L’actionneur solénoïde linéaire fonctionne selon le même principe de base que le relais électromécanique vu dans le tutoriel précédent et, tout comme les relais, il peut également être commuté et contrôlé à l’aide de transistors bipolaires ou de MOSFET. Un « Solénoïde Linéaire » est un dispositif électromagnétique qui convertit l’énergie électrique en une force ou un mouvement de poussée ou de traction mécanique.

Actionneur Solénoïde Linéaire

L’actionneur solénoïde linéaire se compose essentiellement d’une bobine électrique enroulée autour d’un tube cylindrique avec un actionneur ferro-magnétique ou « plongeur » qui est libre de se déplacer ou de glisser « DANS » et « HORS » du corps de la bobine. Les solénoïdes peuvent être utilisés pour ouvrir électriquement des portes et des verrous, ouvrir ou fermer des vannes, déplacer et faire fonctionner des membres et des mécanismes robotiques, et même actionner des interrupteurs électriques simplement en alimentant sa bobine.

Les solénoïdes sont disponibles dans une variété de configurations et de formats, les types les plus courants étant l’actionneur solénoïde linéaire, également connu sous le nom d’actionneur électromécanique linéaire (LEMA), qui, comme son nom l’indique, produit un mouvement linéaire en ligne droite, et le solénoïde rotatif, qui produit un mouvement de rotation sur un certain angle fixe.

Les deux types de solénoïdes, linéaires et rotatifs, sont disponibles soit en type de maintien (énergisé en continu), soit en type d’accrochage (pulsation ON-OFF), les types d’accrochage étant utilisés dans des applications énergisées ou hors tension. Les solénoïdes linéaires peuvent également être conçus pour le contrôle de mouvement proportionnel où la position du plongeur est proportionnelle à l’alimentation électrique.

Lorsqu’un courant électrique circule à travers un conducteur, il génère un champ magnétique autour de lui. La direction de ce champ magnétique par rapport à ses pôles nord et sud est déterminée par la direction du flux de courant dans le fil. Lorsque le courant électrique traverse la bobine de fil, elle devient un « électroaimant » créant ses propres pôles nord et sud, exactement comme un aimant permanent.

La force de ce champ magnétique peut être augmentée ou diminuée en contrôlant soit la quantité de courant circulant dans la bobine, soit en modifiant le nombre de tours ou de boucles que la bobine possède. Un exemple d’« électroaimant » est donné ci-dessous.

Champ Magnétique Produit par une Bobine de Solénoïde

Quand un courant électrique passe à travers les enroulements de la bobine, elle se comporte comme un électroaimant et le plongeur, qui est situé à l’intérieur de la bobine, est attiré vers le centre de la bobine par le flux magnétique établi à l’intérieur du corps de la bobine, ce qui comprime à son tour un petit ressort attaché à une extrémité du plongeur. La force et la vitesse de mouvement du plongeur sont déterminées par la force du flux magnétique généré à l’intérieur de la bobine.

Lorsque le courant d’alimentation est éteint (désénergisé), le champ électromagnétique généré précédemment par la bobine s’effondre, et l’énergie stockée dans le ressort comprimé force le plongeur à revenir à sa position de repos d’origine. Ce mouvement de va-et-vient du plongeur est connu sous le nom de « coup » du solénoïde, en d’autres termes, la distance maximale que le plongeur peut parcourir dans une direction « DANS » ou « HORS », par exemple, 0 – 30 mm.

Construction de l’Actionneur Solénoïde Linéaire

Ce type de solénoïde est communément appelé solénoïde linéaire en raison du mouvement et de l’action directionnelle linéaire du plongeur. Les solénoïdes linéaires sont disponibles dans deux configurations de base appelées « type traction » car elles attirent la charge connectée vers elle lorsque elle est énergisée, et le « type poussée » qui agit dans la direction opposée, la repoussant lorsque elle est énergisée. Les types de poussée et de traction sont généralement construits de la même manière, la différence résidant dans l’emplacement du ressort de retour et la conception du plongeur.

Actionneur Solénoïde Linéaire de Type Traction

L’actionneur solénoïde linéaire est utile dans de nombreuses applications nécessitant un mouvement de type ouvert ou fermé (dans ou hors) tel que des verrous de porte activés électroniquement, des vannes de contrôle pneumatique ou hydraulique, la robotique, la gestion des moteurs automobiles, des vannes d’irrigation pour arroser le jardin, et même le carillon « Ding-Dong » en possède un. Ils sont disponibles sous forme de cadre ouvert, cadre fermé ou types tubulaires scellés.

Actionneur Solénoïde Rotatif

La plupart des solénoïdes électromagnétiques sont des dispositifs linéaires produisant une force ou un mouvement linéaire de va-et-vient. Cependant, des solénoïdes rotatifs sont également disponibles, produisant un mouvement angulaire ou rotatif à partir d’une position neutre dans le sens horaire, anti-horaire ou dans les deux directions (bidirectionnel).

Actionneur Solénoïde Rotatif

Les solénoïdes rotatifs peuvent remplacer de petits moteurs à courant continu ou des moteurs pas à pas lorsque le mouvement angulaire est très faible, l’angle de rotation étant l’angle déplacé entre la position de départ et la position finale.

Les solénoïdes rotatifs couramment disponibles ont des mouvements de 25, 35, 45, 60 et 90^o, ainsi que plusieurs mouvements d’un certain angle, comme une rotation à 2 positions avec retour automatique au zéro, par exemple 0 à 90 à 0^o, rotation à 3 positions avec retour automatique, par exemple 0^o à +45^o ou 0^o à -45^o, ainsi que des latching à 2 positions.

Les solénoïdes rotatifs produisent un mouvement rotatif lorsqu’ils sont énergisés, désénergisés, ou qu’un changement de polarité d’un champ électromagnétique modifie la position d’un rotor à aimant permanent. Leur construction se compose d’une bobine électrique enroulée autour d’un cadre en acier avec un disque magnétique relié à un arbre de sortie positionné au-dessus de la bobine.

Lorsque la bobine est énergisée, le champ électromagnétique génère plusieurs pôles nord et sud qui repoussent les pôles magnétiques permanents adjacents du disque, provoquant sa rotation à un angle déterminé par la conception mécanique du solénoïde rotatif.

Les solénoïdes rotatifs sont utilisés dans des machines automatiques ou de jeu, le contrôle de vannes, des obturateurs d’appareil photo avec un solénoïde haute vitesse, faible puissance ou de positionnement variable avec haute force ou couple, tels que ceux utilisés dans les imprimantes matricielles, les machines à écrire, les machines automatiques ou les applications automobiles, etc.

Commutation des Solénoïdes

En général, les solénoïdes, qu’ils soient linéaires ou rotatifs, fonctionnent avec l’application d’une tension continue, mais ils peuvent également être utilisés avec des tensions alternatives sinusoïdales en utilisant des redresseurs à pont complet pour redresser l’alimentation, qui peut ensuite être utilisée pour commuter le solénoïde à courant continu. Les petits solénoïdes de type courant continu peuvent être facilement contrôlés à l’aide de transistors ou d’interrupteurs MOSFET et sont idéaux pour une utilisation dans des applications robotiques.

Cependant, comme nous l’avons vu précédemment avec les relais électromécaniques, les solénoïdes linéaires sont des dispositifs « inductifs », donc une forme de protection électrique est requise à travers la bobine solénoïde pour éviter des tensions arrières élevées endommageant le dispositif de commutation à semi-conducteurs. Dans ce cas, la « diode de flyback » standard est utilisée, mais vous pouvez également utiliser une diode zener ou un varistance de faible valeur.

Commutation des Solénoïdes à l’Aide d’un Transistor

Réduction de la Consommation d’Énergie

Un des principaux inconvénients des solénoïdes, et en particulier du solénoïde linéaire, est qu’ils sont des « dispositifs inductifs » fabriqués à partir de bobines de fil. Cela signifie que les bobines de solénoïde ont une résistance et convertissent une partie de l’énergie électrique utilisée pour les faire fonctionner en « CHALEUR » en raison de l’effet de chauffage I²R du fil.

En d’autres termes, lorsqu’ils sont connectés pendant de longues périodes à une alimentation électrique, les bobines enroulées peuvent devenir chaudes ! Plus le temps durant lequel l’alimentation est appliquée à une bobine de solénoïde est long, plus la bobine peut devenir chaude. De plus, à mesure que la bobine chauffe, sa résistance électrique change également, réduisant à la fois le courant traversant la bobine et la force de son champ magnétique, car cela dépend directement des ampères-tour.

Avec un input de tension continu appliqué à la bobine, la bobine ne peut pas refroidir car la puissance d’entrée est toujours active. Pour réduire cet effet de chauffage auto-induit, il est nécessaire de réduire soit la durée pendant laquelle la bobine est énergisée, soit la quantité de courant qui la traverse.

Une méthode pour consommer moins de courant est d’appliquer une tension suffisamment élevée à la bobine de solénoïde pour fournir le champ électromagnétique nécessaire pour actionner et maintenir le plongeur en position, mais ensuite, une fois activé, réduire la tension d’alimentation de la bobine à un niveau suffisant pour maintenir le plongeur dans sa position assise ou verrouillée. Une façon d’y parvenir est de connecter une « résistance de maintien » appropriée en série avec la bobine de la solénoïde, par exemple :

Réduction de la Consommation d’Énergie du Solénoïde

Dans ce cas, les contacts de l’interrupteur sont fermés, court-circuitant la résistance et faisant passer le courant d’alimentation total directement à l’enroulement de la bobine de solénoïde. Une fois énergisé, les contacts qui peuvent être mécaniquement connectés à l’action du plongeur du solénoïde ouvrent la connexion avec la résistance de maintien, R_H en série avec la bobine du solénoïde. Cela connecte effectivement la résistance en série avec la bobine.

En utilisant cette méthode, le solénoïde peut être connecté à son alimentation en tension indéfiniment (cycle de service continu) car la puissance consommée par la bobine et la chaleur générée sont considérablement réduites, ce qui peut atteindre 85 à 90 % en utilisant une résistance de puissance appropriée. Cependant, la puissance consommée par la résistance générera également une certaine chaleur, I²R (loi d’Ohm), et cela doit également être pris en compte.

Cycle de Service des Solénoïdes

Une autre façon plus pratique de réduire la chaleur générée par la bobine des solénoïdes est d’utiliser un « cycle de service intermittent ». Un cycle de service intermittent signifie que la bobine est à plusieurs reprises commutée « ON » et « OFF » à une fréquence appropriée pour activer le mécanisme du plongeur mais sans permettre une désénergisation pendant la période OFF de l’onde. Le commutateur à cycle de service intermittent est un moyen très efficace de réduire la puissance totale consommée par la bobine.

Le Cycle de Service (%ED) d’un solénoïde est la portion du temps « ON » pendant laquelle un solénoïde est énergisé et est le ratio du temps « ON » au temps total « ON » et « OFF » pour un cycle complet d’opération. En d’autres termes, le temps du cycle est égal au temps commuté « ON » plus le temps commuté « OFF ». Le cycle de service est exprimé en pourcentage, par exemple :

Alors, si un solénoïde est commuté « ON » ou énergisé pendant 30 secondes, puis commuté « OFF » pendant 90 secondes avant d’être réénergisé à nouveau, un cycle complet, le temps total du cycle « ON/OFF » serait de 120 secondes (30+90), donc le cycle de service du solénoïde serait calculé comme 30/120 secondes ou 25 %. Cela signifie que vous pouvez déterminer le temps de commutation maximal du solénoïde si vous connaissez les valeurs du cycle de service et du temps de commutation « OFF ».

Par exemple, si le temps de commutation « OFF » égal à 15 secondes, le cycle de service égal à 40 %, donc le temps de commutation « ON » égal à 10 secondes. Un solénoïde avec un cycle de service nominal de 100 % signifie qu’il a une tension continue et peut donc être laissé « ON » ou constamment énergisé sans surchauffe ni dommage.

Dans ce tutoriel sur les solénoïdes, nous avons examiné tant l’actionneur solénoïde linéaire que l’actionneur solénoïde rotatif comme actionneurs électromécaniques pouvant être utilisés comme dispositif de sortie pour contrôler un processus physique.

Dans le prochain tutoriel, nous continuerons notre exploration des dispositifs de sortie appelés Actionneurs, et qui convertit un signal électrique en un mouvement rotatif correspondant toujours à l’aide de l’électromagnétisme. Le type de dispositif de sortie que nous examinerons dans le prochain tutoriel est le moteur à courant continu.