Il semplice principio di rotazione del motore: Come la forza magnetica crea la direzione

Comprendendo questa idea centrale, il principio di motore rotazione, svela i segreti di molti oggetti che utilizziamo quotidianamente. In questo articolo scoprirete come funziona esattamente un motore, cosa lo fa girare in una certa direzione e come si controlla la sua velocità. Nessuna matematica complessa, solo uno sguardo chiaro e diretto alla forza magnetica che alimenta il nostro mondo.

Qual è il principio di base della rotazione del motore?

Tutto si riduce a una semplice regola della natura: gli opposti si attraggono e i simili si respingono. Pensate di giocare con due magneti. Se si cerca di spingere insieme i due poli nord, questi si allontanano a vicenda. Ma se ne girate uno, i poli nord e sud si uniscono. Questa semplice spinta e attrazione è la forza alla base di ogni singolo motore elettrico.

Il principio fondamentale della rotazione del motore consiste nell'utilizzare questa spinta e attrazione magnetica per creare un movimento rotatorio continuo. Non usiamo però due normali magneti. Utilizziamo un magnete normale e un tipo speciale di magnete che possiamo accendere e spegnere con l'elettricità. Regolando con attenzione le spinte e le tirate, possiamo fare in modo che una parte del motore insegua un campo magnetico in cerchio. Questo inseguimento è la rotazione che si vede. L'intero e sorprendente design di un motore si basa su questo semplice e potente principio.

In che modo la forza magnetica fa ruotare un motore?

Quindi, come possiamo utilizzare questa forza magnetica per far girare qualcosa? In un motore di base ci sono due parti principali. Una parte è costituita da un magnete (o da magneti) stazionario. L'altra parte è il rotore, che è la parte che gira. Su questo rotore, avvolgiamo un filo in una bobina. Quando inviamo una corrente elettrica attraverso questa bobina, accade qualcosa di straordinario: diventa un magnete temporaneo, chiamato elettromagnete. Questa è la chiave di tutto.

Ora ci sono due magneti: quello fisso e il nuovo elettromagnete sul rotore. Il polo nord del nostro elettromagnete sarà spinto via dal polo nord del magnete fisso e tirato verso il suo polo sud. Questo movimento di spinta e attrazione crea una forza che fa girare, o ruotare, il rotore. Questo movimento di rotazione è il movimento rotatorio che desideriamo. L'obiettivo di qualsiasi progetto di motore è quello di far funzionare questa forza magnetica nel modo più efficiente possibile per produrre una rotazione regolare.

Che ruolo ha la corrente elettrica in questo principio?

La corrente elettrica è il carburante del motore. Senza di essa, la bobina di filo è solo un pezzo di rame. Non ha potere magnetico. Quando inviamo una corrente attraverso il filo, generiamo un campo magnetico. Questo è il principio fondamentale che collega elettricità e magnetismo. La quantità di corrente inviata influisce direttamente sulla forza dell'elettromagnete. Una corrente piccola crea un campo magnetico debole, mentre una corrente più grande ne crea uno potente.

È questo che ci permette di controllare il motore. La corrente è ciò che accendiamo e spegniamo per far andare o fermare il motore. È anche ciò che regoliamo per modificare il comportamento del motore. Il semplice atto di inviare una corrente elettrica in una bobina è l'innesco dell'intera generazione del movimento. La progettazione del motore consiste nell'utilizzare al meglio il campo magnetico creato da questa corrente per produrre energia meccanica e rotazione.

È possibile cambiare il senso di rotazione di un motore?

Sì, assolutamente! E il modo in cui lo facciamo è sorprendentemente semplice. Si rifà al principio dell'elettromagnete. La direzione in cui la corrente scorre attraverso la bobina determina quale estremità diventa il polo nord e quale il polo sud. Se la corrente scorre in un senso, il lato sinistro potrebbe essere il nord. Se invertiamo la direzione della corrente, il lato destro diventerà invece nord. Abbiamo invertito i poli del magnete.

Quindi, per cambiare il senso di rotazione di un motore, è sufficiente cambiare la direzione della corrente che scorre nella bobina. Supponiamo che il motore stia girando in senso orario. Invertendo la corrente, invertiamo i poli magnetici del rotore. Ora le forze che lo spingevano in senso orario lo spingono in senso opposto. Il motore si ferma e inizia a girare in senso antiorario. Questa capacità di cambiare facilmente direzione è una caratteristica fondamentale per molte applicazioni motoristiche, dagli alzacristalli elettrici delle automobili ai robot in fabbrica. Si tratta di una semplice modifica che ha un grande effetto sulla potenza del motore.

Come si controlla la velocità di rotazione del motore?

Il controllo della velocità di un motore è un'altra cosa che sembra complessa ma si basa su un'idea semplice. Ricordate che l'intensità della corrente influisce sull'intensità del campo magnetico? Ebbene, un campo magnetico più forte crea una forza di spinta e di attrazione più forte. Questa forza più forte fa sì che la rotazione del motore avvenga più velocemente. Quindi, per controllare la velocità del motore, è sufficiente controllare la quantità di energia che riceve.

Di solito lo facciamo cambiando la tensione. Una tensione più alta spinge più corrente attraverso la bobina, creando un campo magnetico più forte e quindi una velocità maggiore. Una tensione più bassa significa meno corrente, un campo più debole e una velocità inferiore. Un altro fattore che influisce sulla velocità è il carico del motore. Se un motore sta cercando di far girare una pala di ventilatore pesante, avrà una velocità inferiore rispetto a quando gira senza alcun carico. Il design del motore e la tensione fornita concorrono a determinare la velocità di rotazione finale.

Perché il design del motore è importante per il suo utilizzo?

Il design del motore è tutto. Sebbene il principio di base sia lo stesso, il design effettivo di un motore cambia tutto ciò che riguarda le sue prestazioni. Il design determina la potenza, la velocità e l'efficienza del motore. Ad esempio, il materiale utilizzato per i magneti, il numero di bobine e la qualità del cuscinetto su cui gira l'albero del motore hanno un impatto enorme. Un progetto economico potrebbe utilizzare materiali più deboli e surriscaldarsi facilmente.

L'uso previsto del motore ne determina la progettazione. Un minuscolo motore per un telefono cellulare vibrante ha un design molto diverso da un grande motore utilizzato per alimentare un'auto elettrica. Il motore del telefono deve essere piccolo e consumare poca energia. Il motore dell'auto deve produrre un'enorme quantità di potenza e di coppia. L'applicazione determina le scelte progettuali. Un buon progetto di motore è quello che si adatta perfettamente al lavoro che deve svolgere, sfruttando al meglio il principio di rotazione per quel compito specifico.

Che cos'è la coppia e perché è importante per la forza di rotazione?

Quando si parla di motori, si sente spesso la parola "coppia". La coppia è semplicemente la quantità di forza di torsione che il motore può produrre. Non è la stessa cosa della velocità. Si può avere un motore che gira molto velocemente ma con una coppia molto bassa, il che significa che lo si può fermare facilmente con le dita. Si può anche avere un motore che gira lentamente ma ha una coppia enorme, il che significa che può far girare qualcosa di molto pesante.

La coppia è la forza che avvia la rotazione. Un motore deve generare una coppia sufficiente a superare l'inerzia (il desiderio di un oggetto di rimanere fermo) e qualsiasi carico a cui è collegato. Ad esempio, il motore di un frullatore ha bisogno di una coppia elevata per iniziare a far girare le lame quando il vaso è pieno di ghiaccio e frutta. Una volta avviato, la velocità potrebbe essere più importante. La forza di rotazione di un motore è una combinazione di coppia e velocità, e un buon progetto di motore fornisce il giusto equilibrio di entrambe per la sua applicazione.

Come si esegue un semplice calcolo della velocità del motore?

Per molti motori semplici, soprattutto quelli a corrente continua, la velocità di rotazione è direttamente correlata alla tensione fornita. Secondo un semplice calcolo o una regola empirica non esatta, se si raddoppia la tensione, la velocità del motore raddoppia approssimativamente, supponendo che il carico rimanga invariato.

Un calcolo più formale, ma comunque elementare, potrebbe essere simile a questo: La velocità è proporzionale a (Tensione - (Corrente x Resistenza)). Non preoccupatevi troppo della seconda parte. L'aspetto principale è che la tensione è il fattore principale della velocità. Un calcolo reale è molto più complesso e include fattori come la struttura del motore, il flusso magnetico e il carico. Ma per una comprensione di base, basta ricordare questo: più tensione equivale a più velocità. Questo semplice calcolo è un'ottima base per comprendere il controllo del motore.

Quali sono i diversi tipi di motori, come i motori CC?

Esistono diversi tipi di motori, ma la maggior parte di essi utilizza lo stesso principio magnetico di base di cui abbiamo parlato. Uno dei tipi più comuni e facili da spiegare è il motore a corrente continua. Motore CC. "DC" sta per "Direct Current" (corrente continua), ovvero l'elettricità scorre in un'unica direzione. Sono i tipi di motori che si trovano nei giocattoli, nei droni e in molti apparecchi elettronici portatili. Sono semplici nel design e facili da controllare.

I motori a corrente continua di cui abbiamo parlato utilizzano le spazzole per commutare la direzione della corrente nella bobina mentre questa gira, mantenendo così la rotazione. Esistono anche motori CC senza spazzole, più efficienti, che utilizzano l'elettronica per commutare il campo magnetico. Esistono anche motori a corrente alternata, che funzionano con la corrente alternata delle prese di corrente. Anche se il meccanismo esatto può cambiare, l'idea fondamentale - un campo magnetico rotante che provoca una rotazione meccanica - è alla base di quasi tutti i tipi di motore.

In che modo un'azienda come Nidec Corporation utilizza questo principio di rotazione?

Per capire quanto sia importante questo principio, basta guardare un'azienda come Nidec Corporation. È un leader mondiale nella produzione di motori. Non produce solo motori grandi e potenti; la sua specialità è la progettazione e la produzione di milioni di motori piccoli e precisi che ci circondano. Il minuscolo motore che fa girare il disco rigido di un computer, il motore che fa vibrare il vostro telefono e le piccole ventole che raffreddano i vostri apparecchi elettronici: è probabile che la Nidec abbia studiato il design per quell'uso specifico.

Prendono il principio fondamentale della rotazione del motore e lo applicano con un'ingegneria incredibile. Trovano il materiale migliore, il design della bobina più efficiente e i controlli elettronici perfetti per creare un motore che svolge perfettamente il suo lavoro con la minore potenza possibile. Il loro lavoro dimostra come questo principio scientifico di base possa essere utilizzato per creare una vasta gamma di prodotti che alimentano la nostra vita moderna. Il successo di un'azienda come questa si basa interamente sulla padronanza della generazione della forza di rotazione attraverso il magnetismo.