Qu'est-ce qu'un solénoïde ?

Un solénoïde est une bobine de fil qui, lorsqu'elle est alimentée, génère un champ magnétique dans son noyau. Lorsqu'un courant électrique traverse le solénoïde, il crée un champ magnétique. Ce champ magnétique déplace une armature ferreuse, permettant ou bloquant le flux à travers une électrovanne. Les solénoïdes sont couramment utilisés dans diverses applications, telles que le contrôle du flux de fluide dans les systèmes hydrauliques et pneumatiques. Cet article décrit le modèle d'un solénoïde et son fonctionnement dans le modèle d'une électrovanne.

Table des matières

• Modèle et fonction du solénoïde
• Formule du champ magnétique d'un solénoïde
• Formule de la force d'un solénoïde
• Résistance de la bobine du solénoïde en fonction de la température
• Équilibre des forces dans une électrovanne
• Applications des bobines de solénoïde
• FAQ

Modèle et fonction du solénoïde

Comme on peut le voir sur la Figure 2, les parties d'un solénoïde sont les suivantes :

• Bobine (A) : Un fil de cuivre étroitement enroulé autour du noyau fixe.
• Noyau fixe (B) : Un cylindre ferromagnétique
• Bague d'ombrage (C) : Une bague d'ombrage, ou bobine d'ombrage, est un tour unique ou quelques tours d'un conducteur électrique (cuivre ou aluminium). La bague d'ombrage crée un déphasage dans le champ magnétique, ce qui aide à réduire le bruit et les vibrations en assurant un fonctionnement plus fluide du dispositif électromagnétique.
• Ressort (D) : Un ressort qui ramène l'armature à sa position normale lorsque la bobine n'est plus alimentée.
• Armature (E) : Partie du noyau fixe qui se déplace lorsque la bobine est alimentée, également appelée plongeur du solénoïde.

Pourquoi y a-t-il un ressort dans un solénoïde ?

Le ressort de l'électrovanne remplit plusieurs fonctions importantes :

• Mécanisme de retour : Le ressort déplace la vanne vers sa position par défaut lorsque le solénoïde n'est pas alimenté. Avec un ressort, la vanne se fermera ou s'ouvrira, selon la position par défaut, lorsque le courant électrique est coupé.
• Stabilité et contrôle : Un solénoïde alimenté crée une force électromagnétique. Le ressort assure la stabilité et le contrôle des performances de la vanne.
• Fonctionnement sûr en cas de défaillance : Le ressort garantit que l'électrovanne peut maintenir la sécurité en se fermant ou en s'ouvrant lorsqu'aucune alimentation n'est fournie.

Comment fonctionne un solénoïde ?

Un champ magnétique est généré lorsque le courant dans un solénoïde circule à travers la bobine. L'intensité du champ est directement proportionnelle au courant, au nombre d'enroulements et à la perméabilité du matériau ferromagnétique du noyau fixe. Le noyau agit comme un chemin fermé qui confine le champ magnétique.

La norme est que le champ magnétique tire l'armature vers le haut. Cependant, si le côté de l'armature proche du noyau fixe est prolongé, le champ magnétique pousse l'armature vers le bas. Dans les deux scénarios, un ressort est comprimé. L'armature reste dans cette position tant que le champ persiste. Lorsque le champ se dissipe, le ressort ramène l'armature à sa position d'origine.

Enfin, l'anneau d'ombrage fournit un chemin à faible impédance pour une pointe de haute tension générée lorsque le champ magnétique se dissipe. Cela diminue l'amplitude et la durée de la pointe de tension, ce qui protège le circuit.

Pour comprendre le principe de fonctionnement complet des électrovannes, lisez notre article aperçu des électrovannes.

Bobines d'électrovannes CC vs CA

La section ci-dessus explique comment fonctionne une électrovanne CC. Le courant CC circulant dans un solénoïde crée une force magnétique puissante pour surmonter la force du ressort, soulevant l'armature dans la bobine. Lorsque la bobine est mise hors tension, le ressort repousse l'armature vers le bas.

Les bobines CA sont plus complexes car le courant alternatif change de polarité. Le courant est nul deux fois par période, rendant la force magnétique nulle. Comme la force du ressort pousse constamment l'armature vers le bas, l'armature vibre, créant un bourdonnement et stressant les composants. Pour résoudre ce problème, un anneau d'ombrage en cuivre autour de l'armature stocke une partie de l'énergie magnétique, réduisant la vibration.

Lorsque la force magnétique surmonte la force du ressort et que l'armature est complètement soulevée, le courant circulant dans la bobine peut être réduit pour économiser de l'énergie. Le CC répond plus lentement que le CA car le CC fournit un courant constant et inchangé, ce qui prend plus de temps pour établir et réduire les champs magnétiques. En revanche, le CA change rapidement de direction, lui permettant d'ajuster les champs magnétiques plus rapidement et efficacement, rendant les bobines CA plus économes en énergie. Lisez notre article comparatif pour en savoir plus sur les avantages et inconvénients de travailler avec des solénoïdes CC ou CA.

Formule du champ magnétique d'un solénoïde

Le champ magnétique d'une bobine solénoïde dépend du nombre de spires par unité de longueur, de l'intensité du courant traversant la bobine et de la perméabilité du matériau du solénoïde. La formule pour mesurer l'intensité du champ est :

Où :

• B : la densité de flux magnétique
• μ₀ : La constante de perméabilité qui est de 12,57 x 10^-7 Hm^-1
• I : Le courant passant à travers la bobine
• N : Le nombre de spires
• L : La longueur de la bobine

Formule de la force du solénoïde

La force électromagnétique d'un solénoïde peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

Où :

• F : force du solénoïde
• N : le nombre de spires de la bobine
• I : courant (ampères)
• μ₀ : perméabilité du vide (environ 4𝜋 x 10^-7 Tm/A)
• A : surface de section transversale du solénoïde
• g : longueur de l'entrefer entre la bobine et le fer

Résistance de la bobine du solénoïde vs température

La relation entre la température du solénoïde et la résistance du solénoïde est un facteur crucial dans les performances et la fiabilité des actionneurs et des électrovannes à solénoïde. Lorsque la température d'une bobine de solénoïde augmente, la résistance du solénoïde augmente également. Cette relation est principalement due au coefficient de température de résistance du matériau conducteur, généralement du cuivre, utilisé dans les enroulements de la bobine.

Lorsque la résistance de la bobine augmente, le courant qui la traverse diminue pour une tension appliquée donnée, conformément à la loi d'Ohm (V = IR). Une réduction du courant entraîne une diminution de la force magnétique générée par le solénoïde, qui est fonction des ampères-tours (NI) fournis par la bobine. Par conséquent, la force de l'actionneur du solénoïde diminue, ce qui peut affecter les performances de l'actionneur ou de l'électrovanne.

Formule de résistance et de température

Lorsqu'un solénoïde est mis sous tension, l'énergie électrique est convertie en chaleur en raison de la dissipation de puissance dans la bobine, qui est proportionnelle au carré du courant (I²R). Cet effet d'auto-échauffement, combiné à la température ambiante et à la résistance thermique entre la bobine et son environnement, augmente la température de la bobine.

La résistance d'une bobine de solénoïde (R(T)) à une température donnée (T) peut être décrite par la formule de résistance d'un solénoïde :

Où :

• R(T) : la résistance à la température T
• R₂₅ : la résistance à 25 °C
• ⍺ : le coefficient de température de la résistance pour le cuivre (environ 0,0039 par degré Celsius)
• T : la température en degrés Celsius

Exemple

Une bobine de solénoïde avec une résistance de 10 ohms à 25 °C augmentera à environ 13,9 ohms à 125 °C. Cette augmentation de 39 % de la résistance pour une élévation de température de 100 °C illustre l'impact significatif que la température peut avoir sur la résistance de la bobine.

Applications pratiques

Dans les applications pratiques, l'environnement thermique du solénoïde et son cycle de service doivent être pris en compte. Les applications à service continu, où le solénoïde est sous tension pendant de longues périodes, peuvent entraîner des augmentations de température importantes et une résistance accrue. Les électrovannes peuvent être conçues pour un cycle de service de 100 % pour des applications fonctionnant pendant de longues périodes, mais elles ne peuvent pas être utilisées indéfiniment. Les applications à service intermittent avec des temps de marche et d'arrêt spécifiés permettent au solénoïde de refroidir entre les cycles, atténuant ainsi l'augmentation de la température et ses effets sur la résistance.

Solénoïdes haute température

Les solénoïdes haute température sont spécifiquement conçus pour fonctionner dans des environnements où les solénoïdes standard échoueraient en raison d'une chaleur excessive. Ces solénoïdes utilisent des matériaux à plus haute résistance thermique et intègrent souvent des mécanismes de refroidissement avancés pour gérer les températures élevées.

Par exemple, les solénoïdes haute température peuvent être conçus pour répondre à des classes thermiques telles que la Classe H, permettant des températures de fonctionnement plus élevées sans compromettre les performances. Cela les rend adaptés aux applications dans des environnements thermiques difficiles, assurant un fonctionnement fiable même dans des conditions extrêmes.

Tests

Pour garantir des performances optimales, mesurez la résistance de la bobine après une période de fonctionnement et comparez-la à la résistance à température ambiante. Cette comparaison peut aider à estimer la température de fonctionnement de la bobine et à déterminer si elle se situe dans des limites acceptables pour le modèle et l'application du solénoïde.

Résistance de la bobine solénoïde CA

Pour les bobines solénoïdes CA, l'opposition totale au flux de courant n'est pas seulement due à la résistance mais aussi à la réactance inductive. L'impédance (Z) d'une bobine CA est donnée par :

Où :

• R : la résistance de la bobine
• X_L : est la réactance inductive, qui est donnée par X_L = 2𝜋fL
• f : la fréquence de l'alimentation CA
• L : l'inductance de la bobine

Effets de la température sur les bobines CA

Bien que la résistance (R) de la bobine augmente avec la température, la réactance inductive (X_L) est principalement fonction de l'inductance de la bobine et de la fréquence de l'alimentation CA, et ne change pas significativement avec la température. Cependant, l'impédance globale (Z) sera toujours affectée par l'augmentation de la résistance due à la température.

Implications pratiques

• Réduction du courant : Comme la résistance de la bobine solénoïde CA augmente avec la température, l'impédance globale augmente, entraînant une réduction du courant circulant dans la bobine. Cependant, comme la réactance inductive est généralement beaucoup plus grande que la résistance, l'effet de la température sur l'impédance globale est quelque peu atténué par rapport à une bobine CC.
• Force magnétique : La force magnétique générée par un solénoïde CA est également fonction du courant et du nombre de spires de la bobine. Lorsque le courant diminue en raison de l'augmentation de la résistance, la force magnétique diminuera, de manière similaire au comportement des solénoïdes CC.
• Chauffage et refroidissement : Les solénoïdes CA peuvent également subir un échauffement dû aux courants de Foucault et aux pertes par hystérésis dans le noyau magnétique, en plus des pertes I²R dans la bobine. Ces mécanismes de chauffage supplémentaires peuvent contribuer à l'augmentation globale de la température du solénoïde.

Équilibre des forces de l'électrovanne

Le principe de base d'une électrovanne est un équilibre des forces entre la force magnétique du solénoïde d'un côté, et la pression du fluide et la force du ressort de l'autre côté. Calculez la force magnétique requise pour une électrovanne à commande directe avec la formule suivante :

Où :

• F_s : force du solénoïde (N)
• p : pression (Pa) (10⁵ Pa = 1 bar)
• A : orifice (m²)
• F_ressort : force du ressort (N)

Exemple

Un solénoïde donné fournit une force de 15N. Pour utiliser ce solénoïde pour contrôler une pression différentielle de 10 bar, le diamètre maximal de l'orifice peut être calculé.

Cette formule ne peut pas être utilisée pour les vannes à commande indirecte. Les électrovannes à commande indirecte ont un orifice plus petit et utilisent la pression du fluide pour commuter.

Applications des bobines de solénoïde

• Applications de verrouillage : Le champ magnétique attire le plongeur dans le solénoïde, le faisant se déplacer et verrouiller le mécanisme en place. Un ressort repousse le plongeur lorsque le courant est coupé, libérant le verrou. Les solénoïdes peuvent être utilisés dans diverses applications de verrouillage, notamment les portes, les distributeurs automatiques, les barrières d'accès et de nombreux autres dispositifs de sécurité.
• Applications automobiles : Les solénoïdes sont utilisés dans diverses applications automobiles, notamment pour le changement de vitesse de la transmission, le démarrage du moteur, le fonctionnement des systèmes d'injection de carburant, le verrouillage des portes et l'actionnement des vannes.
• Applications médicales : Les solénoïdes sont utilisés dans les applications médicales pour contrôler le débit des fluides, réguler les vannes dans les systèmes de gaz médicaux, faire fonctionner les pompes et les distributeurs, et contrôler le mouvement des équipements médicaux.
• Applications ferroviaires : Dans l'industrie ferroviaire, les solénoïdes sont utilisés pour actionner les aiguillages et les signaux, contrôler les freins, actionner les portes et les fenêtres, et dans les moteurs diesel pour l'injection de carburant et la recirculation des gaz d'échappement.
• Applications industrielles : Les solénoïdes sont utilisés dans les applications industrielles pour contrôler les vannes, faire fonctionner les systèmes pneumatiques et hydrauliques, actionner les embrayages et les freins, contrôler le mouvement des équipements, et dans l'automatisation, la robotique et les processus de fabrication. Un actionneur de solénoïde est généralement un solénoïde avec un noyau ferromagnétique.

FAQ

Qu'est-ce qu'une bobine d'électrovanne ?

Une bobine de solénoïde est un fil étroitement enroulé qui produit un champ magnétique lorsque l'électricité le traverse et est utilisé pour déplacer des objets, créer de l'électricité ou activer un actionneur de solénoïde.

Les solénoïdes sont-ils CA ou CC ?

Les solénoïdes convertissent le CA ou le CC en mouvement linéaire.

Quelle résistance devrait avoir un solénoïde ?

La résistance d'un solénoïde varie selon le modèle et l'application, allant généralement de quelques ohms à plusieurs centaines d'ohms. Vérifiez les spécifications du fabricant pour connaître la résistance exacte requise.

Qu'est-ce que la résistance d'un solénoïde ?

La résistance d'un solénoïde est l'opposition qu'une bobine de solénoïde offre au flux de courant électrique, mesurée en ohms.

Quelle résistance devrait avoir un solénoïde ?

La résistance d'un solénoïde varie selon le modèle mais se situe généralement entre quelques ohms et plusieurs centaines d'ohms.

Qu'est-ce qui affecte la résistance d'une bobine de solénoïde ?

La résistance d'une bobine de solénoïde est affectée par la longueur du fil, le calibre du fil, la température de la bobine et le matériau du fil.

Comment la température affecte-t-elle la résistance d'un solénoïde ?

La résistance d'un solénoïde augmente avec la température en raison du coefficient de température positif du matériau du fil, généralement du cuivre.