Moteur piézomagnétique

1992/04/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza

Nous savons que le changement de température fait longtemps que les solides s'allongent et se contractent. Par exemple, les cerceaux en fer de la roue du chariot, une fois placés après les avoir ouverts chauffés et après les avoir refroidis, ont été serrés et collés au bois. Également en mécanique, pour s'adapter à certaines pièces avec réglage de serrage, d'abord chauffé et expansé, puis refroidi et contracté en restant fixe encastré.

Haut-parleur sous-marin. Comme élément de vibration se trouve l'alliage sensible à l'expansion magnétique. Il est plus puissant que le résonateur piézoélectrique et est utilisé dans les sonars de détection sous-marine.

Dans ces solides, les dilatations et les contractions ne se produisent pas seulement en changeant la température. Même en changeant le courant électrique du solide ou le champ magnétique, ses dimensions sont modifiées, provoquant en lui des forces énormes. Un grand avantage de ces changements dimensionnels est que, contrairement à ce qui se passe dans la dilatation thermique, ils se produisent rapidement dans une petite seconde. En chauffant et en refroidissant le cerceau de roue de chariot on ne peut pas changer de dimension par exemple vingt fois, mais en changeant le champ électrique ou magnétique. Grâce à cela, la pièce métallique exerce une grande force dans l'ouverture et la contraction, même si la taille de l'amplitude ou le changement de dimension est très réduite.

Le fait que l'amplitude soit très faible a été jusqu'ici le principal obstacle, de sorte que les premiers moteurs utilisant ces effets sont apparus récemment, en particulier les capteurs sonores.

Évolution de la magnétostrification

Dans ce type d'effets la première exploitation a été la piézoélectricité. En passant le courant électrique à l'intérieur, des cristaux (par exemple quartz) sont étirés un côté et l'autre se contracte, sans varier le volume. Cependant, il se produit en moyenne, c'est-à-dire par la pression ou l'allongement du verre est généré courant électrique. Ce phénomène a été découvert par M. Curie en 1880.

La magnétostrition, dont l'effet linéaire est connu comme piézomagnétisme, a été découvert en 1837. Aux éléments qui peuvent être imités comme le fer, le nickel ou le cobalt, quand les dimensions sont dans un champ magnétique variable changent. Comme pour le courant électrique, le volume ne varie pas, à l'exception des zones de très haute intensité.

En utilisant des courants alternatifs, il existe deux champs variables : le champ électrique variable et le champ magnétique variable qu'il génère. Les effets piézoélectriques et piézomagnétiques se lient, entraînant des changements de dimension périodiques ou vibrations. Cet effet a été utilisé pour émettre des ondes sonores, notamment pour la détection sous-marine.

Le piézomagnétisme a été utilisé dans la dernière guerre mondiale, mais a été lentement abandonné au profit de la piézo-électricité. Et c'est grâce aux céramiques qu'il était capable de fournir de plus grandes puissances. D'autre part, le courant électrique est plus maniable que le champ magnétique, de sorte que la magnétostriction est restée en marge.

Dans les années 1960, on a découvert certaines caractéristiques des terres rares et on a observé que les samaritains, terbes, disprosions et autres éléments chimiques produisaient des effets pyézomagnétiques de grande ampleur. (La barre du mètre de fer, par exemple, dans de grands champs magnétiques est étirée deux centièmes de millimètre et la barre du mètre d'alliages plus ou moins cent fois) Pour cela, il fallait des températures très basses. Cependant, comme on l'a vu, en alliant ces éléments avec du fer, les effets de magnétostrification de grande ampleur étaient obtenus à température ambiante, mais pour cela il fallait des champs magnétiques de grande intensité.

Par la suite, en 1974, la Naval Ordnance Laboratory d'Amérique du Nord a obtenu un alliage de terbe, de disprosion et de fer à trois éléments (Terfenol-D), en utilisant des champs magnétiques facilement accessibles par électroaimants. La barre de métro s'allonge 2,4 mm, ce qui permet son exploitation dans les mécanismes classiques.

Moteur piézoélectrique. Les anneaux céramiques piézoélectriques adjacents produisent des ondes comme les serpents grâce au courant alternatif et sont utilisés pour faire tourner le plat autour de son axe. Le sommet des ondes a un petit mouvement de recul devant et est transmis au rotor par contact. N'importe quel point du matériel supportant un courant alternatif décrit l'orbite elliptique. Le point A de l'image, par exemple, complète le parcours elliptique en passant par les points B, C et D, en revenant au point de départ. Poussez le plateau circulaire du point A1 jusqu'au point A et au point A2, en tournant sur l'axe.

Magnétostrition actuelle

De là, de nombreuses applications ont pu être trouvées à la magnétostrification. Valable pour les transducteurs sonores, moteurs, vannes, injecteurs de moteurs diesel, etc.

Les études d'application ont porté principalement sur les États-Unis et le Japon, mais aussi dans les laboratoires européens sont préoccupés par le phénomène. En fait, il y a du matériel pour la magnétostrification de grande ampleur. Comparativement, si la barre de métro en aluminium est chauffée de 0 à 100 (C) est étirée 2,4 mm, et la barre de métro de matériau Terfenol-D est étiré de même.

Cependant, sa force n'est pas négligeable. Les forces piézoélectriques sont entre 10 et 20 fois plus grandes que les forces magnétiques d'attraction qui agissent dans les moteurs et les sérbomecanismes conventionnels, et entre 20 et 50 fois les forces piézomagnétiques. Les forces piézomagnétiques ressemblent à celles de dilatation thermique, environ 25.000 ^{N/cm 2.} Cela signifie que la barre carrée de centimètres épais soulèverait une masse de 2,5 tonnes ! En outre, il ne faut pas oublier que cette force est très rapide.

Applications du piézomagnétisme

Une application de cet effet est l'obtention de vibrations mécaniques de grande puissance à partir de courants alternatifs. De 3 à 10 fois plus d'effet que celui obtenu jusqu'à présent avec piézoélectricité, il peut être produit sur des transducteurs acoustiques par piézomagnétisme, c'est-à-dire sur des haut-parleurs spéciaux de son simple et intensité. Ils sont principalement utilisés pour la détection sous-marine. En fait, le déplacement de l'eau est beaucoup plus compliqué que le déplacement de l'air et de puissants émetteurs acoustiques sont nécessaires pour faire osciller de grandes masses liquides en eau profonde. Plus la fréquence des ondes est faible, plus la magnétostrition est utile pour réaliser ce type de sonars.

Cette grande force d'oscillation, cependant, peut être utilisée dans d'autres applications: électrovannes, ressorts à élasticité contrôlée, aiguilles injecteurs de moteurs diesel et, en général, dans tout mécanisme nécessitant un déplacement réduit et une grande force.

Moteur piézoélectrique

Moteur piézomagnétique. Ce moteur de magnétostriction agit comme un tremblement. Le disque du rotor tourne très peu, mais très fort. Sous le champ magnétique créé par une bobine, les pièces A, B et C sont étirées et contractées. Initialement, la pièce fixe A est étirée et comprime le rotor (1). Ensuite, en envoyant le courant à sa bobine, on étire la pièce B (2) puis la pièce C (3), qui écrase également le rotor. A se contracte ensuite (4) et B suivant (5), en maintenant le rotor C. Il s'étire ensuite A (6), se contracte C (7) et commence un autre cycle.

Par conséquent, l'une des applications les plus intéressantes est de convertir la vibration en mouvement circulaire. Dans ce cas, la rotation sera très lente, mais le couple de force est très grand. Un obstacle dans les moteurs électriques classiques est qu'à faible vitesse il ya aussi un petit moment. Cependant, il est beaucoup plus grand que le moteur plus thermique (qui fonctionne avec piston ou turbine), dans lequel à des vitesses angulaires basses (quand ils tournent très lentement) est presque zéro.

Lorsqu'une vitesse réduite et un grand moment de couple sont nécessaires en pratique, il est nécessaire d'intercaler les engrenages réducteurs ou la transmission de moteurs hydrauliques à haute pression. Ceci est visible sur de nombreuses machines de chantier.

La vibration proprement dite est un mouvement rapide de faible amplitude en avant, et la transformation en mouvement de rotation a ses problèmes. Pour convertir le mouvement linéaire en mouvement de rotation on utilise le mécanisme bielle/manivelle, mais à partir d'une certaine taille on n'a pas obtenu la miniaturisation. Ainsi, au Japon plusieurs maisons (NEC, Hitachi, Shinsei, etc.) ont fabriqué des moteurs à anneaux en céramique piézoélectriques.

L'anneau céramique piézoélectrique commence à osciller en raison du courant alternatif. Chaque point de l'anneau décrit l'ellipse (voir figure) et il semble y avoir une onde tournant dans l'anneau. Sur lui tourne le plat touchant l'anneau, actionné par cette onde.

Actuellement, les moteurs piézoélectriques sont utilisés pour le nettoyage du verre avant dans les zoomes des camocopes (Japon), montres (Suisse) ou automobiles (Allemagne). Il ne faut pas oublier que les moteurs piézoélectriques peuvent aussi être linéaires.

Moteur piézomagnétique

Un moteur piézomagnétique a également été développé en Allemagne. À cette occasion, le mouvement se produit comme les chenilles. Nous soutenons, étirons et saisissons avec les jambes avant. Puis les pattes arrière sont relâchées, se contractent et le cycle est repris en les soutenant plus tard.

La magnétostrification produit des forces énormes à faible déplacement. Le mécanisme ressemble à une paire de freins à disque attaché à la barre de Therphénol. Le fonctionnement est indiqué dans la figure ci-jointe.

Le mécanisme peut être appliqué au cercle ou pièce droite. Vous pouvez obtenir le moteur de rotation ou le moteur linéaire. En outre, étant donné que les forces générées par la magnétostriction sont très grandes, selon que le courant est envoyé ou non peut être moteur ou frein. Cela ne se produit pas dans les moteurs conventionnels. C'est parce qu'une fois qu'il a cessé d'envoyer le courant, ils ne mettent pas d'obstacles au mouvement, et dans certains cas (par exemple, pour ne pas tomber une fois que la charge monte et s'arrête) il est nécessaire de mettre des compacts et des mécanismes similaires. La présence de vitesses de rotation très faibles dans les moteurs piézomagnétiques permet son utilisation comme positionneur dans les machines-outils.

La rotation n'est pas continue mais discontinue. Par conséquent, le moteur peut rester au moment désiré, en restant fixe l'axe à ce même point.

D'autre part, dans la magnétostrification, le temps de réponse est inférieur à celui du millième de la seconde et certains chercheurs veulent en profiter pour compenser les déformations du matériau lourd, éliminer les vibrations nocives, etc.