Maquette de suspension magnétique active ( version 7)

L’appareil est destiné à la démonstration visuelle d’une suspension magnétique, dans l’air, d’un objet de masse non négligeable (comprise entre 30g et 350g) loin de tout support mécanique, (6 à 8 cm). L’objet suspendu doit comporter d’une part, à sa partie supérieure, un aimant Néodyme Fer Bore, porteur, et d’autre part la masse totale, objet + aimant, en suspension, ne doit pas dépasser 400g environ pour un corps amagnétique et 650 g pour un matériaux magnétique . ( les lignes de champs se referment plus facilement et la portance en est d’autant plus augmentée) . La limitation est due essentiellement aux tailles maximales des aimants disponibles dans le commerce ainsi que leur produit B X H et non pas sur un plan théorique.

Le principe de fonctionnement est l’attraction magnétique entre deux aimants, permanents, puissants, l’un placé sur l’objet, l’autre placé sur le haut d’un support mécanique fixe qui sert de structure à l’appareil. (aimant Néodyme fer Bore) . Un troisième aimant, à champ variable celui-ci, est placé entre les deux aimants décrits plus haut. Celui-ci est constitué par un électroaimant à noyau ferromagnétique droit. ( bobinage en fil de cuivre à section circulaire). L’intensité du courant, ainsi que son sens de circulation, sont variables et commandés en fonction de la position de l’objet en suspension à corriger . (1 à 3 A, 3500 spires) L’intensité du courant est limité , en pratique, par la puissance dissipable ,en convection naturelle, par l’enroulement en l’absence de système de refroidissement efficace, capable d’augmenter significativement les échanges thermiques. (puissance 20W) Les champs peuvent donc s’additionner ou se soustraire pour obtenir une commande motrice de la position et corriger les écarts. L’électroaimant est le moteur du système. ( avec les aimants on peut parler de moteur linéaire à aimants permanents) . Si l’objet est trop bas, on additionne les champs, s’il est trop haut on soustrait les champs. La commande du courant dans le bobinage, ainsi que son sens, sont assurés par un amplificateur électronique, transistorisé, fonctionnant en linéaire. (classe A) . La détection de la position dans le plan de l’espace, est assurée part un dispositif sans contact mécanique avec l’objet. Cette fonction est réalisée par une barrière optique fonctionnant dans l’infrarouge (880nm) .Le principe est le suivant : une diode électroluminescente émettrice, dans l’infrarouge, éclaire une cellule photoélectrique constituée par un phototransistor à Arséniure de Gallium. (AsGa) qui sert de récepteur.
La diode émettrice est simplement parcourue par un courant continu d’intensité 60mA environ. L’émission est permanente et continue. Le photo transistor récepteur donne un courant dont l’intensité dépend de l’éclairement. Dans l’obscurité, le courant sera typiquement de 10 à 30nA. Avec le maximum d’éclairage reçu de la diode émettrice, le courant pourra atteindre 100 à 300µA soit 10 000 fois plus. En envoyant ce courant dans une résistance, on a une tension facilement exploitable et mesurable. Cette tension dépend du courant et donc de la luminosité reçue, et donc de la position de l’objet en suspension. En effet, si l’objet est trop bas, il laisse passer toute la lumière de la cellule, si l’objet est trop haut il obscurcit toute la cellule, si l’objet est dans une position intermédiaire, la tension reçue sera proportionnelle à la position. En comparant la tension délivrée par la cellule, à une tension de référence, on obtient une différence de tension qui est en relation directe (proportionnelle) à l’écart de position. Cette tension est ensuite amplifiée (le courant donné par le phototransistor ne peut pas commander directement l’électroaimant, il est bien trop petit, il faut l’amplifier) et sert à élaborer l’action correctrice pour corriger la position de l’objet . Un étage de conversion tension/courant , équipé d’un capteur à effet HALL, ( ou une résistance de mesure de courant) est nécessaire pour contrôler ,à chaque instant, la valeur de l’intensité du courant traversant le solénoide ,car c’est l’intensité qui produit le champ et non la tension. Il existe physiquement un déphasage de retard du courant par rapport à la tension, dans une inductance , et l’on doit compenser ce temps d’établissement pour obtenir des conditions de stabilité du système. (sinon l’ordre de correction arrivera toujours en retard et le système ne sera pas stable) .En pratique il faut un étage de conversion tension/courant à la suite de l’amplificateur d’erreur et du réseau correcteur de phase pour commander le solenoide.Un système d’asservissement de position est donc ainsi réalisé . Un double affichage visuel , dans un but didactique, permet de montrer facilement le sens de circulation du courant dans la bobine de l’électroaimant : l’un est constitué d’un ampèremètre à zéro central pouvant dévier dans les deux sens suivant le sens de circulation du courant, et l’autre d’un témoin lumineux bicolore (rouge , vert) variant selon la hauteur de l’objet et donc du signe de l’écart de position vue par la boucle d’asservissement (rouge trop haut, vert trop bas).

Un dispositif de sécurité thermique, réversible (60°C) ouvre le circuit du bobinage en cas de surchauffe de celui-ci suite à l’absence ou au contraire au collage sur le noyau de fer, d’un objet normalement en suspension (les aimants ne doivent pas voir une température supérieur à 80°C sinon ils perdent leurs propriétés magnétiques).

Les dimensions physiques du cadre support en PMMA (bonne propriétés optiques) sont approximativement :largeur 300mm/ hauteur 400mm/profondeur 100mm .L’électronique de commande et l’alimentation électrique sont contenues dans un coffret séparé. Les liaisons avec le cadre de suspension ( bobine, transistor et diode) sont filaires.

APPLICATIONS

La maquette de suspension magnétique active permet donc la démonstration des points suivants :

1) Suspension stable dans l’air d’un solide (très spectaculaire)

Applications paliers magnétiques.

Absence de frottements mécaniques.

Train à suspension magnétique (maglev).

Table magnétique sans frottements.

2)Attraction, force magnétique, électroaimants, aimants permanents.

Applications : force de levage, aimant porteur, table magnétique, plot, tri magnétique des métaux, agitateur magnétique, etc….

3)Cellule photo électrique, barrière optique.

Applications : mesure, comptage, détection de présence, de position,
Dispositif de sécurité, de mesure de distance, télécommande, automatisme, régulation, transmission de données etc….

4) Asservissement de position. Principe des systèmes asservis, pilote automatique, contre réaction….amplification

Applications multiples. (automobile, machine , robotique, missiles, avionique, balance, métrologie, etc….)

5) Courants de Foucault.

A l’aide d’une plaque en cuivre tenue à la main ou posée sur un support, et d’un aimant placé à la base de l’objet, on peut mettre en évidence les forces créées par les courants induits lors des variations de flux magnétique et leur opposition aux déplacements qui les produisent.

Application frein à courant de Foucault, moteur à induction, moteur linéaire, etc….

6) Sismographie . Détection vibratoire

La grande sensibilité du gain de boucle et de l’amplification ainsi que la quasi absence de frottements sec ,de part la suspension sans liaison mécanique, permet de mettre en évidence la sensibilité de détection du système suspendu à des ondes de propagation sismiques et/ou vibratoires. Dans le cas d’un évènement transitoire (exemple coup sur le sol ) la vitesse d’apparition de l’évènement, même d’amplitude très petite, dépasse la vitesse de correction de la boucle ( vitesse de croissance du courant dans l’inducteur solénoidal de suspension) et donc la boucle ne peut rattraper la consigne et l’objet sort du contrôle de l’asservissement, ce qui se traduit, par exemple, par une chute ou l’objet vient se coller sur le noyau de l’inducteur .

7) Capteur à effet HALL.

Utilisation dans les capteurs de mesures de champ ( Gaussmètre) et dans les capteurs de mesures de courant continu. Sonde de courant pour appareil de mesure, transformateur de courant de mesure , utilisés dans les commandes de moteurs, la robotique et les alimentations régulées.

8) Fil de guidage magnétique.

En disposant un aimant disque sous le socle de l’appareil dans l’alignement d’un aimant cylindrique placé à la base de l’objet en suspension , on crée un effet de guidage captif le long d’un fil invisible, (lignes de champ ) qui change l’amortissement du système , augmente la bande passante apparente, et permet de compenser les écarts de verticalité du dispositif. L’objet en suspension se trouvant maintenu par ses deux extrémités comme dans un pallier magnétique.

Cette configuration permet également d’augmenter l’immunité de la suspension vis-à-vis d’un choc sur le support et d’éviter autant que possible un décrochage accidentel du système.