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Explications techniques des électro-aimants

Tout d’abord, tous nos électro-aimants sont conformes à la norme de fabrication DIN VDE0580 et sont RoHS.

 

Éléments de base :

Plusieurs éléments composent ainsi un électro-aimant de manœuvre simple :

Avant tout lors de la mise sous tension de la bobine, l’électro-aimant génère des lignes de champs magnétiques qui se referment par le noyau, induisant un effort et un déplacement de celui-ci. En l’absence de courant le noyau reste dans sa position et devient libre (sauf pour les électro-aimants monostables et bistables). Des efforts externes (ressort, poids, levier, etc.) assurent ainsi le retour du noyau en position sortie. 

 

1/ Forces :

Force magnétique (F)

D’abord, la force magnétique d’attraction (N) est la force exercée sur le noyau qui induit son déplacement. Les courbes de ce catalogue indiquent les forces qui ont été calculées :

– avec une tension nominale (Un) -10%

– avec une température ambiante de +35°C pour les produits KENDRION et de +25°C pour les produits BINDER magnetic

– à bobine « chaude ».

 

Définition de bobine « chaude »

– Bobine à température ambiante : lorsque l’électro-aimant n’est pas alimenté, la température du bobinage est celle de la température ambiante.

– Bobine « chaude » : la température de la bobine est alors l’addition de la température ambiante et de l’échauffement propre dû à l’alimentation de l’électro-aimant à la limite de son facteur de marche (voir § « Cycles de fonctionnement »).

 

Force magnétique disponible (Fh)

La force magnétique (N) obtenue après avoir soustrait ou additionné le poids du noyau (en position verticale) et la force du ressort de rappel.

 

Force magnétique en fin de course

La force magnétique (N) obtenue sur le noyau lorsque celui-ci est arrivé en fin de course ou en butée mécanique (course 0 mm).

 

Force rémanente

La force de maintien (N) qui subsiste par rémanence après la coupure de courant.

 

2/ Fonction :

Les fonctions liées à la forme du noyau :

– Fonction tirante : l’action magnétique induit un effort tirant

– La fonction poussante : l’action magnétique induit un effort poussant

– Fonction tirante / poussante : l’action magnétique induit un effort tirant d’un côté du noyau et poussant de l’autre.

 

Electro-aimant de manœuvre simple :

Le noyau est attiré par la bobine dans l’électro-aimant lors de la mise sous tension, il redevient libre en l’absence de courant.

 

Electro-aimant à double bobines :

Le noyau traversant est attiré d’un côté par une des 2 bobines et sera attiré de l’autre côté par l’autre bobine lors des mises sous tension respectives. Ainsi, le noyau parcourt ainsi la course définie dans les 2 sens. De sorte que le noyau redevient libre en l’absence de courant.

 

Electro-aimant monostable :

Le noyau est attiré par la bobine dans l’électro-aimant lors de la mise sous tension et reste maintenu dans celui-ci, sans courant, grâce à un aimant permanent. Une inversion de la polarité de l’alimentation de la bobine permet d’annuler la force de maintien de l’aimant permanent, le noyau redevient alors libre.

 

Electro-aimant bistable :

L’électro-aimant est équipé de 2 bobines et chaque bobine attire par mise sous tension le noyau traversant à chaque extrémité de la course. Le maintien stable du noyau aux 2 extrémités de sa course est assuré ainsi par des aimants permanents.

 

3/ Course :

Course magnétique (s) :

C’est la distance (en mm) parcourue par le noyau, de la position de départ à la position de fin de course. En position de départ le noyau d’un électro-aimant de manœuvre simple est d’ailleurs souvent situé à l’extérieur de la bobine.

Les plans d’encombrement dans cette documentation représentent le noyau dans sa position de départ et une flèche sur le noyau indique le sens de déplacement à la mise sous tension.

 

Position de début de course (s1 ) :

C’est la position de départ du noyau avant qu’il ne parcourt la course (la position du noyau est sortie).

 

Position de fin de course (s0) :

C’est la position d’arrivée du noyau après qu’il a parcouru la course (la position du noyau est rentrée et correspond à 0 mm sur les courbes).

 

Courbe caractéristique force magnétique / course :

Courbe de la force magnétique sur le noyau en fonction de la position de celui-ci.

On distingue 3 formes de courbes caractéristiques :

 

a. Courbe croissante : appropriée pour travailler avec un ressort

b. Courbe horizontale : appropriée pour travailler avec des efforts constants

c. Courbe décroissante : uniquement sur demande

 

Fonction du noyau :

La plupart des électro-aimants sont équipés d’un noyau traversant l’appareil.

Lors du déplacement de ce noyau, il y a donc un côté tirant et un côté poussant.

Les 2 côtés peuvent être utilisés pour assurer une fonction.

 

Tension, intensité et puissance :

Tension nominale (Un) :

La tension d’alimentation (en V) définie pour l’électro-aimant.

La tolérance acceptable sur la tension d’alimentation nominale pour les électro-aimants est de +5% et de -10% pour obtenir les forces des courbes.

 

Surexcitation :

Une surexcitation de la bobine par surtension, pendant la durée de déplacement du noyau, permet de réduire jusqu’à 4 fois la durée d’attraction à vide.

Cette surtension, lorsque le circuit magnétique l’accepte, peut aller jusqu’à 4 fois la tension nominale.

Le facteur de marche devra être recalculé (nous consulter et voir les informations sur le Facteur de Marche).

Nous proposons une carte électronique de surexcitation.

 

Intensité nominale (In courant continu) :

Intensité (en A) consommée par la bobine à une température de 20oC et à une tension nominale (Un). L’intensité nominale est calculée en divisant la puissance consommée (Pn en W) par la tension nominale (Un en V).

Pour déterminer le courant maxi consommé par l’électro-aimant utiliser les formules suivantes :

                                                                             

-P : puissance (en W).

-I : intensité (en A) – Variable en fonction de la température et de l’alimentation.

-U : tension mini (en V) – Variable en fonction de l’alimentation.

-R : résistance (en Ω) – Variable en fonction de la température.

 

Puissance nominale (Pn) consommée :

Puissance absorbée (en W) de la bobine à la tension nominale et à une température de bobine de 20°C. Elle est calculée en multipliant la tension nominale (Un en V) par l’intensité nominale (In en A).

 

Économie d’énergie :

Pour ce qui est de notre carte électronique, elle permet de réduire considérablement la consommation d’un électro-aimant. Un électro-aimant peut également être étudié avec une double bobine pour diminuer le courant ; dans ce cas, une bobine est destinée à l’appel du noyau et l’autre bobine au maintien de celui-ci (pour cette 2 e bobine, le courant consommé sera donc nettement plus faible).

 

Résistance électrique :

Résistance électrique de la bobine à 20°C (en Ohm : Ω) – Tolérance de fabrication : ±10%.

 

Evolution de la résistance électrique de la bobine en fonction de la température ambiante :

L’intensité de la bobine est fonction de la résistance ohmique de celle-ci.

 

La résistance Ohmique Ω d’un conducteur électrique varie avec la température ainsi :

-R ( ) : résistance (en Ω) à température donnée.

-R0 : résistance (en Ω) à 20°C.

-0,004 : coefficient lié à l’évolution de la résistance électrique du cuivre avec la température.

-∆ : différence de température en °C entre 20°C et la température dans la bobine.

 

Tenir compte de cette évolution dans la formule de calcul du courant

 

– I : intensité (en A).

– P : puissance électrique (en W).

– R : résistance (en Ω) de la bobine

 

Par exemple, un électro-aimant d’une résistance de 10 Ohm à 20°C aura 9,2 Ohm à 0°C et 12,4 Ohm à 80°C ambiant.

A noter aussi que la mise sous tension de la bobine implique un cycle d’échauffement entraînant une diminution du courant.

 

Schéma de câblage :

De nombreuses possibilités existent, toutefois nous vous conseillons le câblage avec diode et résistance en parallèle. En effet, la coupure de la bobine alimentée provoque un pic de tension sur l’interrupteur de commande générant ainsi un arc électrique qui peut détériorer différents composants. Ce phénomène est lié à la self de la bobine.

Le câblage ci-dessous permet de limiter cet arc.

 R(Ohm) = 7 * R(Ohm) de la bobine

Ce câblage permet aussi de limiter la durée de retour du noyau.

 

Cycles de fonctionnement :

 

Période sous tension :

Durée entre la mise sous tension et la coupure de la tension de la bobine.

 

Période sans tension :

Durée entre la coupure de la tension et la mise sous tension de la bobine.

 

Facteur de marche (FM) :

Le facteur de marche (en%) correspond à un rapport entre les durées de mises sous tension de l’électro-aimant (Du) et la durée de référence (Dt) à +35°C.

Du : durée totale effective maximum d’alimentation sur une durée de référence (Dt).

Dt : durée de référence, définie par notre usine, pour chaque appareil (entre 2 et 5 min)

 

Calcul du facteur de marche :

Exemple : Du = 2 min réellement alimentées sur une période (Dt) de 5 min pour

l’appareil / Dt = 5 min > FM = 2/5 x 100 = 40%

 

Évolution du facteur de marche en fonction de la température ambiante :

Si la température ambiante est différente de +35°C le tableau suivant est à appliquer :

 

Exemple : un électro-aimant avec un facteur de marche de 25% utilisé à une température ambiante de 60°C a un facteur correcteur de 0,67.

Ainsi le facteur de marche devient 25% x 0,67 = 16,75%.

 

Temps de réponses :

Tout d’abord, ils définissent la durée de déplacement du noyau lors de l’attraction ou du retour. Les valeurs mentionnées (en ms) sont ainsi obtenues avec la tension nominale, en position horizontale, pour la course totale et avec une charge correspondante à 70% de la force magnétique. Par ailleurs, ces données sont indicatives et dépendent de nombreux critères.

 

Conditions d’utilisation :

Alimentation en continu : 100%

La durée de mise sous tension est suffisamment longue pour que la température limite de l’électro-aimant soit presque atteinte. Pour ce type d’application choisir un facteur de marche FM 100%.

Voir le chapitre sur les cycles de fonctionnement et le facteur de marche.

 

Alimentation intermittente

Les durées de mise sous tension et de repos alternent en une succession de durées, régulières ou non. Les temps de repos permettent alors à la bobine de l’électro-aimant de se refroidir et de maintenir l’électro-aimant à un niveau de température acceptable.

Voir également le chapitre sur les cycles de fonctionnement et le facteur de marche.

 

Alimentation de courte durée

Les durées de mise sous tension sont suffisamment courtes pour que la température limite de la bobine de l’électro-aimant ne puisse pas être atteinte. Les repos entre chaque période d’alimentation sont assez longs pour que l’électro-aimant puisse suffisamment se refroidir.

Voir aussi le chapitre sur les cycles de fonctionnement et le facteur de marche.

 

Guidage du noyau

Lors de son déplacement le noyau glisse sur des guidages qui s’usent selon le nombre de manœuvres.

Le guidage du noyau peut être réalisé directement sur le corps de bobine ou à l’aide de bagues de glissement auto lubrifiées, PTFE ou bronze.

On distingue 3 catégories de longévité :

– limitée : environ 500 000 manœuvres

– moyenne : entre 1 et 10 millions de manœuvres

– élevée : supérieure à 10 millions de manœuvres

 

Cette indication est mentionnée sur le descriptif du produit. Ces estimations correspondent en revanche à un milieu ambiant propre (absence de poussière ou de graisse), une absence d’effort radial, une température ambiante située entre 1°C et 35°C et une hygrométrie relative inférieure à 50%.

 

Température :

Température ambiante V13 (°C)

Valeur moyenne des températures autour de l’électro-aimant.

 

Température de travail V23 (°C)

Température atteinte par la bobine de l’électro-aimant alimentée. L’échauffement de l’électro-aimant est provoqué par la mise sous tension de la bobine car elle se comporte également comme une résistante électrique produisant de la chaleur.

 

Température limite V21 (°C)

Température maximale admissible par la bobine d’électro-aimant. La classe d’isolation définie cette température (voir information ci-dessous).

 

Augmentation de température V32 (°C)

Différence de température entre la bobine de l’électro-aimant et la température ambiante. La mise sous tension de l’électro-aimant créé ainsi cette différence.

Une augmentation de température de +70°C est assez fréquente lorsque l’électro- aimant est utilisé à la limite de son facteur de marche (mais cette valeur n’est qu’indicative).

A noter que :

-V21 doit toujours être supérieur à V23

-V32 = V23-13

 

Classe d’isolation de la bobine

Le vernis du fil de cuivre de la bobine permet une isolation électrique entre les spires jointives de celle-ci. La classe d’isolation thermique, liée à ce vernis, indique ainsi la température maximale admissible par la bobine lors de son échauffement propre. Le choix de la classe d’isolation permet un bon fonctionnement de l’électro-aimant aux conditions de tension, de facteur de marche et de température ambiante définis ainsi pour l’appareil.

Classe d’isolation Température limite (°C) V21 Échauffement maximum pour une température ambiante de 35°C
Y 90 50
A 105 65
E 120 80
B 130 90
F 155 115
H 180 140
C 200 >200

 

Température ambiante maximale de fonctionnement

Les limites de température ambiante d’utilisation sont souvent de -5°C à +35 °C (au-delà nous consulter car de nombreuses solutions existent). Le noyau connaît un risque de givre pouvant ainsi le bloquer en dessous de 0°C.

Important : la force de l’électro-aimant est liée au courant et par conséquent à la résistance de la bobine qui évolue avec la température.

 

Conditions ambiantes de travail :

Température ambiante de fonctionnement :

Le facteur de marche FM correspond à une température ambiante jusqu’à +35°C (au delà nous consulter).

 

Humidité relative :

Le degré d’hygrométrie de l’air ambiant devra être inférieur à 50% lorsque la température ambiante est supérieure à 40°C. Tandis que pour des températures ambiantes inférieures à 40°C, un degré d’hygrométrie de l’air plus élevé sera admis (par exemple 90% d’humidité pour 20°C ambiant).

On doit aussi prendre en considération la condensation occasionnelle de l’eau dans l’air ambiant.

 

Conditions spéciales de fonctionnement:

Si les conditions normales de fonctionnement ne peuvent pas être respectées des solutions appropriées vous serons proposées, par exemple : une classe d’isolation supérieure, peinture spéciale, protections augmentées, etc.

 

Milieux ambiants extrêmes :

Les électro-aimants devront ainsi être protégés des atmosphères qui contiennent une grande quantité de poussières d’abrasion ou d’encrassement, des gaz corrosifs, etc.

 

Protection :

Protection des surfaces métalliques contre la corrosion : traitement galvanique.

La protection contre la pénétration de corps étrangers dans l’électro-aimant, liquide ou solide : normes CEI-IEC 60529 (code IP).

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