ソレノイド（エンジニアリング）

工学において、ソレノイドとは、コイル状の電線で形成された電磁石を用いて電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置である。この装置は電流から磁場[ 1 ]を発生させ、その磁場を用いて直線運動を生み出す。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

電磁気学において、ソレノイドとは、コイル内に摺動する強磁性プランジャーを備えたアクチュエータアセンブリです。電力が供給されていない状態では、プランジャーはコイルの外側に一部突出しており、電力が供給されるとプランジャーはコイル内に引き込まれます。固定コアを持つ電磁石はソレノイドとはみなされません。

簡単に言えば、ソレノイドは電気エネルギーを機械的な仕事に変換します。通常、ソレノイドは磁束キャリアとしても機能するフレームに囲まれた、磁力線の多重巻きコイルを備えています。工学においては、この用語は、単純な2位置アクチュエータよりも高度な、エネルギーを直線運動に変換する様々な変換装置を指すこともあります。[ 5 ]

「ソレノイド」という用語は、ソレノイドバルブ（空気圧バルブまたは油圧バルブを作動させる電気機械式ソレノイドを含む一体型デバイス）や、ソレノイドスイッチ（内部の電気機械式ソレノイドを使用して電気スイッチを操作する特殊なタイプのリレー）を指すこともあります。例えば、自動車のスターターソレノイドやリニアソレノイドなどが挙げられます。ソレノイドボルトは、電気機械式ロック機構の一種です。

アプリケーション

電気機械式ソレノイド

1920年に電気機械アクチュエータとして使用される市販のソレノイドの説明

電気機械式ソレノイドは、可動式の鋼または鉄の塊（アーマチュアと呼ばれる）に巻かれた電磁誘導コイルで構成されています。コイルは、アーマチュアがコイル中央の空間に出入りできるように形状が取られており、これによりコイルのインダクタンスが変化し、電磁石として機能します。アーマチュアの動きは、ソレノイドバルブの制御など、何らかの機構に機械的な力を与えるために使用されます。ソレノイドは、非常に短い距離以外では弱い力しか伝達しませんが、制御回路によって直接制御できるため、非常に速い反応時間を実現します。

アーマチュアに加わる力は、アーマチュアの位置の変化とコイルに流れる電流に対するコイルのインダクタンスの変化に比例します（ファラデーの電磁誘導の法則を参照）。アーマチュアに加わる力は、常にコイルのインダクタンスを増加させる方向にアーマチュアを動かします。

電気機械式ソレノイドは、電子ペイントボールマーカー、ピンボールマシン、ドットマトリックスプリンター、燃料インジェクターなどによく見られます。一部の住宅用ドアベルにも電気機械式ソレノイドが使用されており、コイルへの通電によりアーマチュアが金属製のチャイムバーを叩きます。[ 6 ]

押し引きソレノイド

プッシュソレノイドとプルソレノイドは、カタログに掲載されている一般的な製品で、通常は管状の構造をしています。ボビンに巻かれたコイル、鋼製プランジャー、円筒形のケース、そしてエンドピース（その1つはステーターポール）で構成されています。プルソレノイドはプランジャーに取り付ける手段を持ち、取り付けられた負荷をソレノイドに向かって引き寄せる点を除けば、どちらのタイプも構造は似ています。プッシュソレノイドは、ソレノイドから突出したプッシュピンによって負荷をソレノイドから押し出します。磁気的には同じで、内部では磁場がプランジャーをステーターポールピースに向かって引き寄せます。ほとんどのソレノイドは、まれな場合を除いて、磁極とプランジャー間の磁気反発力を利用して押し出すことはありません。一部の永久磁石型ソレノイドは、プランジャーを同じ方向に同時に吸引・反発させることで作動します（コイルの電気極性を反転させることで双方向に作動します）。一般的なプッシュソレノイドまたはプルソレノイドは、通電時に一方向にのみ動きます。プランジャーを非通電位置に移動させるには、バネなどの手段が必要です。他の構造では、平鋼を曲げたC字型またはD字型のフレームが使用され、コイルが見える場合があります。これらのタイプの効率は、コイルの周囲（端から端まで）に磁束を囲む鋼製の外枠によって実現され、プランジャーとステーター極間の空隙に磁束を集中させます。

比例ソレノイド

このカテゴリのソレノイドには、コイル電流の関数としてソレノイドプランジャーまたはアーマチュアのアナログ位置決めを実行する独自に設計された磁気回路が含まれます。これらのソレノイドは、軸方向であれ回転式であれ、高い始動力 (トルク) を生成するとともに、磁気的に急速に飽和し始めるセクションを持つ磁束搬送形状を採用しています。ソレノイドが動作ストロークを進むにつれて、結果として生じる力 (トルク) プロファイルはほぼ平坦になるか、高い値から低い値に低下します。ソレノイドは、特に閉ループ制御システムにおいて、位置決め、ストロークの途中での停止、または低速作動に有用です。一方向ソレノイドは反対の力に逆らって作動し、デュアルソレノイドシステムは自己循環作動します。比例概念は、SAE 出版物 860759 (1986) でより完全に説明されています。

SAE の論文で説明されているように、磁場の集中とそれに伴う磁束計測は、ソレノイド ストロークの開始時に高い始動力を生成し、ソレノイドが変位範囲内を移動するときに一定レベルまたは減少する力を維持するために必要です。これは、通常の減少するエア ギャップ タイプのソレノイドで経験されるものとはまったく逆です。磁場を動作エア ギャップに集中させると、最初にエア ギャップ全体に高い mmf (アンペア ターン) と比較的低い磁束レベルが生成されます。この mmf x 磁束 (読み取りエネルギー) の積が高いため、高い始動力が生成されます。プランジャーが増分 (ds) されると、運動エネルギー F∙ds がエア ギャップ エネルギーから抽出されます。プランジャーの運動の増分に固有に、エア ギャップのパーミアンスがわずかに増加し、磁束が増加し、エア ギャップ全体の mmf がわずかに減少します。これらすべての結果として、mmf x 磁束の積が高く維持されます。磁束レベルの増加により、鉄系回路の他の部分（主に磁極形状）におけるアンペアターンの上昇とそれに伴う空隙アンペアターンの減少が起こり、空隙における磁界のポテンシャルエネルギーが低下します。プランジャーをさらに押し込むとソレノイド力は継続的に減少し、ソレノイドコイルへの電流制御による動作制御に最適な状態となります。前述の磁極形状は、パス面積が直線的に変化するため、力の変化はほぼ直線的です。反対向きのバネ力、または両端コイルを持つソレノイドを使用することで、往復動作の制御が可能になります。閉ループ制御により、システムの直線性と剛性が向上します。

ロータリーソレノイド

ロータリーソレノイドは、電力が供給されるとラチェット機構を回転させるために使用される電気機械装置です。1950年代には、電気機械制御における回転式スナップスイッチの自動化に使用されていました。ロータリーソレノイドを繰り返し作動させると、スナップスイッチは1つ前進します。回転式スナップスイッチシャフトの両端に取り付けられた2つのロータリーアクチュエータによって、スイッチの位置を前進または後退させることができます。

ロータリーソレノイドはリニアソレノイドと外観が似ていますが、アーマチュアコアが大きな平らなディスクの中央に取り付けられ、ディスクの裏側に3つの傾斜したレースウェイが刻まれている点が異なります。これらの溝はソレノイド本体のレースウェイと一直線になっており、レースウェイ内のボールベアリングによって区切られています。

ソレノイドが作動すると、アーマチュアコアはステータポールに磁気的に引き寄せられ、ディスクはレース内のボールベアリング上で回転しながらコイル本体に向かって移動します。電源が切断されると、ディスク上のスプリングがディスクを回転方向と軸方向の両方で元の位置に戻します。

ロータリーソレノイドは、1944年にオハイオ州デイトンのジョージ・H・リーランドによって発明されました。空中投下爆弾の投下機構として、より信頼性が高く、衝撃や振動に強いものを目指したものでした。それまで使用されていた直線型（アキシャル型）ソレノイドは、不意に投下されやすいという問題がありました。米国特許第2,496,880号には、本発明の基礎となる電磁石と傾斜軌道が記載されています。リーランドの技術者であるアール・W・カーマンは、ロータリーソレノイドを組み込んだ互換性のある爆弾投下シャックルの開発に尽力しました。このタイプの爆弾シャックルは、オハイオ州デイトンにあるアメリカ空軍国立博物館に展示されているB-29航空機の胴体に搭載されています。これは、1965 年 7 月にマリナー 4 号が火星を通過した際にカメラのシャッターとして使用されたリーランド ソレノイドの直径 1 インチ バージョンです。この種類のソレノイドは、数え切れないほど多くの現代のアプリケーションで使用され続けており、現在もジョンソン エレクトリックが所有するリーランドのオリジナル ブランド「Ledex」で製造されています。

1980年代に市場に登場した、バランスの取れた3ローブ鉄製ベーンローターを備えたロータリーソレノイドは、ローターの軸方向の動きを排除することで振動絶縁性を向上させました。この装置は、郵便仕分け機やコンベアのゲート制御などの用途において、比例制御による静粛な位置決めと高速回転を可能にしました。その後、永久磁石ローターバージョン（米国特許5,337,030、1994年）が登場し、高速かつ電気的に双方向に回転できるようになりました。

ロータリーボイスコイル

ロータリーボイスコイルは、ソレノイドの回転バージョンです。通常、固定磁石は外側に配置され、コイル部分はコイルを流れる電流によって制御される円弧を描いて動きます。ロータリーボイスコイルは、ディスクドライブなどのデバイスに広く使用されています。ムービングコイルメーターの動作部も、指針軸を中心に回転するロータリーボイスコイルの一種で、通常はヘアスプリングを使用して弱い、ほぼ直線的な復元力を提供します。

空気圧ソレノイドバルブ

空気圧バルブのソレノイド

空気圧ソレノイドバルブは、あらゆる空気圧機器（通常はアクチュエータ）に空気を送るためのスイッチであり、比較的小さな信号で大型機器を制御できます。また、電子制御装置と空気圧システム間のインターフェースとしても機能します。

油圧ソレノイドバルブ

油圧ソレノイドバルブは、一般的に空気圧ソレノイドバルブと似ていますが、作動油（オイル）の流量を制御する点が異なります。制御圧力は、通常3000 psi（210 bar、21 MPa、21 MN/m 2）程度です。油圧機械では、ソレノイドを用いてラムやアクチュエータへのオイルの流量を制御します。ソレノイド制御バルブは灌漑システムでよく使用され、比較的弱いソレノイドが小さなパイロットバルブを開閉します。パイロットバルブは、メインバルブに機械的に連結されたピストンまたはダイヤフラムに流体圧力をかけることでメインバルブを作動させます。ソレノイドは、洗濯機などの家庭用品にも使用され、ドラムへの水の流れと量を制御し、水の流れを制御します。

トランスミッション ソレノイドは、自動トランスミッションを通る流体の流れを制御し、通常はトランスミッション バルブ ボディ内に取り付けられます。

自動車スターターソレノイド

自動車やトラックにおいて、スターターソレノイドは自動車エンジンの点火システムの一部です。スターターソレノイドは、車のバッテリーから大電流、そしてイグニッションスイッチから小電流を受け取ります。イグニッションスイッチがオンになると（つまり、キーを回して車を始動させると）、小電流によってスターターソレノイドは一対の重い接点を閉じ、大電流をスターターモーターに中継します。これはリレーの一種です。

スターターソレノイドはスターター自体に内蔵されている場合もあり、多くの場合、スターターの外側から確認できます。スターターソレノイドがバッテリーから十分な電力を受け取らないと、モーターを始動できず、特徴的な「カチッ」または「カチッ」という急速な音が発生することがあります。これは、バッテリーの電圧低下または放電、バッテリーへの接続部の腐食または緩み、あるいはバッテリーからのプラス（赤）ケーブルの断線または損傷などが原因で発生することがあります。いずれの場合も、ソレノイドにはいくらかの電力が供給されますが、重い接点を閉じた状態に維持するには不十分なため、スターターモーター自体は回転せず、エンジンは始動しません。

参照

参考文献

ウィキメディア コモンズには、ソレノイドに関連するメディアがあります。

ソレノイド力の計算: https://www.keepandshare.com/doc18/25385/solenoidmagnetics-pdf-713k?da=y§

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ソレノイド_(エンジニアリング)&oldid =1264811478」より取得