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Oct 12, 2023

Mécanismes : Solénoïdes

Depuis que les humains ont commencé à jouer avec l’électricité, nous avons prouvé que nous étions assez intelligents pour trouver des moyens d’exploiter cette énergie et de la transformer en mouvement. Les moteurs électriques de tous types font bouger le monde,

Depuis que les humains ont commencé à jouer avec l’électricité, nous avons prouvé que nous étions assez intelligents pour trouver des moyens d’exploiter cette énergie et de la transformer en mouvement. Les moteurs électriques de tous types font bouger le monde, mais ils sont loin d’être le seul moyen de mettre l’électricité en mouvement. Lorsque vous souhaitez une rotation continue, un moteur est la solution idéale. Mais pour les applications marche/arrêt plus simples, où un contrôle précis de la position n'est pas critique, un solénoïde est plutôt ce dont vous avez besoin. Ces appareils électromagnétiques se trouvent partout et ils sont les prochains dans notre série sur les mécanismes utiles.

Un physicien vous dira qu'un solénoïde est simplement une bobine de fil à travers laquelle le courant peut passer. C'est ça. Cependant, en dehors du laboratoire de physique, un dispositif aussi simple n'a pas une grande utilité mécanique, donc ce que nous avons tendance à considérer comme un solénoïde est légèrement plus compliqué. Un solénoïde pratique a une bobine, mais il comportera également plusieurs pièces mécaniques pour le faire fonctionner comme un actionneur.

Un solénoïde à piston est un bon exemple des bases. Le noyau d'air de la bobine du solénoïde est partiellement occupé par un piston en fer ou en acier doux, maintenu en place par un ressort de rappel. Lorsque le courant est appliqué à la bobine, un champ magnétique se forme et le piston est tiré avec force dans le noyau du solénoïde. Lorsque le courant cesse de circuler, le champ magnétique s'effondre et le ressort de rappel force le piston à revenir à l'état de repos. Ceci est caractéristique de la plupart des solénoïdes : soit ils sont actionnés, soit ils ne le sont pas. Cela les rend parfaits pour les travaux qui nécessitent que quelque chose soit positionné dans une position ou une autre sur une courte distance, comme les vannes qui arrêtent l'écoulement de liquide à travers un tuyau ou un tube.

La taille des solénoïdes à piston varie du plus petit au plus ridiculement grand. Du petit côté, les solénoïdes à piston servent d'actionneurs pour les vannes microfluidiques dans les applications scientifiques et médicales, et dans la tête d'entraînement pour le style à impact des imprimantes matricielles (oui, chacun de ces points est le piston d'un solénoïde).

Vous interagissez probablement quotidiennement avec des solénoïdes de taille moyenne. Le clic au début et à la fin de la machine à glaçons de votre réfrigérateur allume et éteint l'eau pour remplir le bac. Vous entendrez un clic similaire dans les machines à soda en fontaine. Et les magiciens du flipper parmi nous attesteront que les forces qui lancent cette boule d'argent sur le terrain de jeu sont générées par des solénoïdes.

Pour augmenter l'échelle, il y a un solénoïde assez gros à l'intérieur du démarreur de presque toutes les voitures et camions sur la route, du moins ceux équipés d'un moteur à combustion interne. Le solénoïde se trouve au sommet du démarreur et est responsable de la connexion et de la déconnexion du démarreur du système. Le piston du solénoïde est fixé à l'arbre d'entraînement du moteur via un levier. Lorsque la clé de contact est tournée, la bobine du solénoïde est alimentée, tirant le piston vers l'intérieur et déplaçant le levier vers l'extérieur le long de l'arbre du moteur qui tourne maintenant. Cela entraîne un pignon pour s'engager avec le volant moteur et lancer le moteur jusqu'à ce qu'il démarre.

D'autres styles de solénoïdes sont disponibles, notamment les solénoïdes rotatifs. Voilà exactement ce à quoi ils ressemblent : des actionneurs qui peuvent tourner entre deux positions. Les conceptions varient, mais les types les plus courants ont un rotor à aimant permanent sur un arbre à l'intérieur du noyau du solénoïde. Lorsque la bobine est alimentée, le rotor subit un couple dû au champ magnétique, un peu comme le rotor d'un moteur à aimant permanent. Cependant, le rotor ne se déplace que jusqu'à un arrêt physique et est ramené à la position de repos par un ressort lorsque la bobine est hors tension. Si la polarité de la bobine est inversée, le rotor et l'arbre peuvent osciller dans l'autre sens, rendant ce style de solénoïde rotatif bistable. D'autres solénoïdes rotatifs utilisent un disque métallique avec des rainures inclinées et des roulements à billes ; lorsque le piston est aspiré dans le noyau, les roulements à billes forcent le disque et l'arbre à tourner le long des rainures.

En tant qu'appareils électriquement simples, les solénoïdes peuvent fonctionner en courant alternatif ou continu. Un solénoïde CC a tendance à être plus silencieux car le champ magnétique est constant lorsque la bobine est sous tension. Un solénoïde AC a tendance à vibrer lorsque le champ magnétique varie et la force du ressort de rappel le surmonte au moment où le courant change de direction dans la bobine. Cette tendance peut être atténuée par l'utilisation d'un anneau d'ombrage pour modifier le circuit magnétique des solénoïdes AC. Un anneau d'ombrage est juste un petit anneau de cuivre qui se trouve à l'intérieur du noyau du solénoïde afin qu'il entre en contact avec le piston lorsqu'il est complètement rétracté. Le champ magnétique de la bobine sous tension induit un courant à l'intérieur de l'anneau, qui à son tour crée son propre champ magnétique qui est en retard de 90° sur la phase du champ du solénoïde. Lorsque le champ du solénoïde tombe à zéro lorsque la forme d'onde CA dépasse le point zéro, le flux magnétique de l'anneau d'ombrage maintient le solénoïde rétracté, éliminant ainsi les vibrations gênantes.