Guide de conception des solénoïdes à poussoir pour applications industrielles

 

 

 

 

Chapitre 1 : Qu'est-ce qu'un Solénoïde de poussée?

Un solénoïde à poussée est un type d'actionneur électromécanique qui convertit l'énergie électrique en mouvement linéaire et en force. Plus précisément, il actionne une tige de poussée pour déclencher un mécanisme ou une vanne dans un équipement industriel. Grâce à leur mouvement linéaire fiable, rapide et compact, les solénoïdes à poussée sont des éléments indispensables des machines automatisées.
Contrairement aux solénoïdes à traction, les solénoïdes à poussée génèrent une force dans le sens de l'extension de leur piston. Ils sont disponibles en différentes configurations : à cadre ouvert, tubulaires et proportionnelles.

Chapitre 2 : Principe de fonctionnement du solénoïde à poussoir

Le fonctionnement d'un solénoïde à poussoir repose sur les principes physiques de l'électromagnétisme. Il se compose d'une bobine de fil de cuivre enroulée sur un support et d'un piston en fer partiellement inséré dans cette bobine. Lorsqu'un courant est appliqué à la bobine, celle-ci génère un champ magnétique, et le piston se magnétise, ainsi que le circuit de fer qui l'entoure.

Le flux magnétique ferme le circuit magnétique du fer et traverse l'entrefer entre le plongeur et la butée. L'attraction magnétique attire le plongeur vers le centre de la bobine, où le flux magnétique est maximal. Le solénoïde à poussée utilise la force magnétique pour générer un mouvement linéaire grâce à une tige de poussée située à l'extrémité opposée du solénoïde.

La force d'un solénoïde est proportionnelle au carré du courant et au nombre de spires de la bobine (ampères-tours), et inversement proportionnelle à l'entrefer. Le déplacement du piston et la diminution de l'entrefer entraînent une augmentation de la force magnétique ; c'est la principale caractéristique du fonctionnement d'un solénoïde à poussoir, un élément important pour la conception de ses applications.

Chapitre 3 : Pourquoi la plupart des solénoïdes tirent naturellement

Il existe une idée fausse très répandue selon laquelle l'inversion de polarité d'un solénoïde le ferait pousser plutôt que tirer. C'est faux. La bobine d'un solénoïde attire le plongeur quelle que soit la polarité utilisée. Le plongeur est toujours attiré vers le centre de la bobine, là où le champ magnétique est le plus intense.
Cette attraction est due à la propriété naturelle du flux magnétique de minimiser la réluctance magnétique du circuit. L'entrefer entre le plongeur et la pièce polaire crée la réluctance magnétique maximale dans le circuit magnétique ; le plongeur est donc attiré vers cet entrefer.

Chapitre 4 :Comment les ingénieurs créent un solénoïde de poussée

Les ingénieurs utilisent une technique très simple pour convertir l'action de traction naturelle du solénoïde en une action de poussée. Ils utilisent notamment une tige de poussée spécialement conçue.

4.1 Conception des tiges de poussée

L'élément essentiel d'un solénoïde à poussée est la tige de poussée. Lorsque le piston est tiré dans la bobine, il pousse la tige qui s'étend à l'autre extrémité du solénoïde. La force maximale d'un solénoïde à poussée est atteinte lorsque le piston est complètement rétracté et la tige de poussée complètement déployée (contrairement à un solénoïde à traction dont la force maximale est atteinte au début de la course).

4.2 Conception spécifique de la tige de poussée

Pour garantir le fonctionnement fiable des électrovannes à poussoir dans les applications industrielles exigeantes, les ingénieurs doivent utiliser des tiges de poussée de conception spécifique. Initialement, les électrovannes utilisaient des matériaux non magnétiques simples, tels que le laiton, le cuivre-béryllium et le plastique, pour les tiges de poussée afin d'éviter les courts-circuits magnétiques. Cependant, ces tiges se déformaient rapidement sous l'effet des impacts répétés du piston, par martelage et élargissement.
De nos jours, les ingénieurs conçoivent des punaises composées de deux parties de matériaux différents. La partie de la tige qui entre en contact avec le piston est fabriquée dans des matériaux non magnétiques mais très résistants, comme l'acier inoxydable ou le cuivre-béryllium. L'autre extrémité, en contact avec le mécanisme, est quant à elle en acier à outils trempé. Les deux parties sont soudées afin d'éviter tout court-circuit magnétique.

4.3 Pousser vs Pousser et tirer

Les concepteurs doivent distinguer les deux configurations suivantes :
Pousser ou tirer – la conception avec piston et tige de poussée symétriques qui peuvent effectuer les deux fonctions en fonction de l'orientation de montage ;
Pousser et tirer – la conception avec deux bobines qui peuvent inverser la position du piston pour fournir une action de poussée et de traction bidirectionnelle à partir de la même extrémité de l'unité.

Chapitre 5 : Composants principaux d'un solénoïde à poussoir

5.1. Assemblage de la bobine

Une bobine est un enroulement de fil de cuivre sur un support. Le nombre de spires, le calibre du fil et son isolation sont les paramètres importants qui définissent les caractéristiques du solénoïde.

5.2. Piston (armature)

Élément mobile en fer utilisé pour convertir l'énergie magnétique en énergie mécanique. La forme du piston (face plate ou conique) détermine les caractéristiques force-course d'un solénoïde.

5.3. Cadre

Élément d'un solénoïde à poussoir assurant le circuit magnétique et la structure. Les modèles à cadre en C, en D et tubulaires sont courants dans les applications industrielles. Le cadre est en acier à haute perméabilité, excellent conducteur de flux magnétique.

5.4. Tige de poussée

Arbre spécialisé qui convertit le mouvement du piston en action de poussée linéaire d'un solénoïde.

5,5. Butée (pièce polaire)

Élément magnétique en fer qui détermine la limite de course du piston. Les électrovannes à poussoir utilisent des butées spéciales percées d'un trou précis pour la tige de poussée.

5.6. Ressort de rappel

Le ressort ramène le piston à sa position initiale lorsque l'alimentation est coupée. La plupart des électrovannes à ressort sont à rappel par ressort, mais des électrovannes proportionnelles ou des mécanismes spécifiques à l'application peuvent être utilisés pour ce retour.

Chapitre 6: Électrovannes à poussée et à traction

Les solénoïdes à poussée délivrent généralement une force de pointe légèrement inférieure à celle des solénoïdes à traction comparables, car la tige de poussée doit passer par la butée, créant ainsi un chemin de fuite pour le flux magnétique. 

Chapitre 7 : Caractéristiques de la force et de la course

La compréhension de la relation force-course est nécessaire à la réussite de la conception d'applications de solénoïdes.

7.1 Relation inverse

Dans tout solénoïde, la force est inversement proportionnelle à la course. La force maximale du solénoïde diminue lorsque la course augmente. Ceci s'explique par le fait que la force d'attraction magnétique est maximale lorsque l'entrefer est minimal. Pour toute application, l'ingénieur doit concevoir le solénoïde avec une course minimale afin de maximiser la force et de réduire sa taille.

7.2 Plages de coups

Les électrovannes industrielles standard sont conçues pour des courses allant jusqu'à 20 mm (0.80 pouce), bien que certaines permettent des courses plus longues. L'amplitude de la course est le paramètre clé qui influe considérablement sur la force de réaction.
Course courte (2 à 5 mm) – force de sortie maximale, idéale pour une utilisation fréquente
Course moyenne (3 à 8 mm) – une conception à pôle conique peut être utilisée pour améliorer le profil de force
Course longue (plus de 10 mm) – faible force de sortie, nécessite un solénoïde de plus grande taille ou un solénoïde proportionnel.

7.3 Courbes force-course

La plupart des fabricants fournissent les courbes force-course de leurs électrovannes à différents rapports cycliques. Ces courbes montrent généralement une diminution de la force lorsque la course augmente. L'ingénieur doit sélectionner une électrovanne qui délivre une force suffisante pour une course donnée, avec un coefficient de sécurité d'au moins 1.5.

7.4 Cycle de service

Le cycle de service, qui est le rapport entre le temps de fonctionnement et la durée totale du cycle, influence grandement les performances et la conception du solénoïde :
Fonctionnement continu (100 %) – l'électrovanne peut être alimentée en permanence. Nécessite une bobine de grande taille pour dissiper la chaleur, ce qui entraîne une force moindre pour une taille d'électrovanne donnée.
Fonctionnement intermittent (25 à 50 %) : autorise une puissance et une force d’entrée plus élevées. Prévoir un temps d’arrêt suffisant pour le refroidissement.
Cycle de service pulsé (10 % ou moins) : force de sortie maximale possible pour une taille donnée. Un temps d’activation très court permet une puissance d’entrée maximale.

Chapitre 8 : Conception de solénoïdes à poussée industriels

8.1 Contrôle de la température

Lorsque la température du solénoïde augmente, la résistance de la bobine augmente également, ce qui entraîne une réduction de la force produite. Pour un solénoïde conçu pour atteindre l'équilibre à 85 °C, les calculs de force doivent tenir compte de cette réduction. Les fabricants fournissent généralement les données relatives à la bobine à 20 °C ; les ingénieurs doivent donc vérifier la force produite aux températures prévues.

8.2 Temps de réponse

Le temps de réponse se compose de deux parties : le temps d’établissement du flux magnétique (qui représente plus de la moitié du temps de réponse) et le temps de déplacement du piston. Les temps de réponse varient de 5 millisecondes pour les petits solénoïdes à course courte à 250 millisecondes pour les modèles plus grands.

8.3 Protection de l'environnement

Les électrovannes industrielles nécessitent une protection contre l'humidité, l'huile, la poussière et les vibrations. L'ingénieur doit choisir un joint d'étanchéité, un revêtement ou une conception spéciale adaptés aux environnements difficiles.

8.4 Anti-rotation du piston

Si l'application exige un alignement précis, un dispositif anti-rotation du piston doit être prévu afin d'empêcher sa rotation lors de l'actionnement. Ceci est particulièrement important si la tige de poussée doit être alignée avec un mécanisme externe.

8.5 Bruit et impact

Les solénoïdes génèrent du bruit lors de l'impact du piston sur la butée. Pour des applications silencieuses, il convient d'envisager l'utilisation d'un amortisseur de chocs ou d'un butoir élastomère.

Chapitre 9 : Processus de fabrication des solénoïdes à poussoir industriels

Les solénoïdes à poussée sont fabriqués à l'aide de techniques de haute précision :

9.1. Bobinage

Enroulement de fil de cuivre avec un contrôle précis de la tension et du nombre de couches pour obtenir un nombre de spires et une résistance spécifiques de la bobine.

92. Usinage par piston

L'usinage des plongeurs en acier magnétique nécessite des tolérances serrées. La finition de surface influe sur les performances et l'usure du solénoïde.

9.3. Fabrication des tiges de poussée

fabrication de tiges de poussée de haute qualité par soudage spécialisé de deux pièces en acier non magnétique et trempable.

9.4. Assemblage du cadre

Estampage ou usinage des châssis avec assemblage ultérieur autour de la bobine. La conception tubulaire utilise un boîtier en acier étiré.

9.5. Assemblage final

Assemblage de tous les composants et tests de performance force-course, de caractéristiques électriques et de durée de vie.

9.6. Personnalisation

modifications de l'arbre, terminaisons spéciales, formes de piston uniques, etc.

Chapitre 10: Applications industrielles des solénoïdes à poussoir

Les solénoïdes à poussoir sont utilisés dans de nombreux appareils industriels et commerciaux :

10.1 Actionnement des vannes

Les électrovannes à poussée permettent d'ouvrir et de fermer les vannes des systèmes fluidiques, notamment pneumatiques et hydrauliques. Dans les systèmes hydrauliques mobiles, elles doivent résister à des conditions environnementales difficiles et à des pressions élevées.

10.2 Automobile et transport

Les électrovannes à poussoir sont utilisées dans la gestion moteur, le verrouillage centralisé, la climatisation et les mécanismes de changement de vitesse. Dans l'industrie automobile, elles doivent être compactes, fiables et résistantes aux températures extrêmes.

10.3 Équipement médical

Les solénoïdes de poussée assurent un mouvement précis pour les dispositifs de diagnostic et de traitement. L'industrie médicale exige une fiabilité élevée et une longue durée de vie.

10.4 Assemblage et conditionnement automatisés

Les électrovannes de poussée actionnent les mécanismes d'éjection des pièces, les aligneurs de position et les dispositifs de sécurité. Pour ces applications, il est indispensable d'utiliser des modèles à longue durée de vie.

10.5 Équipements de distribution automatique

Les électrovannes à poussoir contrôlent la distribution des produits, les serrures et les mécanismes de paiement des distributeurs automatiques et des machines à pièces.

10.6 Machines agricoles

Les applications hydrauliques mobiles, notamment les machines agricoles, utilisent des solénoïdes à poussée pour la commande des vannes et l'actionnement des outils.

Chapitre 11 : Guide de sélection des solénoïdes de poussée

Lors du choix d'un solénoïde à poussoir pour une application industrielle, l'ingénieur doit suivre une procédure précise :

11.1. Définir la fonction Décider,

Quel type de mécanisme est requis : à poussée, à traction ou bidirectionnel ? Si la position de montage du solénoïde est libre, un solénoïde à poussée ou à traction peut être utilisé.

11.2. Spécifier les exigences relatives à la course

Déterminez la course nécessaire. Pour un fonctionnement optimal, le mécanisme doit être conçu pour utiliser la course la plus courte possible.

11.3. Calculer la force requise

Calculer la force nécessaire pour actionner le mécanisme en tenant compte des forces de frottement et de charge et en appliquant un facteur de sécurité non inférieur à .

11.4. Déterminer le cycle de service

Calculez le cycle de service prévu : Cycle de service = (Temps de fonctionnement) / (Temps de fonctionnement + Temps d’arrêt) × 100 %. Cela détermine si un fonctionnement continu ou intermittent est nécessaire.

11.5. Tenir compte des conditions environnementales

Évaluer les conditions de température, d'humidité, de vibration et de contamination afin de déterminer l'étanchéité et la protection nécessaires.

11.6. Choisissez l'entrée d'alimentation

Définir la tension d'alimentation disponible. Les fabricants fournissent des bobines pour les tensions standard allant de 5 V à 120 V et plus.

11.7. Vérifier les performances de la course de force

À l'aide des courbes du fabricant, vérifiez que l'électrovanne sélectionnée fournit la force nécessaire à la course et au cycle de service requis.

11.8. Consultez les fonctionnalités spéciales

Tenir compte du dispositif anti-rotation du piston, des terminaisons spéciales, etc.

Chapitre 12 : Avantages et limitations des solénoïdes de poussée

Avantages
• Conception fiable et robuste
• Temps de réponse élevé (5-250 ms)
• Faible maintenance et longue durée de vie jusqu'à 10 millions de cycles
• Format compact
• Rentabilité pour les volumes élevés
• Multiplicité des configurations
• Capacité à fonctionner dans des environnements difficiles avec une étanchéité appropriée
Limites
• Diminuer la force lorsque la longueur de la course augmente
• Cycle de service limité en raison de la génération de chaleur
• Influence des champs magnétiques résiduels sur le temps de libération
• Le bruit d'impact peut être perturbant.
• Nécessité d'un circuit de commande
• Force de poussée inférieure à une force de traction comparable

Chapitre 13 : Questions fréquemment posées

Est-il possible de faire pousser un solénoïde en inversant sa polarité ? Non. Un solénoïde attire le piston quelle que soit la polarité utilisée. Pour obtenir une action de poussée, il faut utiliser une tige de poussée reliée au piston.

Pourquoi la force de poussée est-elle inférieure à la force de traction dans des solénoïdes comparables ? Cela s’explique par le fait que la tige de poussée traverse l’orifice de la butée, créant ainsi un entrefer supplémentaire qui provoque une fuite de flux magnétique.

Quelle est la différence entre un solénoïde « poussée ou traction » et un solénoïde « poussée et traction » ? Le solénoïde à poussée de type « poussée ou traction » peut fonctionner en mode poussoir ou en mode traction selon son montage. Le solénoïde bidirectionnel « poussée et traction » fonctionne en mode poussoir et en mode traction à partir de la même extrémité grâce à ses deux bobines.
Quelle est la durée de vie des électrovannes industrielles ? Les électrovannes industrielles standard ont une durée de vie de 2 millions de cycles, tandis que les modèles à durée de vie prolongée peuvent atteindre 10 millions de cycles. La durée de vie dépend de la fréquence, de la charge latérale et des conditions environnementales.

Quel est le temps de réponse typique ? Les temps de réponse varient de 5 ms pour les petits modules à course courte à 250 ms pour les grands modules. L’établissement du flux magnétique représente plus de la moitié du temps de réponse.

Chapitre 14: Conclusion

Le solénoïde à poussée est un composant essentiel de l'automatisation industrielle, assurant un mouvement linéaire fiable, rapide et compact. La connaissance des principes d'ingénierie fondamentaux de ces actionneurs, depuis le fonctionnement naturel des solénoïdes jusqu'à la conception des tiges de poussée, permet de concevoir des applications efficaces.

En tenant compte des exigences de force et de course, des cycles de service et des conditions environnementales, l'ingénieur peut sélectionner ou concevoir des électrovannes à poussée offrant d'excellentes performances pour les applications les plus exigeantes. Les électrovannes à poussée modernes offrent des performances élevées, avec une durée de vie pouvant atteindre 10 millions de cycles et un temps de réponse de quelques millisecondes.

De la vanne hydraulique au mécanisme d'éjection ou à la ligne de production automatisée, l'électrovanne à poussée est une solution éprouvée, fiable et économique pour votre application. En suivant les principes décrits dans cet article, vous trouverez facilement une électrovanne à poussée adaptée à vos besoins.