Tipi di elettromagneti

Vi sono due categorie principali di elettromagneti:

Rotativi

Lineari

Gli elettromagneti lineari vengono impiegati, solo per citare qualche esempio, negli elettrodomestici, nei distributori automatici, nelle serrature, nelle macchine cambiamonete, negli interruttori automatici, nelle pompe, nelle apparecchiature medicali, nei cambi degli autoveicoli e nelle macchine postali. 

Gli elettromagneti rotativi vengono impiegati, anche stavolta per citare solo qualche esempio, nelle macchine utensili, nei laser, nello sviluppo delle pellicole, nei supporti di memorizzazione, nelle apparecchiature medicali, nelle cernitrici, nei sistemi di chiusura per porte tagliafuoco  e nelle macchine postali.

Gli elettromagneti vengono impiegati in tutti i possibili settori a livello mondiale e sono ben noti quale alternativa efficiente, economica ed affidabile per l'attuazione.

Otto aspetti essenziali da prendere in considerazione al momento della progettazione di un elettromagnete per un complessivo

• Corsa
• Forza o coppia
• Tensione
• Corrente / Potenza
• Fattore di servizio
• Temperatura
• Tempo di funzionamento / Velocità
• Condizioni ambientali
• C.A. / C.C.
• Durata

Corsa – nelle applicazioni degli elettromagneti, limitare quanto più possibile la corsa in modo da ridurre al minimo le dimensioni, il peso e il consumo di energia elettrica.

Forza – si applica agli elettromagneti di tipo lineare. La forza di spunto è di norma più importante di quella di fine corsa.  Si suggerisce un fattore di sicurezza pari a 1,5. Ad esempio, in un'applicazione in cui è necessaria una forza di 30 N si dovrebbe impiegare un elettromagnete che produce una forza di almeno 45 N.  Per realizzazioni con nuclei ad estremità piatta, la forza è inversamente proporzionale al quadrato del traferro.  Il traferro è lo spazio all'interno del circuito magnetico che consente al nucleo di muoversi liberamente e al flusso magnetico di circolare con una resistenza (riluttanza) minima.

Per determinare i requisiti di forza o di coppia occorre tenere conto di quanto segue:

• Il carico effettivo carico da spostare
• La forza o coppia della molla di richiamo
• I carichi dovuti all'attrito
• L'aumento di temperatura
• Il fattore di servizio
• L'orientamento dell'elettromagnete rispetto alla forza di gravità  (il peso del nucleo si aggiunge o si sottrae in base al modo in cui è montato l'elettromagnete).
  
  

Negli elettromagneti lineari, la forza varia al variare della forma dell'estremità del nucleo utilizzato.  Nelle applicazioni caratterizzate da una corsa da media a lunga, viene utilizzato un nucleo ad estremità conica.  Il traferro efficace cambia riducendosi a una frazione della corsa effettiva.  Per le applicazioni caratterizzate da un corsa breve vengono utilizzati nuclei ad estremità piatta.  I nuclei ad estremità conica a stadi possono fornire corse di varie lunghezze  (da medie a lunghe) a seconda dell'angolo dei diversi stadi. Sono vantaggiosi laddove vi sia necessità di un'elevata forza di ritenuta.

Coppia – si applica agli elettromagneti rotativi.  La coppia di spunto è di norma più importante di quella finale.  Si suggerisce un fattore di sicurezza pari a 1,5. Ad esempio, in un'applicazione in cui è necessaria una coppia di 4 Nm si dovrebbe impiegare un elettromagnete che produce una coppia di almeno 6 Nm.  La coppia prodotta dagli elettromagneti rotativi Ledex™ è inversamente proporzionale alla lunghezza totale della corsa.  Quanto più lunga è la corsa, tanto minore è la coppia erogata.  Quanto più breve è la corsa è breve, tanto maggiore è coppia erogata.

Tensione – la tensione di alimentazione determina l'avvolgimento della bobina da utilizzare nell'opportuno elettromagnete.  Tensioni di alimentazione in C.C. comuni sono 6, 12, 24, 36 e 48 V c.c.  Elettromagneti in C.A. ed elettromagneti in C.C. a confronto – gli elettromagneti in C.A. vengono utilizzati più comunemente negli elettrodomestici.  Gli elettromagneti in C.A. vengono di norma utilizzati quando la conversione da C.A. in C.C. comporta costi eccessivi.  Gli elettromagneti in C.A. necessitano tipicamente di una energia di eccitazione doppia rispetto a quella richiesta da un elettromagnete in C.C.  Ne deriva che nelle applicazioni odierne si preferisce impiegare molti più elettromagneti in C.C..

Corrente / Potenza – La forza prodotta da un elettromagnete in C.C. è proporzionale al numero di spire (N) dell'avvolgimento della bobina e all'intensità della corrente (I) che vi circola.  Ciò determina il valore di amperespire ovvero NI.  I requisiti dell'elettromagnete devono corrispondere alle caratteristiche della fonte di energia elettrica.

Fattore di servizio – Il fattore di servizio di una applicazione è il rapporto tra il "tempo di inserzione" e il tempo totale di un ciclo completo (tempo di inserzione + tempo di riposo).  Il fattore di servizio viene solitamente espresso in valore percentuale o sotto forma di frazione (50%, 100%).  Una rappresentazione più semplicistica del fattore di servizio consiste nel definire gli elettromagneti con fattore di servizio < 100% di tipo "Intermittente" e quelli con fattore di servizio pari al 100% di tipo "Continuo".  A tutti gli elettromagneti a servizio intermittente (fattore di servizio < 100%) deve inoltre essere assegnato un "tempo di inserzione" massimo onde evitare il surriscaldamento che può infine causare la bruciatura della bobina.  Il "tempo di inserzione" non deve superare quello concesso dai limiti di dissipazione di potenza della bobina.  Un opportuno sistema di dissipazione del calore e/o un raffreddamento supplementare migliorano la dissipazione del calore consentendo una gamma di fattori di servizio più estesa.  Occorre prestare una particolare attenzione al dato "tempo di inserzione" massimo fornito unitamente al fattore di servizio calcolato onde evitare di danneggiare gli elettromagneti.  Ad esempio, sebbene da una applicazione che preveda un tempo di inserzione di un'ora e un tempo di riposo di 3 ore si ottenga un fattore di servizio pari al 25%, nella pratica una tale applicazione sarebbe irrealistica. Una applicazione di un elettromagnete più realistica potrebbe essere una che prevedesse un tempo di inserzione di un secondo e un tempo di riposo di 3 secondi con il medesimo di fattore di servizio pari al 25%.

Temperatura – Occorre prendere in considerazione sia la temperatura ambiente in cui opera l'elettromagnete sia l'autoriscaldamento dell'elettromagnete al lavoro.  La resistenza della bobina varia al variare della temperatura con conseguente influenza sulla forza prodotta.  La temperatura dovuta all'autoriscaldamento è stabilita dal fattore di servizio.  Ad ogni 1¡ di aumento della temperatura oltre i 20 ºC corrisponde un aumento dello 0,39% della resistenza nominale, con conseguente diminuzione della forza o coppia prodotta.  Vi sono vari modi per compensare le limitazioni dovute alle temperatura:

• Specificare una bobina di classe C
• Specificare una bobina incapsulata
• Utilizzare un elettromagnete rotativo modello E anziché modello S
• Eseguire l'attuazione a un livello di potenza e passare a un livello di potenza ridotto per la tenuta (inserzione e tenuta)
• Utilizzare un elettromagnete ad aggancio magnetico
• Utilizzare un elettromagnete a più avvolgimenti
• Adottare un funzionamento intermittente anziché un servizio continuo
• Utilizzare un elettromagnete di maggiori dimensioni
• Utilizzare un dissipatore di calore
• Aggiungere una ventola di raffreddamento

Ciò che limita la temperatura di esercizio di un elettromagnete è il materiale di isolamento del filo di rame smaltato utilizzato per la bobina.  Classi di isolamento:

• Classe B- 130 ºC
• Classe F- 155 ºC
• Class H- 180 ºC
• Class C- 220 ºC

Per rimanere eccitato, un tipico elettromagnete necessita del 10% della corrente normale.  A tal fine, utilizzare uno dei seguenti mezzi:

• Tenuta meccanica con resistore
• Scarica di condensatore e mantenimento con resistore
• Mantenimento transistorizzato con circuito
• Modulazione di larghezza degli impulsi
• Inserzione e tenuta  
• Doppia tensione
• Più bobine

Tempo di funzionamento / Velocità – Tra i fattori che influiscono sul tempo e la velocità vi sono la massa del carico, la potenza / i watt disponibili e la corsa.  Anche la diseccitazione riveste un ruolo importante e su di essa influiscono il traferro, la soppressione delle sovratensioni sulla bobina, il meccanismo di richiamo del nucleo o dell'indotto e il magnetismo residuo. 

• Il traferro è lo spazio all'interno del circuito magnetico che consente all'indotto di muoversi liberamente e al flusso magnetico di circolare con una resistenza (riluttanza) minima.  Più piccolo è il traferro, più tempo impiega il campo magnetico generato dalla bobina eccitata ad affievolirsi. Ciò comporta un tempo di diseccitazione più lungo. 
• L'applicazione di dispositivi di protezione elettronica atti a ridurre le brusche sovratensioni dovute all'interrruzione della corrente nella bobina è necessaria per garantire la protezione del dispositivo di commutazione.  La soppressione delle sovratensioni sulla bobina tende ad aumentare il tempo di diseccitazione dell'elettromagnete.
  
  
• Poiché gli elettromagneti esercitano forza in un solo verso, deve esservi qualche forza di ripristino (come ad esempio la forza di gravità o quella esercitata da una molla) che riporti l'elettromagnete nella posizione iniziale o in quella di diseccitazione.  In tal modo l'elettromagnete viene posizionato per l'operazione successiva.
  
  
• Le superfici del traferro di un elettromagnete, quando quest'ultimo è eccitato, diventano il polo nord e il polo sud di un magnete.  Quando l'elettromagnete è diseccitato, esiste ancora una attrazione magnetica piccola ma misurabile tra i due poli denominata magnetismo residuo.  Il magnetismo residuo può essere ridotto sottoponendo ad ipertempra i particolari dell'elettromagnete o aumentando le dimensioni del traferro.
  
  

Condizioni ambientali – Quando si sceglie un elettromagnete occorre considerare molti fattori ambientali.  Tra questi vi sono la temperatura, la presenza di sabbia / polvere, l'umidità, gli urti, le vibrazioni, l'altitudine, la depressione, la presenza di sostanze chimiche e di polvere cartacea.

Durata dell'elettromagnete – La durata è determinata da / ottimizzata da quanto segue:

• Finitura del sistema cuscinetto e della superficie dell'asse
• Caricamento laterale e allineamento del carico
• Evitamento degli urti reciproci tra le espansioni polari
• Riduzione dello scuotimento al momento dell'eccitazione

Le durate previste per gli elettromagneti vanno da 50.000 cicli ad oltre 100 milioni di cicli.

Elettromagneti personalizzati -   L'80% degli elettromagneti sono realizzati su specifica del cliente.  Tra le modifiche tipiche vi sono la terminazione, i fili di collegamento, le configurazioni del nucleo, i prolungamenti dell'asse, le modifiche del montaggio e le connessioni.

Suggerimenti per le applicazioni -

• Per ottenere un prolungamento della durata, provare le seguenti opzioni:
  • Azionare il carico dal lato dell'indotto di un elettromagnete rotativo anziché dal lato della base di appoggio
  • Nel progetto di un elettromagnete ribassato, impiegare cuscinetti in vespel o oilite
  • Utilizzare cuscinetti a doppio anello o una scanalatura nell'asse che agisca da serbatoio di lubrificante
  • Utilizzare giunti di nylon additivato con fibre di vetro o di carbonio
• Per ottenere una maggiore coppia di tenuta o prestazioni superiori in termini forza, provare le seguenti opzioni:
  • In un elettromagnete rotativo, utilizzare piste di scorrimento sfere dentellate
  • Utilizzare espansioni polari piatte
  • Utilizzare elettromagneti ad aggancio magnetico
• Per determinare la temperatura a cui una bobina si è stabilizzata, adottare la seguente procedura:
  • Misurare la resistenza della bobina a temperatura ambiente
  • Misurare la corrente alla temperatura stabilizzata e calcolare la resistenza della bobina applicando la legge di Ohm
  • Dividere la resistenza ottenuta per la resistenza misurata a temperatura ambiente per ottenere il fattore di resistenza
  • Servendosi del diagramma dei fattori di resistenza, leggere la temperatura alla quale la bobina dell'elettromagnete si è stabilizzata.
    
    
• Per compensare l'aumento di temperatura:
  • Fissare l'elettromagnete su una superficie metallica (dissipatore di calore)
  • Utilizzare una ventola di raffreddamento
  • Utilizzare un elettromagnete di maggiori dimensioni
  • Operare con un fattore di servizio < 100%
  • Prendere in considerazione una classe di isolamento superiore
  • Utilizzare un elettromagnete con più avvolgimenti
  • Utilizzare un circuito di inserzione e tenuta, come ad esempio un circuito PWM