En elektrisk spole, eller elektromagnetisk spole, är en elektrisk ledare som innehåller en serie ledande ledningar lindade runt en ferromagnetisk kärna som är cylindrisk, toroidformad eller skivliknande. Elektriska spolar är en av de enklaste formerna av elektroniska komponenter och ger induktans i en elektrisk krets, en elektrisk egenskap som motverkar strömflödet.
Det finns ett brett utbud av elektriska spolar som varierar beroende på tjockleken på deras ledningar, spolens diameter, trådlängder, antalet slingor och typ av kärnmaterial, som kan vara luft, järn, stål, keramiskt material eller järnbaserat formlöst band. Materialen som används för kärnan i en elektrisk spole bestäms av materialets permeabilitet, vilket är kärnans förmåga att bilda ett magnetfält.
Elektriska spolar finns i elmotorer, generatorer, induktorer och elektromagneter. De fungerar som en ledare av elektricitet för att effektivt skicka elektrisk ström till elektriska motorer. De är en konsekvent och pålitlig metod för induktion.
Hur elektriska spolar används
Elektriska spolar finns vanligtvis i industriell tillverkning, medicinsk utrustning och utrustning som levererar el till bostäder och kommersiella byggnader. Eftersom de är en vanlig del av så många applikationer finns det spolar utformade för att möta de individuella specifika behoven för en mängd olika processer.
Hur elektriska spolar används
Medicinska elektriska spolar
Utrustning för medicinskt bruk måste uppfylla en mängd olika standarder för utrustning som kommer att användas för medicinska behandlingar. I de flesta fall tillverkar tillverkare spolar som följer de standarder som har fastställts för renrum. Filament för medicinsk utrustning finns i en mängd olika material för att möta applikationens behov.
Medicinsk utrustning kräver extremt snäva inre och yttre diametertoleranser för att säkerställa korrekt prestanda i kritiska situationer.
Militära elektriska spolar
Spolar som används av militären måste vara pålitliga, exakta, omedelbart lyhörda, flexibla och kunna prestera under svåra och farliga förhållanden. Det finns många användningsområden för elektriska spolar inom militären som inkluderar styrsystem, navigationskontroller och sensorer.
Elspolar för transport
Som med flera andra branscher använder transportindustrin i stor utsträckning elektriska spolar. De kan hittas i järnvägstransformatorer, belysningstransformatorer, armaturer och signalanordningar. Även elektriska spolar används vid tillverkning av elektriska lok, som har spolar som är speciellt utformade för att motstå vibrationerna vid konstant användning.
Energielektriska spolar
Att producera komponenter för energiindustrin är en utmaning eftersom många av platserna för utvinning av energi ligger på avlägsna platser. Oljeplattformar kräver pålitliga energikällor för att generera el. Elektriska spolar för detta ändamål är speciellt konstruerade och designade för att möta den tuffa miljön och förhållandena.
Elektroniska elektriska spolar
Med den snabba ökningen av elektroniska enheter har produktionen av elektriska spolar krävts för att ägna ett stort antal resurser åt att perfekta och designa elektriska spolar för att möta efterfrågan. Spolar för kretskort tillverkas av finlindad tråd för tillverkning av laminerade transformatorer och toroider.
Vinddrivna elspolar för generatorer
Elektriska spolar konstruerade för vindkraftverk klarar kraven på en generator som producerar mellan 100 W till över 1 MW. De är designade för att klara förhållanden som kan nå upp till 200°C och ändå bibehålla hög prestanda. Spolarna är gjorda av lättviktsmaterial och isolerade för skydd mot läckage eller skador.
Flödesmätare elektriska spolar
Syftet med en flödesmätare är att mäta volymen av en vätska eller gas som strömmar genom ett rör. De används för att tillhandahålla korrekt övervaknings- och kontrollinformation om flödet för exakta beräkningar. Spolar monterade på flödesmätaren är gjutna, formade och designade för att matcha radien på röret där flödet mäts. Eftersom flödesmätarspolar inte är mekaniska är de inte känsliga för slitage eller nötning.
Elektriska spolar för fordon
En grundläggande del av en bil är en tändspole som ändrar energin från batteriet till de tusentals volt som krävs för att skapa en gnista i tändstiften för att tända bränslet till motorn. Som med de flesta spolar består tändspolar av två uppsättningar koppartrådar som är virade runt en järnkärna. Den elektriska energin från kärnan överförs till fördelaren och vidare till tändstiften. Den primära lindningen av spolen är tung tråd, som är omgiven av sekundära lindningar av lättare mindre tråd.
Konceptet med tändspolen går tillbaka hundratals år och anpassades för användning i de första bilarna.
Hur elektriska spolar tillverkas
Även om elektriska spolar är den enklaste formen av elektriska komponenter, är de noggrant konstruerade för att passa de applikationer där de används. En elektrisk spole består av en kärna och ledningar som är lindade runt kärnan. Vissa typer av elektriska spolar har ingen kärna utan bara lindade ledningar. Tråden och dess lindning är viktiga aspekter av en elektrisk spole och dess prestanda.
Elektriska spole ledningar
Formen och dimensionerna på tråden som används i en spole är valda för att utföra en viss funktion. Induktans, energiförlust, isoleringsstyrka och magnetfältets kraft är centrala avgörande faktorer vid val av kablage.
De mest effektiva spolarna begränsar mängden material och volymen. Det finns ett förhållande mellan arean av de elektriska ledarna och lindningsutrymmet, vilket kallas fyllfaktorn. Runda ledningar kommer alltid att ha något gap, vilket ökas av utrymmet mellan skikten som skapas av isolering och antalet varv.
Fyllningsfaktorn är alltid mindre än en och varierar mellan 0,01 och 0,05. Användningen av rektangulära, kvadratiska och platta trådar är en metod för att öka fyllningsfaktorn.
Det finns tre typer av fyllningsfaktorer, som beror på förhållandet mellan styckets tvärsnittsarea och spolens tvärsnittsarea. Beräkningen för fyllnadsfaktorn sträcker sig mellan 0,1 och 0,5 med hög, mellanliggande och låg fyllfaktorsbeteckningar.
Tät packning av trådar minskar mängden luftutrymme och ökar fyllningsfaktorn. Detta i sin tur ökar effektiviteten hos en elektrisk enhet och förbättrar dess ledningsförmåga. Den bästa packningen av runda trådar inkluderar att det övre lagret av tråd fylls i spåren i det nedre lagret med 300o av spolens omkrets.
Lindningstråd är en isolerad ledare som används för att utbyta elektrisk energi med magnetisk energi. I de flesta fall är tråden belagd koppar eller aluminium som har någon form av tunnskiktsisolering. När man undersöker sådana faktorer som kemiska, fysikaliska och mekaniska egenskaper, för de flesta elektriska spolar, är koppar vanligtvis förstahandsvalet. Koppar av hög renhet används för applikationer med höga eller förhöjda temperaturer eller för motorer som använder vätgas för kylning.
Diametern, eller tjockleken, på tråden i en spole har två effekter. Det finns ett direkt samband mellan trådens diameter och dess potential för slitsfyllning eller dess fyllningsfaktor. Den andra effekten är mängden ström som kan flöda genom spolen. Ledararean kan enkelt ökas genom att använda en större tråd som kräver mindre isolering.
Problemet med att öka diametern på tråden är att den blir styvare, mindre flexibel och svårare att hantera. Trådens styvhet gör det svårare för den att anpassa sig till slitsformen. Även om det kan tyckas vara bekvämare och mer effektivt att använda en tråd med mindre tjocklek, ökar användningen av den isoleringsförhållandet som krävs. Mindre ledningar ökar också antalet nödvändiga varv, vilket kan leda till skador på ledningen under införandet.
Ledningar med 22 till 24 AWG ger ett bra förhållande mellan tråd och isolering, kan enkelt formas och är lätta att arbeta. Vid design av en motor undersöker ingenjörer spåröppningen, spårformen och lindningen samt insättningsmetoden.
Elektropläterade trådar
Elektropläterade ledningar används i miljöer där förhållandena kan försämras eller skada ledningarna. Materialen för att plätera trådarna är guld, silver och nickel, som finns i olika tjocklekar och är belagda med ett isoleringsmaterial. Galvanisering ger bättre skydd under tuffa förhållanden. Plätering av trådarna förbättrar avsevärt deras egenskaper såsom ledningsförmåga.
Typer av isolering
Elektriska spolar använder en mängd olika isoleringsmaterial som varierar beroende på temperaturområdet för deras applikation. Typerna av material inkluderar polyvinylklorid (PVC), polyuretan, polyester och de olika formerna av polyimid. Vid val av isoleringsmaterial används polyimid för applikationer som når temperaturer upp till 250° C. Under lindningsprocessen värms trådarna upp så att isoleringsmaterialen binder samman.
Isoleringsmaterialet förbättrar den termiska uthålligheten och skyddar tråden. Ledningsisoleringens huvudsakliga funktion är att förhindra att ledningarna berörs eftersom det skulle få dem att kortslutas. Varje typ av isoleringsmaterial har olika specifikationer som inkluderar värmekapacitet, mått och applikation.
I vissa fall kommer elektriska spolkablar att ha en dubbel beläggning. Tråden kommer att ha ett underlack som ett första täckskikt och ett täckskikt. Detta görs för att stärka tråden och öka dess hållbarhet samt att den ska kunna dra nytta av egenskaperna hos båda isoleringsformerna.
Polyvinylklorid (PVC)
Trådar isolerade med PVC kan motstå oljor, alkalisyror, solljus, väderpåverkan och nötning. Temperaturområdet för PVC är mellan -20° C till 60° C. Var och en av de olika typerna av PVC har olika böjlighet och elektriska egenskaper.
Polyuretan
Polyuretan är ett isoleringsmaterial som används i tuffa och farliga miljöer på grund av dess exceptionella mekaniska egenskaper och höga kemikaliebeständighet. Eftersom det är ett mycket flexibelt material och lätt att anpassa, används det vanligtvis för utomhusapplikationer. Även om det är ett starkt och robust material, används det normalt inte för elektriska applikationer.
Polyester
Polyester har en hög temperaturklassificering och en mycket låg sprödhetsfaktor. Den är mycket motståndskraftig mot skavsår. Den har utmärkt vindbarhet, flexibilitet och motståndskraft mot värme och lösningsmedel. En överdragning av polyamid över polyester förbättrar dess vindförmåga och termoplastiska flöde.
Polyimid
Polyimid är en av de mest använda formerna av isolering för elektromagnetiska spolar. Den har utmärkta mekaniska egenskaper och kan fungera i högtemperaturapplikationer. Polyimid är en polymer konstruerad av en imidmonomer, som har två acylgrupper bundna till kväve.
De mekaniska och termiska egenskaperna hos polyimid har ökat dess användning med elektromagnetiska spolar eftersom den tål en temperatur som överstiger 240°C och kan överleva vid höga temperaturer i 20 000 timmar utan att uppleva något elektriskt haveri.
Den vanligaste användningen av en elektromagnetisk spole är en induktor som lagrar energi inom sitt magnetfält. Betraktad som en passiv elektrisk komponent har en induktor ingen förstärkning och kan inte styra energins riktningsflöde. Sättet som en induktor utnyttjar energi är genom att den elektriska strömmen passerar genom dess kropp.
Denna reaktion beror på Faradays induktionslag, som säger att ”den inducerade elektromotoriska kraften eller EMF inom en sluten krets är lika med tidshastigheten för förändring av det magnetiska flödet genom kretsen.” Som en av elektronikens grundläggande komponenter fördröjer och omformar induktorer växelströmmar. Den magnetiska energin i en elektromagnetisk spole mäts i enheter av henries, uppkallad efter Joseph Henry, en amerikansk uppfinnare.
För att fungera inom en krets måste elektromagnetiska spolar ha terminaler anslutna till ledningen. Dessa terminaler kallas kranar. Kranar är vanligtvis antingen belagda med lack eller inslagna i en form av isoleringstejp. Detta hjälper till att hålla elektriciteten från att fly från den elektromagnetiska spolen och säkrar dem också på plats. Den elektromagnetiska spolen med kranar i vardera änden kallas en lindning.
När två elektromagnetiska spolar placeras tillsammans kallas det en transformator. Detta ger möjligheten att överföra energi mellan två elektriska kretsar genom magnetisk koppling. I huvudsak kan elektricitet överföras från krets till krets utan användning av rörliga delar. När en tredje elektromagnetisk spole placeras i närheten av transformatorn kan energi överföras ytterligare. Denna tredje spole kallas en tickler spole.
En av de vanligaste användningsområdena för elektromagnetiska spolar utanför induktorer och transformatorer är den magnetiska pickupen i musikinstrument som elgitarrer. Små kärnor med permanent magnetism är inlindade i några tusen varv av fin koppartråd. Metallsträngar med lätt magnetism vibreras nära spolarna och skapar magnetiskt flöde som i sin tur skapar en växelström genom tråden. Denna signal förs genom en kabel och förstärks i en högtalarenhet eller spelas in.
