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Oct 12, 2023

Meccanismi: Solenoidi

Da quando gli esseri umani hanno iniziato a giocare con l'elettricità, ci siamo dimostrati piuttosto intelligenti nel trovare modi per sfruttare quella potenza e trasformarla in movimento. Motori elettrici di ogni tipo muovono il mondo,

Da quando gli esseri umani hanno iniziato a giocare con l'elettricità, ci siamo dimostrati piuttosto intelligenti nel trovare modi per sfruttare quella potenza e trasformarla in movimento. Motori elettrici di ogni tipo muovono il mondo, ma non sono l’unico modo per mettere in movimento l’elettricità. Quando vuoi una rotazione continua, un motore è la strada da percorrere. Ma per applicazioni di accensione e spegnimento più semplici, dove il controllo preciso della posizione non è fondamentale, un solenoide è più quello di cui hai bisogno. Questi dispositivi elettromagnetici si trovano ovunque e sono i prossimi nella nostra serie sui meccanismi utili.

Un fisico ti dirà che un solenoide è semplicemente una bobina di filo attraverso la quale può passare la corrente. Questo è tutto. A parte il laboratorio di fisica, però, un dispositivo così semplice non ha molta utilità meccanica, quindi quello che tendiamo a pensare come un solenoide è leggermente più complicato. Un pratico solenoide ha una bobina, ma avrà anche diverse parti meccaniche per farlo funzionare come un attuatore.

Un solenoide a stantuffo è un buon esempio di nozioni di base. Il nucleo d'aria della bobina del solenoide è parzialmente occupato da uno stantuffo di ferro o acciaio dolce, tenuto in posizione da una molla di ritorno. Quando viene applicata corrente alla bobina, si forma un campo magnetico e lo stantuffo viene tirato con forza nel nucleo del solenoide. Quando la corrente smette di fluire, il campo magnetico collassa e la molla di ritorno riporta lo stantuffo nello stato di riposo. Questo è caratteristico della maggior parte dei solenoidi: o sono azionati oppure no. Ciò li rende ideali per lavori che richiedono che qualcosa venga posizionato in una posizione o nell'altra a breve distanza, come le valvole che arrestano il flusso di liquido attraverso un tubo o una tubazione.

Le dimensioni dei solenoidi a stantuffo variano da quelle molto piccole a quelle ridicolmente grandi. Sul lato piccolo, i solenoidi a stantuffo vengono utilizzati come attuatori per valvole microfluidiche in applicazioni scientifiche e mediche e nella testa di azionamento per lo stile di impatto delle stampanti a matrice di punti (sì, ognuno di questi punti è lo stantuffo di un solenoide).

Probabilmente interagisci quotidianamente con solenoidi di medie dimensioni. Il clic all'inizio e alla fine del produttore di ghiaccio del frigorifero è ciò che accende e spegne l'acqua per riempire il vassoio. Sentirai un clic simile nelle macchine per la soda. E quei maghi del flipper tra noi attesteranno che le forze che lanciano quella pallina d'argento sul campo di gioco sono generate da solenoidi.

Aumentando la scala, c'è un solenoide abbastanza grande all'interno del motorino di avviamento di quasi tutte le auto e i camion in circolazione, almeno quelli con motori a combustione interna. Il solenoide si trova sopra il motorino di avviamento ed è responsabile del collegamento e scollegamento del motorino di avviamento dal sistema. Lo stantuffo del solenoide è fissato all'albero di azionamento del motore tramite una leva. Quando si gira la chiave di accensione, la bobina del solenoide viene eccitata, tirando dentro lo stantuffo e spostando la leva lungo l'albero del motore che ora gira. Questo fa uscire un pignone per impegnarsi con il volano del motore per avviare il motore fino all'avvio.

Sono disponibili altri tipi di solenoidi, compresi i solenoidi rotanti. Questi sono esattamente ciò che sembrano: attuatori che possono ruotare tra due posizioni. I design variano, ma i tipi più comuni hanno un rotore a magnete permanente su un albero all'interno del nucleo del solenoide. Quando la bobina è eccitata, il rotore subisce una coppia dovuta al campo magnetico, proprio come il rotore di un motore a magnete permanente. Tuttavia, il rotore si sposta solo fino all'arresto fisico e viene riportato nella posizione di riposo da una molla quando la bobina è diseccitata. Se la polarità della bobina viene invertita, il rotore e l'albero possono oscillare nella direzione opposta, rendendo questo tipo di solenoide rotante bistabile. Altri solenoidi rotanti utilizzano un disco metallico con scanalature a rampa e cuscinetti a sfera; quando lo stantuffo viene risucchiato nel nucleo, i cuscinetti a sfera costringono il disco e l'albero a ruotare lungo le scanalature.

Essendo dispositivi elettricamente semplici, i solenoidi possono funzionare sia con corrente alternata che continua. Un solenoide CC tende ad essere più silenzioso perché il campo magnetico è costante mentre la bobina è eccitata. Un solenoide CA tende a vibrare al variare del campo magnetico e la forza della molla di ritorno lo supera nell'istante in cui la corrente cambia direzione nella bobina. Questa tendenza può essere mitigata mediante l'uso di un anello di ombreggiatura per alterare il circuito magnetico dei solenoidi CA. Un anello di ombreggiatura è semplicemente un piccolo anello di rame che si trova all'interno del nucleo del solenoide in modo che entri in contatto con lo stantuffo quando è completamente retratto. Il campo magnetico della bobina eccitata induce una corrente all'interno dell'anello, che a sua volta crea un proprio campo magnetico che ritarda di 90° rispetto alla fase del campo del solenoide. Quando il campo del solenoide scende a zero mentre la forma d'onda CA supera il punto zero, il flusso magnetico proveniente dall'anello di ombreggiatura mantiene il solenoide retratto, eliminando le fastidiose vibrazioni.