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Oct 12, 2023

Mecanismos: Solenóides

Desde que os humanos começaram a brincar com a eletricidade, provamos ser bastante inteligentes em encontrar maneiras de aproveitar esse poder e transformá-lo em movimento. Motores elétricos de todos os tipos movem o mundo,

Desde que os humanos começaram a brincar com a eletricidade, provamos ser bastante inteligentes em encontrar maneiras de aproveitar esse poder e transformá-lo em movimento. Motores elétricos de todos os tipos movem o mundo, mas estão longe de ser a única maneira de colocar eletricidade em movimento. Quando você deseja rotação contínua, um motor é a melhor opção. Mas para aplicações mais simples de ligar e desligar, onde o controle preciso da posição não é crítico, um solenóide é mais adequado ao que você precisa. Esses dispositivos eletromagnéticos são encontrados em todos os lugares e são os próximos em nossa série sobre mecanismos úteis.

Um físico lhe dirá que um solenóide é simplesmente uma bobina de fio através da qual a corrente pode passar. É isso. Porém, exceto no laboratório de física, um dispositivo tão simples não tem muita utilidade mecânica, então o que tendemos a considerar um solenóide é um pouco mais complicado. Um solenóide prático possui uma bobina, mas também terá diversas peças mecânicas para funcionar como atuador.

Um solenóide de êmbolo é um bom exemplo do básico. O núcleo de ar da bobina do solenóide é parcialmente ocupado por um êmbolo de ferro ou aço macio, mantido no lugar por uma mola de retorno. Quando a corrente é aplicada à bobina, forma-se um campo magnético e o êmbolo é puxado com força para dentro do núcleo do solenóide. Quando a corrente para de fluir, o campo magnético entra em colapso e a mola de retorno força o êmbolo de volta ao estado de repouso. Isso é característico da maioria dos solenóides – eles são acionados ou não. Isso os torna ótimos para trabalhos que exigem que algo seja posicionado em uma posição ou outra em uma curta distância, como válvulas que interrompem o fluxo de líquido através de um cano ou tubulação.

Os solenóides de êmbolo variam em tamanho, desde muito pequenos até ridiculamente grandes. No lado pequeno, os solenóides de êmbolo servem como atuadores para válvulas microfluídicas em aplicações científicas e médicas, e no cabeçote de acionamento para o estilo de impacto de impressoras matriciais (sim, cada um desses pontos é o êmbolo de um solenóide).

Você provavelmente interage diariamente com solenóides de tamanho médio. O clique no início e no final da máquina de fazer gelo da sua geladeira é o que liga e desliga a água para reabastecer a bandeja. Você ouvirá um clique semelhante nas máquinas de refrigerante. E aqueles magos do pinball entre nós atestarão que as forças que lançam aquela bola prateada pelo campo de jogo são geradas por solenóides.

Aumentando a escala, há um solenóide bastante grande dentro do motor de partida de quase todos os carros e caminhões na estrada, pelo menos aqueles com motores de combustão interna. O solenóide fica no topo do motor de partida e é responsável por conectar e desconectar o motor de partida do sistema. O êmbolo do solenóide é preso ao eixo de acionamento do motor por meio de uma alavanca. Quando a chave de ignição é girada, a bobina solenóide é energizada, puxando o êmbolo para dentro e movendo a alavanca para fora ao longo do eixo do motor que agora gira. Isso aciona uma engrenagem de pinhão para engatar no volante do motor para dar partida no motor até que ele dê partida.

Outros estilos de solenóides estão disponíveis, incluindo solenóides rotativos. É exatamente o que parecem: atuadores que podem girar entre duas posições. Os projetos variam, mas os tipos mais comuns possuem um rotor de ímã permanente em um eixo dentro do núcleo do solenóide. Quando a bobina é energizada, o rotor sofre um torque devido ao campo magnético, muito parecido com o rotor de um motor de ímã permanente. O rotor apenas se move até uma parada física e retorna à posição de repouso por uma mola quando a bobina é desenergizada. Se a polaridade da bobina for invertida, o rotor e o eixo podem oscilar para o outro lado, tornando este tipo de solenóide rotativo biestável. Outros solenóides rotativos utilizam um disco de metal com ranhuras em rampa e rolamentos de esferas; quando o êmbolo é sugado para dentro do núcleo, os rolamentos de esferas forçam o disco e o eixo a girar ao longo das ranhuras.

Como dispositivos eletricamente simples, os solenóides podem funcionar em CA ou CC. Um solenóide DC tende a ser mais silencioso porque o campo magnético é constante enquanto a bobina está energizada. Um solenóide CA tende a vibrar à medida que o campo magnético varia e a força da mola de retorno o supera no instante em que a corrente muda de direção na bobina. Esta tendência pode ser mitigada pelo uso de um anel de sombreamento para alterar o circuito magnético dos solenóides CA. Um anel de sombreamento é apenas um pequeno anel de cobre que fica dentro do núcleo do solenóide para entrar em contato com o êmbolo quando estiver totalmente retraído. O campo magnético da bobina energizada induz uma corrente dentro do anel, que por sua vez cria seu próprio campo magnético que está atrasado em relação à fase do campo do solenóide em 90°. Quando o campo do solenóide cai para zero à medida que a forma de onda CA passa pelo ponto zero, o fluxo magnético do anel de sombreamento mantém o solenóide retraído, eliminando a vibração incômoda.