Guide ultime : Comment choisir le plongeur de solénoïde idéal pour votre application

Partie 1 : Matériau à perméabilité magnétique pour piston

La perméabilité magnétique est une grandeur physique qui mesure la capacité d'un matériau à conduire les lignes de force magnétique. Choisir des matériaux à haute perméabilité magnétique (comme le fer pur, l'acier au silicium, etc.) pour le piston peut permettre… solénoïde pour produire un champ magnétique plus puissant.

la perméabilité magnétique par rapport à d'autres matériaux :

1.1, tandis que la perméabilité magnétique du piston peut atteindre plusieurs milliers, voire davantage. Cela signifie qu'après le remplacement de l'air par du fer pur dans le piston, l'intensité du champ magnétique augmentera considérablement, même si le courant reste inchangé.

1.2 Intensité d'induction magnétique de saturation du piston

Il est important de choisir un matériau pour le piston présentant une intensité d'induction magnétique de saturation élevée, sinon, dans des conditions de courant élevé, la saturation du piston rendra difficile l'augmentation continue de l'intensité du champ magnétique.

Cela aura un impact sur les performances du solénoïde : si l’intensité d’induction magnétique à saturation du noyau est faible, il ne pourra pas répondre aux exigences de fonctionnement. Par exemple, dans une grue électromagnétique, pour soulever des objets ferromagnétiques lourds, une intensité de champ magnétique suffisamment élevée est nécessaire ; l’intensité d’induction magnétique à saturation du noyau est donc un facteur clé.

1.3 Résistivité du matériau

Avantages d'une faible résistivité : La résistivité du matériau du noyau influe sur les pertes par courants de Foucault. Les matériaux à faible résistivité, comme le fer pur, ont tendance à générer d'importants courants de Foucault, ce qui entraîne des pertes d'énergie et un échauffement du noyau. Afin de réduire ces pertes, on utilise généralement des matériaux à résistivité plus élevée, tels que les tôles d'acier au silicium, pour les électroaimants à courant alternatif.

Principe d'application des tôles d'acier au silicium : Les tôles d'acier au silicium sont fabriquées en ajoutant du silicium à l'acier, ce qui leur confère une résistivité supérieure à celle de l'acier ordinaire. Le revêtement du plongeur avec des tôles d'acier au silicium permet de limiter le trajet des courants de Foucault et de réduire les pertes par courants de Foucault. Par exemple, dans le plongeur d'un transformateur (qui fonctionne selon le principe de l'induction électromagnétique et est similaire à un électroaimant), l'utilisation de tôles d'acier au silicium permet de réduire efficacement la chaleur générée par les courants de Foucault et d'améliorer le rendement du transformateur.

1.4 Forme et taille du piston

Principes de conception : La forme du piston doit être conçue en fonction de l’application spécifique et des exigences de distribution du champ magnétique. Les formes courantes incluent les formes colonnaire, en U, en E, etc.

Influence de la taille : La taille du noyau comprend sa longueur, son diamètre (pour un cylindre) ou sa section, etc. Un noyau plus grand (dans une certaine limite) augmente généralement le flux magnétique et donc le magnétisme de l’électroaimant. Cependant, il faut également tenir compte de contraintes telles que l’encombrement, le coût et le risque de dispersion excessive du champ magnétique. Par exemple, dans les électroaimants destinés aux petits appareils électroniques, le noyau doit être petit et compact en raison de l’espace limité.

1.5 Fréquence de fonctionnement (pour électroaimant/solénoïde CA)

Exigences de fréquence pour le plongeur : Si l’électroaimant fonctionne en courant alternatif, la fréquence de fonctionnement influe sur les performances du plongeur. À haute fréquence, les pertes par hystérésis et par courants de Foucault du plongeur augmentent. Par conséquent, pour les électroaimants à courant alternatif haute fréquence, il est nécessaire de choisir des matériaux de noyau à faibles pertes et d’utiliser des structures de plongeur spécifiques afin de réduire les pertes.

Application des matériaux en ferrite : La ferrite est un matériau pour plongeurs adapté aux fonctionnements à haute fréquence. Sa résistivité élevée permet de réduire efficacement les pertes par courants de Foucault, et ses pertes par hystérésis sont également relativement faibles à haute fréquence.

1.6 Coût et facilité de mise en œuvre

Facteurs de coût à prendre en compte : Le prix des différents matériaux de noyau varie considérablement. Le prix du fer pur est relativement bas, celui de l’acier au silicium est modéré, et celui de certains alliages magnétiques spéciaux est plus élevé. Tout en respectant les exigences de performance de l’électroaimant, il est indispensable de tenir compte des facteurs de coût.

Importance de l'application : Le matériau du piston doit être facile à usiner aux dimensions et à la forme souhaitées. Des matériaux comme le fer pur et l'acier au silicium présentent une bonne aptitude à la transformation et peuvent être transformés en pistons de formes variées par découpe, estampage et soudage.

Partie 2 ; Types de pistons

2.1 Plongeur pur

Caractéristiques : Le fer pur possède une perméabilité magnétique élevée, ce qui permet à l’électroaimant de générer un champ magnétique puissant. Son induction magnétique à saturation est également relativement élevée, ce qui signifie qu’en augmentant le courant dans une certaine plage, l’intensité du champ magnétique peut être améliorée. Cependant, la résistivité du fer pur est faible. Lorsqu’il est utilisé dans des électroaimants à courant alternatif, il est sujet à d’importantes pertes par courants de Foucault, ce qui provoque un échauffement du plongeur.

2.2 Application : Couramment utilisé dans les électroaimants nécessitant une forte intensité de champ magnétique mais une faible fréquence de fonctionnement ou alimentés en courant continu. Noyau en acier au silicium

2.3 Caractéristiques des plongeurs en silicium : L’acier au silicium est obtenu par l’ajout de silicium à l’acier. Sa perméabilité magnétique élevée lui permet de conduire efficacement les lignes de force magnétiques et d’amplifier le champ magnétique des électroaimants. Par ailleurs, sa résistivité, bien supérieure à celle du fer pur, réduit considérablement les pertes par courants de Foucault dans les électroaimants à courant alternatif. Enfin, son induction magnétique à saturation relativement élevée le rend particulièrement adapté aux applications nécessitant la génération de champs magnétiques intenses.

2.4 Application : il est largement utilisé dans divers transformateurs et solénoïdes/électroaimants à courant alternatif. Dans les ponts roulants électromagnétiques industriels, le noyau en acier au silicium peut fournir un champ magnétique puissant pour maintenir en place des charges lourdes.

Piston en permalloy 2,5

Caractéristiques : Le permalloy est un alliage nickel-fer présentant une perméabilité magnétique extrêmement élevée, ce qui en fait l’un des matériaux magnétiques les plus performants en la matière. Il permet d’atteindre une forte induction magnétique sous un faible champ magnétique, et se caractérise par une faible coercivité et de faibles pertes par hystérésis. Toutefois, son induction magnétique à saturation est relativement faible et son prix est relativement élevé.

2.6 Application : Les électroaimants sont couramment utilisés dans les équipements de détection de champs magnétiques faibles qui nécessitent une sensibilité extrêmement élevée, tels que les capteurs magnétiques de haute précision, les générateurs de champs magnétiques faibles, etc. Parce qu'ils peuvent présenter de bonnes propriétés magnétiques sous de faibles champs magnétiques, ils peuvent répondre aux exigences de précision et de sensibilité du champ magnétique de ce type d'équipement.

noyau de ferrite

2.7 Caractéristiques : La ferrite est un matériau magnétique dont le principal composant est l’oxyde de fer. Sa résistivité très élevée permet de réduire considérablement les pertes par courants de Foucault et la rend particulièrement adaptée aux environnements à haute fréquence. Cependant, son induction magnétique à saturation est faible et ses propriétés mécaniques sont relativement médiocres.

Applications : largement utilisés dans les électroaimants haute fréquence, les transformateurs haute fréquence et divers équipements électromagnétiques haute fréquence. Par exemple, l’utilisation de noyaux de ferrite dans les transformateurs haute fréquence des alimentations à découpage d’ordinateurs permet une conversion d’énergie efficace et une réduction de la dissipation thermique. Dans les électroaimants de certains petits appareils de chauffage par induction haute fréquence, les noyaux de ferrite offrent également d’excellentes performances à haute fréquence.

Partie 3 : Comment concevoir la forme du piston ?

3.1 : forme cylindrique :

Lorsqu'il est nécessaire de générer un champ magnétique uniforme dans une zone spatiale donnée, le noyau cylindrique est préférable. Associé à une méthode d'enroulement appropriée (comme l'enroulement solénoïde), ce noyau permet de répartir le champ magnétique de manière relativement homogène le long de l'axe du noyau. Le principe repose sur la distribution régulière des lignes de champ magnétique à l'intérieur du piston cylindrique, ce qui permet de générer un champ magnétique relativement uniforme dans l'espace extérieur.

3.2 : Exigences relatives au champ magnétique concentré

Si le but du solénoïde est de produire un champ magnétique puissant et concentré dans une zone localisée, un noyau en forme de U ou de E serait approprié.

3.3 Tenir compte des contraintes d'espace et des options d'installation

Dans certains petits appareils électroniques, il peut être nécessaire de choisir un noyau de forme compacte en raison de l'espace interne très limité. Une petite forme cylindrique ou une forme spécialement conçue est généralement utilisée pour permettre l'installation du plongeur et de la bobine dans un espace restreint, tout en garantissant le bon fonctionnement de l'électroaimant et la génération d'un champ magnétique suffisant pour l'ouverture et la fermeture du relais.

3.4 : Facilité d'installation

La forme du piston doit également tenir compte de la facilité d'installation. Un piston de forme simple, facile à démonter et à installer (comme un piston cylindrique de forme parallélépipédique), sera plus approprié. La forme du noyau devra peut-être correspondre à la structure du mécanisme de transmission ou du bras robotisé pour faciliter son intégration.

3.5 Installation et débogage.

Combinez la forme et la taille de vos objets de travail

Si le solénoïde est principalement utilisé pour attirer des objets d'une forme spécifique, la forme de son noyau doit être adaptée. Pour les objets de forme irrégulière, il peut être nécessaire de concevoir un piston de forme spéciale afin d'obtenir une adsorption efficace.

3.6 Considérations relatives à la taille de l'objet de travail

La taille du piston doit être adaptée à celle de la pièce de raccordement. Si cette dernière est plus grande, un piston plus grand est nécessaire pour générer un champ magnétique suffisamment puissant pour recouvrir l'objet entier.

Partie 4 : Avantages et inconvénients des différents matériaux pour pistons

4.1 Fer pur :

• Avantages : Intensité d’induction magnétique de saturation élevée, capable de générer un champ magnétique puissant sous un faible courant ; faible coût, ressources abondantes ; bonne aptitude à la fabrication, fabrication aisée de curseurs de formes et de tailles variées.
• Inconvénients : Faible résistivité, pertes importantes par courants de Foucault sous champ magnétique alternatif, échauffement facile, ne convient pas aux applications à haute fréquence ; risque de vieillissement magnétique et altération du magnétisme après une utilisation prolongée.

4.2 Tôle d'acier au silicium :

• Avantages : Résistivité et perméabilité magnétique élevées, faible force coercitive et pertes par courants de Foucault, permettant de réduire efficacement les pertes d’énergie dans un champ magnétique alternatif, adapté aux électroaimants alternatifs ; propriétés magnétiques stables, peu affectées par le temps et la température ; intensité d’induction magnétique de saturation élevée.
• Inconvénients : Plus la teneur en silicium augmente, plus le matériau est fragile, plus sa mise en œuvre est difficile et plus les exigences en matière de technologie de traitement sont élevées ; il faut généralement le transformer en feuilles minces et les empiler pour l’utiliser, ce qui augmente la complexité et le coût du processus de fabrication.
• 4.3 : Ferrite :
• Avantages : résistivité élevée, faibles pertes par courants de Foucault, convient aux applications à haute fréquence ; faible coût, prix relativement bas ; bonne stabilité chimique et résistance à l’oxydation, ne rouille pas et ne se corrode pas facilement.
• Inconvénients : l’intensité de l’aimantation à saturation est inférieure à celle des matériaux métalliques, et l’intensité du champ magnétique généré à volume et courant égaux est relativement faible ; faible perméabilité magnétique, vitesse de réponse au champ magnétique relativement lente ; texture fragile, résistance mécanique relativement faible, facile à casser.

4.4 Alliage magnétique doux

• Permalloy :
• Avantages : perméabilité magnétique extrêmement élevée et faible coercivité, peut être magnétisé à un degré élevé dans un champ magnétique faible, et la boucle d’hystérésis est étroite et les pertes par hystérésis sont faibles ; grande plasticité, facile à usiner et à façonner, peut être transformé en barres de glissement de formes complexes.
• Inconvénients : sensible aux contraintes, ses propriétés magnétiques peuvent se modifier sous l’effet de forces extérieures ; coût élevé, prix relativement important, limitant son utilisation à certaines applications à faible coût.
• 4.5 : Alliage magnétique doux :
• Avantages : Il possède une perméabilité magnétique et une résistivité élevées, et présente une bonne résistance à la corrosion dans les milieux oxydants et les milieux à base d'hydrazine ; ses propriétés magnétiques sont stables et il peut maintenir un magnétisme stable dans une large plage de températures.
• Inconvénients : coût élevé des matériaux ; processus de fabrication complexe et exigences élevées en matière de technologies et d’équipements de traitement.

Matériaux non ferromagnétiques

• 4.6 Alliage d'aluminium :
• Avantages : Il présente une dureté, une résistance et une légèreté élevées, ce qui permet de réduire efficacement le poids total de l’électroaimant ; une bonne résistance à la corrosion, convenant à certains environnements humides ou légèrement corrosifs ; de bonnes performances de traitement, facilitant la découpe, l’extrusion et d’autres technologies de transformation.
• Inconvénients : Matériaux non ferromagnétiques, faible perméabilité magnétique et force électromagnétique relativement faible générée dans le champ magnétique ; bien que la résistance et la dureté soient élevées, il existe toujours un certain écart par rapport à certains matériaux métalliques, et une déformation peut se produire lorsqu’ils sont soumis à de grandes forces externes.
• 4.7 Acier inoxydable :
• Avantages : Il présente une excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation, et peut fonctionner de manière stable pendant longtemps dans des conditions environnementales difficiles, telles que des environnements humides, acides et corrosifs alcalins ; une résistance et une dureté élevées, de bonnes propriétés mécaniques, et peut résister à certaines forces et impacts externes.
• Inconvénients : Matériau non ferromagnétique, faible conductivité magnétique, ce qui affecte l’intensité du champ magnétique et la force électromagnétique de l’électroaimant ; coût relativement élevé ; difficile à traiter, notamment pour certaines exigences de haute précision, nécessitant des équipements et des procédés de traitement plus avancés.

Partie 5 : Résumé :

Il nous faut d'abord connaître le rôle du plongeur dans le solénoïde :

1. Augmenter le magnétisme du solénoïde alimenté
2. Renforcer le solénoïde

L'une des principales caractéristiques d'un solénoïde est que son magnétisme est contrôlable, ce qui signifie qu'il sera magnétique quand vous le souhaitez et qu'il disparaîtra quand vous le souhaitez.

Le piston de l'électroaimant est en fer doux, et non en acier. En effet, une fois magnétisé, l'acier conserverait son magnétisme durablement et ne pourrait être démagnétisé. Dès lors, l'intensité du magnétisme ne pourrait plus être contrôlée par le courant, et les avantages des électroaimants seraient perdus.

Le matériau du piston n'est généralement pas du fer pur, mais de l'oxyde de fer.

Le plongeur du solénoïde sert à augmenter le magnétisme de l'aimant. Il suffit de choisir un matériau dont la perméabilité magnétique est bien supérieure à un. Par exemple, les oxydes de métaux comme le manganèse et le cobalt. Plus la perméabilité magnétique est élevée, plus le champ magnétique superposé est important.

La perméabilité magnétique des autres métaux est inférieure à celle du fer, et ils sont plus coûteux ; c’est pourquoi ils sont généralement peu utilisés. La plupart des matériaux employés actuellement sont des alliages de fer, comme le nouveau matériau ferrite de manganèse-zinc, dont la perméabilité magnétique avoisine les 18 000. Celle de l’oxyde ferrique est probablement de l’ordre de quelques centaines.

Il est préférable de choisir le noyau de l'électroaimant en fonction des critères suivants :

1. La fonction du noyau est d'augmenter l'intensité du champ magnétique, il convient donc d'utiliser un matériau ferromagnétique à forte intensité de magnétisation.

2. Les électroaimants doivent généralement ne pas avoir de magnétisme résiduel ou le moins possible après la mise hors tension ; on utilise donc des aimants doux à faible force coercitive.