Chapitre 1 : Introduction au magnétisme résiduel
L'un des aspects les plus importants influençant le fonctionnement et l'efficacité du solénoïde et de l'électroaimant est l'effet de magnétisme rémanent. Dans la plupart des environnements industriels, le solénoïde doit réagir correctement et rapidement dès que l'alimentation électrique est coupée. Cependant, un certain magnétisme persiste dans l'armature ou le noyau du solénoïde, en raison des propriétés physiques des matériaux ferromagnétiques, même après la mise hors tension du dispositif.
Un excès de rémanence dans les solénoïdes engendre de nombreux problèmes techniques, tels qu'un piston peu réactif, un temps de réponse plus long, un dysfonctionnement de la vanne, une usure prématurée et une commutation inefficace. Ces problèmes sont particulièrement critiques pour le fonctionnement d'instruments de précision comme les pompes doseuses, les équipements médicaux, les électrovannes et les systèmes d'automatisation.
Pour ceux qui développent des produits à solénoïde à haut rendement, il est crucial de connaître les causes du magnétisme résiduel et les moyens de le limiter.
Chapitre 2: Qu'est-ce que le magnétisme rémanent ??
Le magnétisme résiduel désigne le magnétisme résiduel qui demeure à l'intérieur du matériau après la suppression d'un champ magnétique externe ou d'un courant électrique.
Lorsqu'une bobine de solénoïde est alimentée en électricité, un courant circule dans le fil enroulé et génère un champ magnétique. Ce champ magnétique magnétise le noyau de fer et l'armature du solénoïde. En théorie, lorsque l'alimentation est coupée, le champ magnétique disparaît totalement. Mais en réalité, certains domaines magnétiques restent magnétisés et continuent de générer un champ magnétique.
Ce type de force magnétique résiduelle est appelé magnétisme résiduel.
BrB_rBr
où BrB_rBr est la densité de flux magnétique résiduel.
La rémanence des solénoïdes est une propriété naturelle des matériaux ferromagnétiques tels que le fer et l'acier.
Chapitre 3 : Comment se produit le magnétisme résiduel ?
Pourquoi les domaines magnétiques persistent-ils après l'aimantation ?
À l'intérieur d'un matériau magnétique, on trouve de nombreuses régions magnétiques microscopiques appelées domaines magnétiques. Dans des conditions normales, ces domaines magnétiques sont disposés de manière aléatoire.
Après le passage du courant électrique :
le champ magnétique provoque l'alignement des domaines.
Le matériau magnétique devient fortement magnétisé
La force magnétique attire l'armature ou le piston
Cependant, après la coupure de courant :
La plupart des domaines magnétiques retourneront à leur état d'origine ;
Certains domaines magnétiques s'alignent tout de même ;
Un champ magnétique résiduel existe à l'intérieur du matériau ;
C'est ainsi que se produit le magnétisme résiduel.
Chapitre 4 : Principales causes du magnétisme résiduel
4.1 Saturation magnétique
Une saturation magnétique élevée entraîne la persistance d'un plus grand nombre de domaines alignés après la coupure de l'alimentation.
4.2 Matériaux magnétiques durs
Un matériau magnétiquement dur conserve son magnétisme pendant longtemps.
4.3 Absence d'espace d'air
L'absence d'espace entre le noyau et l'armature entraîne un magnétisme résiduel élevé.
4.4 Alimentation CC continue
L'alimentation continue augmente significativement la force magnétique résiduelle.
4.5 Conception de circuit magnétique médiocre
Une conception défectueuse du circuit magnétique augmente la possibilité de piéger le magnétisme résiduel.
Chapitre 5 : Conséquences d'une rémanence élevée du solénoïde
Un magnétisme résiduel excessif peut engendrer de nombreux problèmes de fonctionnement du solénoïde.
5.1 Piston bloqué
Le problème principal est le blocage du piston après une coupure de courant. Dans ce cas, le piston ne revient pas à sa position initiale.
Résultat:
Sortie retardée ;
Mouvement instable ;
Action de commutation incomplète.
5.2 Faible vitesse de commutation
La force magnétique résiduelle s'oppose à la force du ressort de rappel. Par conséquent,
La vitesse de commutation diminue.
5.3 Dysfonctionnement de la soupape
Notamment dans les applications de vannes solénoïdes ou de pompes doseuses,
Fuites de fluides ;
Le contrôle du débit devient incorrect.
5.4 Usure et détérioration supplémentaires
Avec magnétisme résiduel,
Il se produit davantage de friction ;
La surface du noyau s'use facilement ;
Plus de bruit ;
Usure des pièces.
5.5 Consommation d'énergie plus élevée
Des systèmes utilisant un ressort puissant ou un courant d'entraînement élevé sont nécessaires pour surmonter le magnétisme résiduel.
Chapitre 6 : Différence entre les solénoïdes à rappel par ressort et les solénoïdes sans ressort en fonction de la rémanence du solénoïde
6.1 : Le type de structure du solénoïde affecte l'impact de la rémanence du solénoïde.
solénoïde de rappel à ressort
Le mécanisme de rappel par ressort sert à repousser le piston après la coupure de courant.
Avantage:
Le ressort mécanique contrebalance la force magnétique résiduelle.
Désavantage:
Durée de libération prolongée ;
Consommation d'énergie élevée.
Comparé à un solénoïde à rappel par ressort, un solénoïde sans ressort est susceptible de se bloquer en raison d'un magnétisme résiduel dans la plupart des cas.
6.2 Solénoïde sans rappel par ressort
Sans utiliser de ressort mécanique, il utilise d'autres forces telles que la gravité ou la force de charge pour réaliser le déclenchement.
Avantage:
Faible consommation d'énergie;
Structure simple ;
Travail silencieux.
Désavantage:
L'effet de magnétisme résiduel est beaucoup plus important ;
Il est facile de se bloquer après une coupure de courant.
C’est pourquoi, dans la plupart des applications industrielles, le solénoïde à rappel par ressort est préféré en raison de la moindre problématique liée au magnétisme résiduel.
Chapitre 7 : Facteurs influençant la rémanence du solénoïde
f Matériel
Le choix des matériaux appropriés joue un rôle clé dans la conception d'un solénoïde.
Matériaux magnétiques doux
Elle possède les propriétés suivantes :
Faible force coercitive magnétique ;
Démagnétisation rapide ;
Les matériaux populaires incluent :
7.2 : fer
acier au silicium ;
acier inoxydable doux ;
Les matériaux magnétiques doux sont particulièrement adaptés aux applications nécessitant une commutation et un contrôle rapides et précis.
matériaux magnétiques durs
Les matériaux magnétiques durs conservent leur magnétisme de façon persistante.
Propriétés des matériaux magnétiques durs :
force coercitive magnétique élevée ;
magnétisme résiduel fort ;
Matériaux magnétiques durs typiques :
acier à haute teneur en carbone;
alliage magnétique permanent ;
De manière générale, l'utilisation de matériaux magnétiques durs est déconseillée pour les applications à libération rapide.
7.3 Influence de la structure
La structure du solénoïde a une grande influence sur la rétention magnétique.
7.3.1. Conception de l'entrefer
Un entrefer plus petit entre le noyau et l'armature diminue la rétention magnétique ;
Avantage:
Réduction de l'effet magnétique ;
Réduction du délai de libération ;
Pour obtenir un espace d'air plus petit :
en utilisant une rondelle non magnétique ;
en utilisant des butées à goupille ;
gravure de surface du noyau ;
7.3.2. Conception de la surface de contact
Une surface de contact réduite diminue la force magnétique ;
Avantage:
Réduire le magnétisme résiduel ;
Augmenter la vitesse de libération ;
7.3.3. Conception de circuits magnétiques
Un bon circuit magnétique évite la concentration du flux magnétique ;
Évite la saturation magnétique ;
Augmente l'efficacité magnétique ;
Une mauvaise conception du circuit magnétique entraîne un flux magnétique résiduel plus élevé.
7.3.4. Conception du ressort de rappel
La force du ressort doit correspondre précisément au magnétisme résiduel.
Si le ressort est trop faible :
Le magnétisme résiduel domine et bloque le piston ;
Si la force du ressort est trop importante :
elle réduit la force de traction et augmente la consommation d'énergie ;
Chapitre 8 : Solutions contre la rémanence du solénoïde
Comment minimiser le magnétisme résiduel lors de la conception
Il existe plusieurs façons de réduire le magnétisme résiduel dans les solénoïdes.
8.1. Choix des matériaux magnétiques appropriés
Matériaux magnétiques doux avec
perméabilité magnétique élevée,
faible coercivité magnétique
sont recommandés. On utilise couramment des matériaux en fer magnétique doux.
8.2. Éviter la saturation magnétique
Évitez de faire fonctionner les solénoïdes dans la région de saturation magnétique.
B=μHB=\mu HB=μH
Conception de flux appropriée pour éviter la rétention de domaine.
8.3. Ajout d'entretoises non magnétiques
Des entretoises en laiton ou en acier inoxydable créent un minuscule espace d'air dans la structure du solénoïde.
Avantage:
diminuer significativement la force magnétique résiduelle ;
8.4. Optimisation du courant électrique
Un courant trop important entraîne une saturation et un flux magnétique résiduel.
Courant approprié :
alimentation électrique adéquate ;
contrôle du courant pulsé ;
synchronisation précise du courant électrique ;
8.5. Finition de surface de précision
Une surface rugueuse renforce l'attraction magnétique.
Utiliser une technique de rectification de précision ;
8.6. Processus de démagnétisation
Dans certaines applications de précision, un processus de démagnétisation AC peut être effectué après la production.
Cela élimine efficacement tout alignement magnétique résiduel.
Chapitre 9 : Types de solénoïdes et leur rémanence
Les différents types de solénoïdes présentent un magnétisme résiduel différent.
9.1 Solénoïde DC
Le modèle à courant continu est plus influencé par le magnétisme résiduel que son homologue à courant alternatif.
Raisons principales:
Le champ magnétique continu reste toujours dans une seule direction ;
Les domaines restent constamment alignés ;
Risque élevé:
collage;
vitesse de libération lente ;
rétention magnétique plus élevée.
9.2 Solénoïde CA
Parce que la direction magnétique change constamment dans le cycle du courant alternatif,
magnétisme résiduel plus faible ;
libération plus rapide ;
Cependant, l'électrovanne à courant alternatif a tendance à faire du bruit.
9.3 Solénoïde rotatif
Cette structure nécessite généralement un circuit magnétique complexe.
Effets:
rotation incomplète ;
erreur de positionnement ;
longue durée de libération ;
9.4 Solénoïde de verrouillage
Il est conçu intentionnellement pour maintenir la rétention magnétique ;
avantage:
faible consommation d'énergie pendant la maintenance ;
alimentation uniquement pendant la commutation ;
9.5 Solénoïde tubulaire
La conception tubulaire assure de bonnes performances magnétiques et
distribution de flux uniforme ;
Une conception appropriée permet d'éviter les problèmes de magnétisme résiduel.
Chapitre 10 : Facteurs importants pour éviter les problèmes de magnétisme résiduel lors de la conception
Lors du processus de conception, les aspects suivants sont des éléments clés à prendre en compte.
choix des matériaux :
matériau magnétique doux ;
espace d'air :
éviter tout contact direct avec la surface sans tenir compte d'un espace d'air ;
saturation magnétique :
maintenir la densité de flux magnétique dans une plage appropriée ;
Correspondance de la force du ressort :
éviter la saturation magnétique causée par une force de ressort inadéquate ;
traitement de surface:
bonne finition de surface ;
gestion thermique :
La température influe sur les propriétés magnétiques ;
contrôle de tolérance :
Une petite modification de la taille a un impact important sur la rétention magnétique ;
Chapitre 11: Conclusion
La rémanence des solénoïdes est un phénomène physique naturel présent dans tous les électroaimants et solénoïdes. Cependant, ses effets peuvent être maîtrisés par une conception appropriée.
La rémanence du solénoïde, si elle n'est pas traitée, entraînera les problèmes suivants au niveau des solénoïdes :
collage;
longue durée de libération ;
dysfonctionnement de la vanne ;
usure accrue ;
performances et stabilité réduites ;
Le secret pour minimiser le magnétisme résiduel est :
choix des matériaux ;
conception de circuits magnétiques ;
conception de l'entrefer ;
conception du ressort ;
éviter la saturation magnétique ;
Chapitre 12 : FAQ sur la rémanence du solénoïde
12.1 Qu'est-ce que la rémanence du solénoïde ?
La rémanence d'un solénoïde désigne la faible force magnétique qui subsiste à l'intérieur de celui-ci après la coupure de l'alimentation électrique. Ce phénomène est dû à certains domaines magnétiques qui ne se désalignent pas complètement lorsque le champ magnétique est interrompu.
12.2 Qu'est-ce qui provoque le blocage du piston après une coupure de courant ?
Si la force magnétique résiduelle dans le solénoïde est excessivement importante, le piston se bloque et ne peut pas revenir à sa position initiale car la force résiduelle est supérieure à la force de gravité ou à la force du ressort de rappel.
Causes du blocage du piston :
pas d'espace d'air ;
mauvaise sélection des matériaux ;
force de rappel du ressort faible ;
saturation magnétique élevée ;
12.3 Quels types de solénoïdes sont les plus affectés par le magnétisme résiduel ?
Le solénoïde à courant continu est davantage affecté en raison de la magnétisation constante des domaines magnétiques tout au long de son fonctionnement.
Les applications souffrant généralement de problèmes de magnétisme résiduel sont :
électrovannes ;
pompes doseuses ;
serrure de porte ;
solénoïdes rotatifs ;
appareils de précision.
12.4 Comment les ingénieurs peuvent-ils réduire le magnétisme résiduel lors de la conception ?
Les techniques suivantes peuvent être utilisées pour réduire le magnétisme résiduel dans les solénoïdes :
sélection des matériaux magnétiques doux ;
ajout d'un espace d'air ;
installation d'une entretoise non magnétique ;
maintenir l'absence de saturation de la force magnétique ;
réglage de la force du ressort ;
12.5 Quels matériaux ont une faible rétention ?
matériaux magnétiques doux, y compris
fer pur ;
acier au silicium ;
acier inoxydable doux.
Il est conseillé d'éviter les matériaux magnétiques durs dans cette application.
12.6 Un ressort de rappel peut-il atténuer le problème du magnétisme résiduel ?
Un ressort mécanique permet au piston de se séparer du noyau après la mise hors tension.
Par conséquent, un solénoïde utilisant un mécanisme de retour par ressort offre de meilleures performances en commutation rapide.
12.7 Pourquoi l'entrefer joue-t-il un rôle important dans la conception des solénoïdes ?
L'entrefer dans la conception du solénoïde assure l'espace entre le noyau et l'armature et évite ainsi un contact magnétique complet, réduisant le magnétisme résiduel.
Avantages de la conception avec entrefer :
augmenter la vitesse de libération ;
réduire la force magnétique résiduelle ;
assurer la cohérence des versions ;
12.8 Le magnétisme résiduel peut-il endommager les solénoïdes ?
Le magnétisme résiduel en lui-même ne peut pas endommager l'appareil, mais les problèmes de fonctionnement qu'il engendre finissent par provoquer une usure.
12.9 Quelle est la différence entre le magnétisme rémanent et le magnétisme permanent ?
Différence entre magnétisme permanent et magnétisme rémanent :
Le terme « permanent » fait référence à un magnétisme intentionnellement créé qui maintient une force magnétique de manière persistante ;
tandis que le terme résiduel désigne une aimantation non intentionnelle d'un matériau magnétiquement sensible.
12.10 Comment tester le magnétisme résiduel dans les solénoïdes ?
Les critères de test comprennent :
temps nécessaire pour relâcher le piston après la mise hors tension ;
force de maintien ;
distance de décharge ;
densité de flux magnétique ;
performances de cycle de vie.
