Comprendre la conception et le fonctionnement des solénoïdes

Comprendre la conception et la fonction des solénoïdes

Contrôle électromagnétique

lignes de champ magnétique autour d'une bobine électrique d'une électrovanne

Les électrovannes sont actionnées à l'aide d'un solénoïde. Il s'agit essentiellement d'une bobine électrique avec un noyau mobile au centre, fabriqué dans un matériau ferromagnétique. Le noyau est souvent appelé "piston". Lorsque le courant circule dans la bobine, un champ magnétique est créé autour de la bobine. L'intensité de ce champ dépend du courant, du nombre d'enroulements et du matériau du noyau. Sous l'effet du champ magnétique, le noyau du solénoïde est tiré vers le centre de la bobine. Tant que le courant circule, le noyau reste tiré vers le centre. Dès que le flux de courant s'arrête, le champ magnétique disparaît et le noyau (généralement) est poussé vers le bas par un ressort jusqu'à sa position initiale.

Le noyau, ou piston, doit :

  • ont de bonnes propriétés magnétiques
  • ont un faible effet de mémoire magnétique
  • être résistant à l'usure
  • adapté à la machine

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Équilibre de force d'une bobine, d'un ressort et d'une pression moyenne

équilibre des forces entre la force magnétique, la pression du fluide et le ressort pour les électrovannes à commande directe.Le principe de base d'une électrovanne est un équilibre des forces entre la force magnétique du solénoïde d'une part, et la pression du fluide et la force du ressort d'autre part. La force magnétique requise pour une électrovanne à commande directe peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

Fs=p•A-Fspring

Où :

  • Fs = force du solénoïde (N)
  • p = pression (Pa) (105 Pa = 1 bar)
  • A = orifice (m2)
  • Fspring = force du ressort (N)

Exemple :

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

Fs=p•A → 15= 106•A
A = 1.5•10-5 m2
A = 1/4-π-d2 → d = 4,4 mm

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

Electrovannes pour courant continu et alternatif

Courant continu

La puissance de la bobine peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

P= U2/R

où :

  • P= puissance électrique (W)
  • U= tension (V)
  • R= résistance électrique (I)

Les propriétés d'une bobine pour le courant continu sont :

  • Pas de ronflement
  • Force solénoïde élevée en position relevée
  • Force de levage égale en position initiale et en position levée
  • La consommation d'énergie et la force magnétique dépendent de la température
  • Moins sensible à la saleté
  • La bobine a plus d'enroulements qu'une bobine pour le courant alternatif

Un mythe

On pense souvent que la direction du champ magnétique dans la bobine détermine la direction de la force qui agit sur le noyau. Ce n'est pas vrai. Le noyau est ferromagnétique (et non un aimant permanent à pôles définis), il sera donc toujours attiré vers le centre du champ magnétique. Les deux bobines pour le CA et le CC tirent le noyau vers le centre. La façon dont la bobine est connectée à l'alimentation n'a pas d'importance (les pôles peuvent être connectés dans les deux sens).

Courant alternatif

La résistance électrique d'une bobine de courant alternatif est inférieure à celle d'une bobine de courant continu à la même tension. Avec les bobines de courant alternatif, le courant n'est pas seulement déterminé par la résistance des enroulements, mais aussi par la résistance inductive (réactance). La résistance inductive dépend largement de la position du noyau. Plus le noyau est éloigné de la bobine, plus la résistance d'inductance est faible. Cela signifie que le courant qui traverse la bobine augmente. Le courant est plus faible lorsque le noyau est en position soulevée. Par conséquent, la bobine ne doit jamais être connectée à l'alimentation électrique lorsque le noyau est retiré. La bobine peut produire trop de chaleur et brûler en quelques minutes.

La réactance inductive n'est pas seulement déterminée par la position du noyau, mais aussi par la fréquence du courant. La réactance est plus élevée avec 60Hz qu'avec 50Hz. Une bobine de 50 Hz connectée à une alimentation de 60 Hz aura une force magnétique inférieure à celle spécifiée. Dans le cas contraire, lorsqu'une bobine de 60 Hz est connectée à une alimentation de 50 Hz, la consommation d'énergie augmente et la température de la bobine augmente légèrement.

Une autre caractéristique importante des bobines de courant alternatif est l'utilisation d'un anneau conducteur spécial, appelé anneau d'ombrage, sur la face supérieure de la bobine. S'il n'était pas utilisé, le piston vibrerait. Chaque fois que la tension traverse la ligne zéro, la force magnétique tombe à zéro. Cela se produit deux fois par période. En conséquence, le plongeur se déplace d'avant en arrière à une fréquence double de celle du réseau. Cela se traduit par un fort bourdonnement de l'électrovanne. La bague spéciale est destinée à éviter cet effet. Le champ magnétique de la bobine du solénoïde induit une tension dans l'anneau conducteur. Il s'agit d'un courant dont la différence de phase est de 90 degrés. L'anneau d'ombrage génère un champ magnétique supplémentaire qui attire le plongeur au moment où le champ magnétique de la bobine normale passe par un point zéro. La force magnétique résultante de la bobine et de l'anneau est toujours supérieure à zéro. Lors de la conception de l'électrovanne, les positions de la bague et du plongeur doivent être déterminées avec précision. Si des saletés sont présentes dans l'armature, l'alignement n'est plus optimal et il peut en résulter une vibration.

force supplémentaire de l'anneau d'ombrage avec une bobine AC

Les propriétés importantes d'une bobine de courant alternatif sont :

  • Sensible pour passer en mode résonant.
  • Risque de surchauffe de la bobine lorsque le plongeur est bloqué.
  • Vitesse de commutation plus rapide (dépend de l'angle de phase).
  • Plus sensible à la saleté.
  • La consommation d'énergie et le couple dépendent moins de la température.
  • La bobine a moins d'enroulements qu'une bobine à courant continu.

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