Actionneur à bobine mobile
Circuits magnétiques - Exemples et applications

D1051 v1 Article de référence

Actionneur à bobine mobile
Circuits magnétiques - Exemples et applications

Auteur(s) : Marcel JUFER

Date de publication : 10 août 2010 | Read in English

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Sommaire
Médias

Présentation

1 - Circuit électromagnétique avec entrefers

1.1 - Structure et démarche
1.2 - Schéma magnétique
1.3 - Flux et inductions
1.4 - Forces

2 - Conception d'un électroaimant

2.1 - Méthode et spécifications
2.2 - Calculs

3 - Pertes dans le fer

3.1 - Circuit magnétique à flux alternatif
3.2 - Pertes par hystérésis
3.3 - Pertes par courants de Foucault
3.4 - Réduction des pertes par courants de Foucault

$Figure 10 - Réduction des pertes par courants de Foucault par fractionnement du circuit ferromagnétique$
3.5 - Pertes totales dans le fer

4 - Actionneur à bobine mobile

5 - Structures dentées

5.1 - Approximation des lignes de champ
5.2 - Détermination des perméances
5.3 - Détermination des forces

6 - Moteur pas à pas hybride

6.1 - Structure
6.2 - Schéma équivalent simplifié
6.3 - Schéma équivalent amélioré

7 - Conclusion

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Pour comprendre le principe des circuits électromagnétiques, deux modèles sont à la disposition des électriciens : le modèle de Maxwell et celui de Kirchhoff. L'analyse des circuits se base sur ces postulats pour prédire les évolutions des systèmes. Ce dossier présente différents cas pratiques, caractéristiques des problèmes pouvant être rencontrés. Le premier par exemple, introduit la notion d'entrefers, les coupures dans le circuit. Un autre, sous la forme d'un modèle simplifié de circuit électromagnétique, décrit les pertes qui apparaissent dans les structures ferromagnétiques. D'autres sont également présentés, comme les actionneurs à bobine mobile, les structures dentées ou les moteurs pas à pas hybrides.

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Auteur(s)

Marcel JUFER : Docteur ès sciences techniques - Professeur honoraire de l'École polytechnique fédérale de Lausanne - Dr HC Cluj (Roumanie), Mons (Belgique) et Grenoble (France)

INTRODUCTION

L'analyse des modèles de Maxwell et Kirchhoff a été entreprise dans le dossier [D 1 050v2]. Ce dossier a pour objectif de présenter des applications de ces démarches basées principalement sur l'analyse de circuits équivalents. Les exemples choisis sont caractéristiques de problèmes qui peuvent être rencontrés.

Le premier exemple traité est caractéristique de circuits tels que ceux de transformateur ou d'électroaimants. Il permet de mettre en évidence la décomposition en perméances partielles.

À l'inverse d'une démarche analytique, le deuxième exemple met en évidence la démarche de conception d'une structure électromagnétique de forme donnée afin de générer une force d'intensité fixée.

Les pertes apparaissant dans les structures ferromagnétiques sont décrites à partir d'un modèle simplifié de circuit électromagnétique pour les courants de Foucault. Il est ainsi possible de décrire ces pertes et de mettre en évidence les paramètres dont elles dépendent.

Les actionneurs à bobine mobile ont le grand avantage de générer une force proportionnelle au courant. Leurs applications sont nombreuses dans le domaine des haut-parleurs, des robots, des machines de positionnement, etc. Dans certaines conditions, ils peuvent toutefois présenter une force parasite à réluctance variable qui sera mise en évidence ainsi que les moyens de l'éliminer.

De nombreux actionneurs ou moteurs sont constitués de structures dentées en regard. Si leur modélisation peut se faire efficacement par une méthode d'éléments finis, il peut être intéressant de recourir à une modélisation par circuits équivalents. Les perméances variables peuvent être déterminées par une approximation des lignes de champ par des droites et arcs de cercle.

La structure magnétique complexe du moteur pas à pas hybride est difficile à maîtriser, également par les éléments finis. Une modélisation par circuit équivalent magnétique est proposée, recourant en particulier au modèle de perméances déjà étudié.

Les principes de base de l'électromagnétisme dans le domaine stationnaire (basse fréquence) et la méthodologie des circuits magnétiques qui en découlent sont l'objet du document [D 1 050v2]. Il y sera fait systématiquement référence pour les équations utilisées dans le présent dossier.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d1051

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4. Actionneur à bobine mobile

Des applications nécessitant une dynamique de mouvement élevée avec une amplitude réduite recourent fréquemment à des moteurs ou actionneurs linéaires à bobine mobile. La figure 11 en illustre la structure en forme de E. Elle est constituée d'un matériau ferromagnétique peu ou pas saturé et supporte deux aimants permanents à haute densité d'énergie. La bobine mobile est ainsi placée dans un entrefer à induction constante. Il en résulte une force proportionnelle au courant et de direction liée au signe de celui-ci.

En se référant au paragraphe 2.3.3 de [D 1 050v2], on a les expressions suivantes pour l'induction dans l'entrefer, en supposant le circuit ferromagnétique comme idéal :

B_{δ} = \frac{B_{0}}{1 + μ_{dr} δ / e}

^( 8 )

avec :

B₀: induction rémanente de l'aimant,
B_δ: induction dans l'entrefer,
μ_dr: perméabilité interne relative de l'aimant,
δ, e, a, c: définis sur la figure 11.

On obtient pour la force sur la bobine :

F = 2 a N i B_{δ}

^( 9 )

...

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