида	Рисунок 4. Электромагнит

Видео про соленоид:

https://youtube.com/watch?v=gkPt82EUYDA

Неисправности и ремонт/замена соленоидов АКПП

Прежде всего, срок службы соленоидов напрямую зависит от состояния и качества масла АКПП. Если масло грязное, клапаны-соленоиды забиваются продуктами износа АКПП, различными отложениями и т.д.

В результате клапан начинает «подклинивать» или «зависать». Естественно, коробка перестает корректно работать, появляются толчки, рывки, пинки АКПП, не включаются отдельные передачи и т.д.

Также частой причиной проблем с соленоидами является износ каналов и плунжеров, нередко отмечается то, что пружины теряют упругость, в корпусе появляются трещины, возникают проблемы с обмоткой соленоида.

Зачастую, ресурс самых надежных соленоидов не более 450 тыс. км, более дешевые «облегченные» версии исправно работают не более 250 тыс. км. Чаще всего, изнашиваются сами детали внутри соленоидов (втулки, клапаны, плунжеры, шарик и т.д.).

Диагностика и замена соленоидов коробки — автомат нужна в том случае, если АКПП стала некорректно работать. При диагностике следует проверять соленоиды по отдельности. В зависимости от типа автоматической коробки, каждый из них отвечает за  те или иные функции.

Например, в простом «автомате» на 4 передачи обычно стоит 4 соленоида. При этом первый соленоид отвечает за включение первой и второй передачи, второй за третью и четвертую передачу, третий  клапан управляет блокировкой ГДТ, четвертый отвечает за тормозную ленту.

Если водитель заметил, что возникли проблемы при переходе со второй  на третью или с первой на вторую передачу, следует на начальном этапе изучить устройство конкретной АКПП. Тогда можно более точно предположить, какой соленоид неисправен.

Также проблема с соленоидами часто проявляется в виде высвечивания ошибки, загорания сигнальной лампы неисправной АТ на панели приборов и т.д.

В таком случае ошибки нужно считать сканером и расшифровать, а также проверить гидроблок и соленоиды. Соленоиды проверяются на сопротивление, а также промываются или продуваются сжатым воздухом.

Ремонт соленоида в автоматической коробке часто не предусмотрен. Если иначе, касательно ремонта соленоидов, задача усложняется, так как данная деталь в современных АКПП неразборная.

На практике это означает, что соленоид в таком случае можно только промыть и прочистить. Если же соленоид можно разобрать, тогда возможна замена его обмотки, а также более тщательная очистка всех элементов клапана.

Замена соленоидов  в коробке — автомат выполняется после диагностики их работоспособности. Для замены необходимо снять клапанную плиту, извлечь неисправный клапан и установить новый.  После этого гидроблок устанавливается на место, проверятся герметичность, заливается жидкость АТФ и затем тестируется работа АКПП.

Итоги

Давайте подведем итоги. Самыми распространенными причинами отказа электроклапанов в коробке, являются:

1. Засорение. Высочайший урон приносит клеевой слой на фрикционах. Все канальчики забиваются, а плунжеры при этом клинит. Нештатный функционал соленоидов-клапанов может нарушить работу всей АКПП. Значит гидравлический блок время от времени все-таки стоит чистить и желательно его менять по мере изнашивания фрикционов. Особого внимания заслуживает фрикцион гидротрансформатора.

2. Выработка самого клапана-соленоида и его частей. Смиритесь, они к сожалению, тоже не вечны и имеют свой разумный ресурс. Хорошо бы выполнять их замену по регламенту, не дожидаясь пока компьютер при диагностике станет показывать ошибку.

Помните даже максимально современным и надежным электроклапанам замена нужна уже на 200000 километрах пробега! Самые незначительные изменения характеристик в работе электроклапанов гидроблока коробки, повлекут за собой наличие в движении пробуксовок, толчков при смене передач.

При длительной ненормальной эксплуатации поломаются все железные детали коробки: корзина сцепления, лента торможения, планетарные механизмы и прочее. А восстановление с заменой последних в денежном плане выйдет гораздо дороже текущего периодического сервиса.