Magneetventiel solenoid

Magnetische aansturing

Magneetventielen worden aangestuurd met behulp van een solenoïde. Dit is een spoel met in de kern een ferromagnetische plunjer. Als een elektrische stroom door de spoel loopt, wordt een magnetisch veld opgewekt rondom de spoel zoals weergegeven in onderstaande tekening. De sterkte van het veld is afhankelijk van het amperage, het aantal windingen van de spoel en het ferromagnetische materiaal rondom de spoel. Het magnetische veld zorgt ervoor dat de plunjer gemagnetiseerd wordt en naar het centrum van het spoel getrokken wordt. Zolang een stroom doort de spoel loopt wordt de plunjer aangetrokken. Zodra de stroom stopt, verdwijnt het magnetische veld en wordt de plunjer weggedrukt door een veer naar de uitgangspositie.

Belangrijke eisen aan de plunjer zijn:

  • goede magnetische eigenschappen
  • lage magnetisch geheugen effect
  • slijtagevast
  • geschikt voor aggressieve stoffen
  • geschikt voor vervaardiging

magnetische veldlijnen in een spoel van een magneetventiel

Krachtenbalans spoel, veer en medium

Het basisprincipe van de magneetventielklep is een krachtenbalans van de magnetische kracht van de solenoid en de druk van het medium en de veer die in tegengestelde richting op de plunjer werken. Zodra een stroom door de spoel loopt wordt een magnetisch veld opgewekt. De plunjer ondervindt daardoor een elektromagnetische kracht en wordt naar het centrum van de spoel getrokken.

Voor direct gestuurde kleppen kunnen we de trekkracht van de solenoid berekenen met de volgende formule:

Fs=p•A

Hierin geldt:

  • Fs = solenoid trekkracht (N)
  • p = druk (Pa) (105 Pa = 1 bar)
  • A = doorstroomopening (orifice) (m2)

Voorbeeld

Een gemiddelde solenoid levert een trekkracht van ongeveer 15N. Om deze solenoid te gebruiken voor een drukverschil van 10 bar, kan de maximale doorstroomopening (orifice) berekend worden.

Fs=p•A ? 15= 106•A
A = 1.5•10-5 m2
A = 1/4•p•d2 ? d = 4.4 mm

Indirect gestuurde kleppen hebben een kleine doorlaat (engels: the pilot) om de druk aan weerszijden van het membraan te regelen. Hier geldt dus een andere krachtenbalans voor de solenoid.

 

Magneetventielen voor gelijkspanning en wisselspanning

Gelijkspanning

Het ontwerp van de spoel is relatief eenvoudig voor gelijkspanning. Het vermogen van de spoel kan worden berekend met de formule:

P= U2/R

waarin:

  • P= elektrische vermogen (W)
  • U= voltage (V)
  • R= elektrische weerstand (I)

De voordelen van een gelijkspanning spoel zijn:

  • Stiller
  • Minder slijtage aan plunjer
  • Hoge trekkracht in ingetrokken positie
  • Gelijke trekkracht bij ontspannen en ingetrokken positie
  • Energieverbruik en trekkracht zijn afhankelijk van temperatuur
  • Minder gevoelig voor vuil
  • De spoel heeft meer windingen dan bij wisselspanning

krachtenbalans tussen magneet en spoel

Een mythe

Vaak wordt gedacht dat de richting van het magnetische veld in de spoel bepaalt in welke richting de plunjer getrokken wordt. Dit is niet waar. Omdat de plunjer ferromagnetisch is (en geen permanente magneet met gedefinieerde polen), zal de plunjer altijd naar het centrum van het magnetische veld worden getrokken. Zowel spoelen met gelijkspanning en wisselspanning trekken de plunjer naar het centrum toe. Het maakt dus ook niet uit hoe de spoel op de voeding aangesloten wordt (de polen kunnen vrij omgewisseld worden).

 

Wisselspanning

In vergelijking met een gelijkspanning spoel is de DC weerstand van een wisselspanning spoel een stuk kleiner bij hetzelfde voltage. Bij AC spoelen wordt de stroomsterkte niet alleen bepaald door de weerstand van de windingen, maar ook door inductieve weerstand (reactantie). De inductieve weerstand wordt grotendeels bepaald door de positie van de plunjer. Als de plunjer verder uit de kern van de spoel verwijderd is, neemt de inductieve weerstand af. Dit betekent dat de stroom door de spoel groter wordt. De stroom is dus groter als de plunjer in “rust” positie verkeert. Een gevolg van dit effect is dat een spoel nooit aangesloten mag worden op wisselspanning als de plunjer niet aanwezig is. De spoel kan dan te heet worden en binnen enkele minuten doorbranden.

De inductieve reactantie is niet alleen afhankelijk van de positie van de plunjer, maar ook van de frequentie van de wisselspanning. De reactantie is hoger bij 60Hz dan bij 50Hz. Als een spoel met een specificatie voor 50Hz wordt aangesloten op 60Hz neemt de magnetische kracht af. In het omgekeerde geval, als een spoel voor 60Hz aangesloten wordt op 50Hz spanning, neemt het energieverbruik toe en zal de temperatuur van de spoel enigszins stijgen.

Een ander belangrijk kenmerk van wisselspanning spoelen is het gebruik van een speciale geleidende ring (Engels: shading ring) aan de bovenzijde van de spoel. Als deze niet gebruikt zou worden, zou de plunjer kunnen gaan trillen. Elke keer als de spanning de nullijn doorkruist, zakt de magnetische kracht terug naar nul. Dit gebeurt tweemaal per periode. Omdat de veerkracht op deze momenten de magnetische kracht overwint, zal de plunjer heen en weer bewegen met een frequentie van tweemaal de netspanningsfrequentie. Dit resulteert in een luid zoemend geluid van het elektroventiel. De speciale ring moet dit effect voorkomen. Het magnetisch veld van de normale spoel induceert een voltage in de geleidende ring. Hierdoor loopt een stroom met een faseverschil van 90 graden. De ring genereert een extra magnetisch veld die precies de plunjer aantrekt als het magnetische veld van de normale spoel een nulpunt doorkruist. De resulterende trekkracht van de spoel en de ring is altijd boven nul. In het ontwerp van de magneetklep zijn de posities van de ring en de plunjer nauwkeurig bepaald. Als er vuil in de armatuur aanwezig is, is deze afstemming niet meer optimaal en kan er toch een trilling ontstaan.

extra kracht shading ring bij een solenoid valve

Belangrijke eigenschappen van een wisselspanning spoel zijn:

  • Gevoelig om in resonantiemodus te raken.
  • Risico op doorbranden spoel als de plunjer blokkeert.
  • Snellere schakelsnelheid (hangt van fasehoek af).
  • Gevoeliger voor vuil.
  • Energieverbruik en trekkracht zijn niet afhankelijk van de temperatuur.
  • De spoel heeft minder windingen dan bij gelijkspanning.