Solenoidi

Solenoidin kela

Solenoidi (engl. electromechanical solenoid) on lineaarista mekaanista (veto- tai työntö-) liikettä sähkövirran vaikutuksesta synnyttävä sähkömekaaninen toimilaite (engl. actuator), joka koostuu vähintään sähkömagneetista (kelasta) ja sähkömagneetin liikuttamasta ankkurista (kelan sisään mahtuva ferromagneettinen kappale). Yleensä solenoidissa on myös tilan palauttava jousi tai siihen on liitetty jokin muu mekanismi tilan palauttamiseksi sähkövirran katkettua. Tilan palautuminen voi perustua myös painovoimaan.

Solenoidin erottaa siis pelkästä sähkömagneetista siihen kuuluva liikettä muodostava osa, ankkuri.

Kytkettäessä solenoidiin riittävän suuri sähkövirta kelan käämin sisää muodostuu magneettikenttä, joka kykenee vetämään ankkurin käämin sisään.

Solenoidissa on yleensä kerrottu sen käyttöjännite(alue). Nimelliskäyttöjännitteellä solenoidi voi yleensä olla vedettynä jatkuvasti. Mitä korkeammalle käyttöjännitealueella mennään, niin sitä suurempi voima on käytettävissä, mutta maksimi vetoaika myös lyhenee nopeasti. Maksimivetoajan määrittää käämilangan virrankesto, eli käytännössä sen paksuus ja lämpötila. Solenoidin valmistajalta on yleensä saatavilla kattavat tietolehdet käyttöaluekäyrineen.

Solenoidin käämin synnyttämän magneettikentän voimakkuuteen vaikuttaa kelaan johdettu virta, kelan kierrosten määrä, ja sen ytimen (ilma / ankkuri) permeabiliteetti. Magneettivuon tiheys solenoidin käämin sisällä voidaan esittää muodossa

$\mathbf {B} ={\frac {\mu N\mathbf {I} }{l}}$, missä $\mu =\mu _{r}\mu _{0}$ on solenoidin sydämen permeabiliteetti.

Solenoidin ankkurin pitämiseksi kelan sisällä mahdollista jousi- tai painovoimaa vastaan tarvitaan täten merkittävästi pienempi sähkövirta kuin ankkurin sisäänvetämiseksi tarvitaan. Solenoidissa voikin olla erillinen kela pitoa varten - pitokela, jotta voidaan hyödyntää tätä pienempää virrantarvetta pitotilanteessa ilman että jännitettä tarvitsee muutella. Pitokelassa on samalla jännitteellä toimiessaan enemmän kierroksia jolloin sen resistanssi on suurempi ja virta täten pienempi, vaikka jännite olisi sama. Mikäli erillistä pitokelaa ei ole, niin voidaan käyttää matalampaa jännitettä tai jännitettä voidaan pätkiä lyhyillä virrattomilla jaksoilla, jotka ovat niin lyhyitä, ettei paluuta ehdi tapahtua.

Solenoidi on kuvatunlaisena vetävä toimilaite. Työntävä siitä saadaan liittämällä ankkuriin heikon permeabiliteetin omaava tarkoitukseen nähden riittävän jäykkä työntövarsi, joka on normaalitilanteessa kelan sisällä ja työntyy kelan toisesta päästä ulos ankkurin liikkuessa kelan toisesta päästä kelan sisään. Työntövarsi voi olla esimerkiksi muovia tai alumiinia

Solenoideja on saatavilla sellaisenaan erilaisten sähkömekaanisten laitteiden komponenteiksi, mutta solenoidi voi olla myös kiinteä osa jonkin toisen toimilaitteen toiminnallisuutta.

Ehkä tutuin ja selkein esimerkki solenoidin käytössä arkipäivän sovelluksissa on sähkölukko. Niin kerrostalojen alaovissa kuin auton keskuslukituksenkin toimilaitteena.

Polttomoottoriauton käynnistysmoottorissa on yleensä solenoidi siirtämässä käynnistysmoottorin rattaan auton vauhtipyörän rattaan kanssa samalle linjalle käynnistettäessä. Käynnistyksessä tarvitaan tällainen mekanismi, jotta käynnistysmoottori ei pyörisi koko ajan moottorin pyöriessä.

Kaiutinta voidaan tarkastella myös solenoidina, joskin siinä ankkuri pysyy paikallaan ja kela liikkuu ankkurin suhteen liikuttaen samalla kaiutinkalvoa. Kaiuttimen ankkuri on yleensä kestomagneetti ja se on lepotilassa kelan sisällä. Tämä mahdollistaa kaiutinkalvon liikkumisen lepotilaan nähden sekä eteen-, että taaksepäin.

Releessä on yleensä solenoidi kytkentäliikkeen muodostamiseksi. Releen solenoidin sähkömagneetti on kuitenkin useimmiten varustettu kiinteällä rautasydämellä ja ankkuri on sähkömagneetin liikuttama erillinen mekaaninen osa joka taas kytkee suoraa tai välillisesti releen kontaktit kiinni tai auki tilanteen ja releen tyypin mukaisesti.

Sähkömekaaniset ns. 'blim-blom' -ovikellot perustuvat solenoidin synnyttämiin iskuihin ksylofonin kielen kaltaisiin metallilevyihin sekä vetovaiheessa ('blim' - työntövarsi), että paluuvaiheessa ('blom' - ankkuri). Palautusjousi, joka antaa voiman ankkurin iskulle, on mitoitettu niin, että ankkuri iskettyää omaan kieleensä irtoaa siitä jättäen kielen soimaan.

Palohälytin, jossa on soittokello, perustuu releen tyyppiseen solenoidiratkaisuun, jossa ankkuri (kellon lyöntivasara), sähkömagneetin sydän ja soittokello ovat myös osa virtapiiriä mahdollistaen pätkivän toiminnon ja kellon 'pärinän'.

Solenoideilla voidaan avata ja sulkea myös erilaisia neste-, paineilma- ja hydrauliikkaventtiilejä.