Какие существуют типы электромагнитных клапанов?

Соленоид относится к особой классификации клапанов, в которых для приведения в действие соответствующего устройства используется принцип электромагнетизма. Он отличается низким энергопотреблением, компактными размерами, высокой скоростью работы и длительным сроком службы. Это делает его популярным выбором в различных областях, от управления потоками жидкостей и газов до автоматических систем в промышленности.

Как работает электромагнитный клапан?

Электромагнитный клапан обычно состоит из катушки, отверстий (или нескольких отверстий) и линейно действующего элемента, который блокирует или открывает эти отверстия, регулируя поток. Основной принцип работы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой, с магнитным плунжером (или ползунком), который перемещается в ответ на это поле.

1. В обесточенном состоянии (когда на катушку не подается электрический ток) линейный элемент — плунжер или ползунок — находится в исходном положении, блокируя (или не блокируя) отверстие. В это время клапан не пропускает поток.
2. Когда клапан активируется, через катушку пропускается электрический ток, что создает магнитное поле. Магнитное поле воздействует на ферромагнитный плунжер, заставляя его перемещаться, и тем самым изменяет состояние клапана — открывает или закрывает поток через отверстие.

Процесс активации может быть описан следующим образом: магнитное поле, создаваемое катушкой, притягивает или отталкивает плунжер, который в свою очередь изменяет положение элементов клапана, открывая или закрывая путь потока.

Соленоиды прямого действия

Соленоидный клапан прямого действия — это конструкция, в которой линейный плунжер непосредственно управляет открытием или закрытием клапана без участия дополнительных механических приводов. В такой системе нет необходимости в пневматическом или гидравлическом приводе, что делает конструкцию проще и компактнее по сравнению с клапанами, использующими внешние приводы.

При подаче электрического тока в катушку создается магнитное поле, которое заставляет плунжер двигаться, открывая или закрывая отверстие, через которое проходит поток. Такая система позволяет более точно и быстро управлять потоком среды, при этом ее можно использовать в местах, где требуется экономия пространства.

Соленоидный клапан прямого действия имеет две основные конфигурации:

1. Нормально закрытый (НЗ): В этом случае, когда клапан находится в обесточенном состоянии, пружина удерживает плунжер в таком положении, при котором седло клапана полностью перекрывает отверстие, блокируя поток. Когда подается ток, магнитное поле перемещает плунжер, преодолевая силу пружины, и седло поднимается, открывая путь потока. После отключения тока пружина возвращает плунжер в исходное положение, снова закрывая клапан.
2. Нормально открытый (НО): В этом случае пружина удерживает седло от отверстия в обесточенном состоянии, что позволяет потоку свободно проходить. Когда подается электрический ток, магнитное поле притягивает плунжер, который перемещает седло к отверстию, и поток блокируется. Когда питание отключается, пружина возвращает седло в исходное положение, открывая клапан.

Преимущества и недостатки соленоидных клапанов

Преимущества:

• Компактность и простота конструкции — нет необходимости в дополнительном приводе, что позволяет снизить массу и размеры клапана.
• Высокая скорость реакции — соленоиды могут быстро переключать состояние клапана, что делает их идеальными для систем, требующих частого или быстрого контроля потока.
• Долговечность — малое количество движущихся частей и отсутствие внешних приводов способствует долговечности устройства.

Недостатки:

• Зависимость от источника питания — соленоидный клапан может работать только в том случае, если имеется постоянное питание для катушки.
• Потери энергии — в зависимости от конструкции и продолжительности работы, соленоиды могут требовать значительных затрат энергии на поддержание магнитного поля, что может быть неэффективно для длительных или частых операций.

Бистабильные соленоиды

Бистабильные соленоиды, также известные как защелкивающиеся или переключающиеся соленоиды, представляют собой интересный тип устройства, который работает по принципу, отличному от традиционных соленоидов. Вместо использования пружины для возврата скользящего элемента в исходное положение, бистабильные соленоиды используют постоянные магниты для удержания ферромагнитного скользящего элемента в одном из двух стабильных состояний при отключении питания.

Принцип работы

1. Возбуждение соленоида:
   • Когда катушка соленоида активируется, создается магнитное поле, которое генерирует тягу, достаточную для поднятия скользящего элемента (плунжера) из его исходного положения. Эта тяга сильнее, чем удерживающая сила постоянного магнита, который фиксирует плунжер в исходном состоянии.
2. Переключение положения:
   • После активации соленоида плунжер перемещается во вторичное положение. В этом состоянии постоянный магнит удерживает плунжер, даже когда питание отключено, что позволяет ему оставаться в этом положении без необходимости постоянного электропитания.
3. Возврат в исходное положение:
   • Чтобы вернуть плунжер в его исходное положение, необходимо снова активировать катушку, но с током, проходящим в противоположном направлении. Это изменение полярности генерируемого магнитного поля позволяет преодолеть удерживающую силу постоянного магнита и вернуть плунжер в его начальное положение.
4. Стабильные состояния:
   • Этот механизм переключения между двумя стабильными, обесточенными положениями и является основой термина «переключающий» или «бистабильный» соленоид. Благодаря этому принципу, бистабильные соленоиды могут сохранять свое состояние без потребления энергии, что делает их эффективными для применения в различных системах, где требуется экономия энергии.

Применение

Бистабильные соленоиды находят широкое применение в различных областях, включая:

• Автоматизация: Используются в системах управления, где требуется переключение между двумя состояниями (например, включение/выключение).
• Медицинское оборудование: Применяются в устройствах, требующих надежного переключения без постоянного потребления энергии.
• Промышленная автоматизация: Используются в производственных линиях для управления процессами и механизмами.

Управляемые соленоиды

В то время как традиционный и бистабильный электромагнитный клапан прямого действия может быть ограничен по таким параметрам, как размер трубопровода, рабочее давление и пропускная способность, соленоидный клапан с пилотным управлением, также называемый соленоидом непрямого действия, может преодолеть эти ограничения. Это достигается благодаря тому, что роль соленоида сводится к управлению пилотным отверстием, а сама рабочая среда используется для содействия открытию и закрытию основного клапана.

Принцип работы соленоида с пилотным управлением

Как и в случае с другими клапанами, в которых есть внутреннее или внешнее управление, главный клапан работает в зависимости от состояния пилотного клапана. В типичной конструкции соленоида с пилотным управлением используется диафрагма для герметизации основного пути потока. Диафрагма разделяет две полости — одну над ней и одну под ней. В диафрагме имеется небольшое отверстие, через которое рабочая среда может накапливаться с обеих сторон компонента, что позволяет уравнять давление.

Когда давление уравнено по обе стороны диафрагмы, легкая пружина оказывает достаточное сопротивление, чтобы удерживать диафрагму в закрытом положении, блокируя путь потока через основной клапан. Электромагнитный клапан, функционирующий как пилотный, управляет вторым отверстием, которое соединяет полость на верхней стороне диафрагмы с потоком ниже по течению.

Механизм управления с пилотным клапаном

Важно отметить, что отверстие, управляемое пилотным клапаном, больше по размеру, чем отверстие, через которое рабочая среда выравнивается по обе стороны диафрагмы. Когда пилотный соленоид открывается, рабочая среда эвакуируется из полости на верхней стороне диафрагмы с большей скоростью, чем она может поступать обратно через отверстие для выравнивания давления. Это создает перепад давления: давление под диафрагмой становится выше, чем давление на верхней стороне, что приводит к открытию основного клапана.

Под действием более высокого давления, которое теперь оказывается на нижней стороне диафрагмы, она перемещается, преодолевая сопротивление пружины, и открывает путь для потока через основной клапан. Это позволяет основному клапану переключаться в открытую позицию и пропускать рабочую среду.

Режимы работы клапанов с пилотным управлением

Соленоидный клапан с пилотным управлением может работать в двух основных режимах:

1. Нормально закрытый (НЗ): В этом случае, когда соленоид обесточен, диафрагма удерживается пружиной в закрытом положении, блокируя основной поток. Когда на соленоид подается питание, он открывает пилотное отверстие, что создает перепад давления и открывает основной клапан.

2. Нормально открытый (НО): В этом случае клапан остается открытым в обесточенном состоянии, поскольку пружина удерживает диафрагму в положении, позволяющем потоку проходить. Когда соленоид активируется, он закрывает пилотное отверстие, создавая перепад давления, который закрывает основной клапан и блокирует поток.

Преимущества соленоидов с пилотным управлением

1. Большее рабочее давление и пропускная способность: Поскольку основной клапан управляется не напрямую соленоидом, а через пилотное отверстие, можно использовать более крупные клапаны и работать с более высокими давлениями, чем с обычными соленоидами прямого действия.

2. Компактность: Несмотря на использование пилотного клапана, такие устройства остаются относительно компактными и подходят для применения в ограниченных пространствах.

3. Надежность: Пилотные соленоиды могут работать при более высоких нагрузках и давлениях, что делает их более надежными для длительной эксплуатации в сложных условиях.

3-ходовые соленоиды

Хотя соленоидные клапаны обычно имеют два состояния — включенное и выключенное — это не означает, что они могут использоваться только как двухходовые двухпозиционные клапаны с одним входом и одним выходом. На самом деле, трехходовые соленоидные клапаны предлагают более сложные конфигурации, позволяя реализовывать различные функции в зависимости от требований системы.

Конфигурации трехходовых соленоидных клапанов

1. Смесительное приложение:
   • В этой конфигурации трехходовой соленоидный клапан имеет два входа и один выход.
   • Начальное положение: Один из двух входов закрыт, что позволяет среде течь только из открытого входа к общему выходу. Это позволяет контролировать, какая среда будет направлена к выходу.
   • Вторичное положение: При переключении клапан открывает ранее закрытый вход, позволяя среде течь через него к общему выходу, в то время как поток из первоначально открытого входа перекрывается. Эта возможность смешивания различных сред делает трехходовые соленоиды полезными в таких приложениях, как смешивание жидкостей или газов.
2. Отклоняющее приложение:
   • В этой конфигурации трехходовой соленоидный клапан имеет один общий вход и два выхода.
   • Начальное положение: Среда течет из общего входа в один из двух выходов, в то время как второй выход остается закрытым. Это позволяет направлять поток в одну из двух возможных направлений.
   • Вторичное положение: При переключении клапан закрывает путь потока к ранее открытому выходу и открывает путь к ранее закрытому выходу, тем самым отклоняя поток к этому вторичному выходу. Эта функция полезна в системах, где требуется переключение потока между двумя направлениями, например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).

Применение трехходовых соленоидных клапанов

Трехходовые соленоиды находят широкое применение в различных областях, таких как:

• Автоматизация процессов: Используются для управления потоками в системах, где требуется переключение между различными источниками или направлениями потока.
• Системы отопления и охлаждения: Позволяют направлять теплоноситель в нужные контуры, обеспечивая эффективное распределение тепла или холода.
• Промышленное оборудование: Применяются для управления потоками жидкостей и газов в различных производственных процессах.

Соленоиды крепления NAMUR

Соленоидные клапаны, используемые для управления пневматическими приводами, обязательно поставляются в многопортовых конфигурациях. В то время как традиционный соленоидный клапан можно монтировать на ниппельный штуцер пневматического привода, соленоидный клапан с креплением NAMUR относится к особому классу соленоидных клапанов со стандартизированной схемой монтажа, предназначенной для специальной установки на поворотных пневматических приводах.

Соленоиды с креплением NAMUR могут иметь 3-ходовую/2-позиционную, 4-ходовую/2-позиционную или 5-ходовую/2-позиционную компоновку.

• Трехходовой соленоид такого типа будет иметь одно впускное, одно выпускное и одно выпускное отверстие.
• Четырехходовой соленоид этого типа будет иметь один вход, два выхода и одно выпускное отверстие.
• Пятиходовой соленоид такого типа будет иметь один вход, два выхода и два выпускных отверстия.

Каждый из них будет иметь активированное и деактивированное положение, которое влияет на путь потока воздуха через соленоид. Среди других факторов, таких как классификация опасной зоны, специальные разрешения, необходимость контролировать скорость работы клапана в обоих направлениях и выбор  пневматического привода двойного действия или с возвратной пружиной, поможет определить необходимый соленоид с креплением NAMUR.