¿Hasta qué punto es crítico bobinar un solenoide/electroimán de forma ordenada?

Question

Todos hemos visto las costosas máquinas de bobinado toroidal en YouTube, y los solenoides fabricados son siempre tan pulcros en su construcción - como en: Cada bobinado está perfectamente empaquetado a su anterior, sin superponerse: como "-/////////-"

No se trata de una respuesta numérica explícita, sólo busco una indicación de la importancia: si una bobina se bobina en una fábrica, perfectamente enrollada, sin solapamientos, cada bobina inmediatamente al lado de la anterior, frente a una de las mismas especificaciones hecha en casa con algunos huecos, algunos solapamientos y otras imperfecciones aquí y allá, ¿cuál es el rendimiento "aproximado"? ¿Estamos hablando de un 0,1% o un 10%?

Si realmente es posible realizar algún tipo de cálculo (con algunas suposiciones puestas ahí) - utilicemos el ejemplo de: enrollar una varilla de hierro dulce recocido de 35 mm con alambre magnético de 1,2 mm, enrollado 200 veces a lo largo de una longitud de 40 mm.

Answer 1

En comparación con las bobinas compactas, ¿cuánto espacio hay dentro de una bobina aleatoria? Apuesto a que es más del 50%, y el volumen total de la bobina es casi el doble que el de una versión cerrada.

En el caso de las bobinas aleatorias "scramble-wound", los valores de vueltas/kg y vueltas/km del alambre son bajos, pero también es grande la profundidad superficial media de todo el inductor. Eso es lo que queremos, por lo que, para bobinas de RF de baja pérdida y alta frecuencia, debemos evitar los devanados apretados. Compre un devanador de bobinas de tipo revuelto, y tal vez también devane sus bobinas "pie-wound", como una pila de tortitas.

Pero para CC o 60 Hz, una bobina de bobinado apretado es mucho más pequeña, pero con el mismo valor de gauss/vatio que una gran bobina de bobinado revuelto. Si el tamaño físico es un problema (motores, por ejemplo, y también actuadores de solenoide), los bobinados cerrados producen dispositivos en miniatura muy potentes, capaces de accionar potencias elevadas.

También: vibración. Los motores baratos y mal hechos fallarán porque las bobinas no estaban lo suficientemente apretadas. Algunas de las vueltas vibraban, y esto mordía el barniz aislante del cable. Eventualmente se producía un cortocircuito. Un motor con espiras en cortocircuito interno experimentará arrastre y calentamiento, e incluso puede "escaparse" en carbonización interna, incendios. Con las bobinas del motor, queremos que la bobina se comporte como un objeto sólido, sin nada en su interior que se menee.

Además: ¡refrigeración! Podemos comprar alambre de bobinado especializado con sección cuadrada o rectangular, que permite que los bobinados se empaqueten entre sí con espacios mínimos. (Normalmente, este tamaño de cable es muy superior a 10AWG, destinado a grandes transformadores). Desde el punto de vista térmico, la bobina de alambre rectangular resultante actúa como un bloque metálico sólido, con una alta conductividad térmica. Enfríe el exterior con un ventilador y el interior también se enfriará. Por otro lado, una bobina de alambre revuelto está llena de aire aislante: se parece más a un trozo de espuma de poliestireno que a un trozo de metal. Su potencia máxima será menor que la de una bobina densa no revuelta.

Abajo, ¿lo más revuelto posible? Un estrangulador de ánodo de amplificador de válvulas de HF de unos pocos mH de valor

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Véase también:

• WP: herida en la cesta https://en.wikipedia.org/wiki/Basket_winding
• bobinas de radio de cristal https://www.google.com/search?q= "cesta+enrollada "+"bobina"
• alambre magnético rectangular

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Answer 2

Depende de sus parámetros de rendimiento. Cualquier cable en bucle a través de una alta permeabilidad relativa. \$\mu_r\$ núcleo funciona prácticamente igual magnéticamente independientemente de la posición dentro del núcleo. Si hay un entrehierro en el circuito magnético, la posición importa un poco más, pero normalmente no mucho en piezas como los transformadores flyback con entrehierro.

Las bobinas enrolladas en forma de "cesta", como en la foto de wbeaty, tienen una menor capacitancia distribuida y, por tanto, una mayor SRF (frecuencia autorresonante). Por lo tanto, para aplicaciones de RF, es muy importante.

Las bobinas para alta tensión (normalmente, el aislamiento del alambre magnético ordinario no está preparado para soportar mucha tensión y no se puede confiar en su seguridad ni en su funcionalidad para soportar mucha tensión) pueden bobinarse en bobinas segmentadas y es necesario evitar que los extremos de la bobina estén demasiado cerca unos de otros o se crucen.

Un bobinado desordenado puede significar que no se puede utilizar toda la ventana de bobinado que cabría esperar, por lo que no se está utilizando el núcleo de la forma más eficiente posible.

Answer 3

Si hablamos de imanes o solenoides, que en realidad no realizan ninguna cantidad significativa de trabajo cuando están "encendidos" en estado estacionario, entonces:

Para una geometría de bobina dada, el rendimiento (independientemente del calibre del hilo) viene determinado por la cantidad de calor producida por amperio-vuelta.

Para un número determinado de amperios-vuelta (= fuerza del imán), esa cantidad de calor viene determinada por la resistencia del material de la bobina.

Si su bobina tiene un 50% de espacio vacío, entonces la resistencia media del material de la bobina es el doble que la de una bobina densamente empaquetada y, por tanto, su imán sólo es un 50% más eficiente.

Eso es muy importante.