Champ(s) magnétique(s) dans une bobine.

[aurelienbis]

Bonjour,
Je viens de démonter la bobine (partie mobile) d'un haut parleur, or, le fil de cuivre fait plusieurs allers-retours dans un sens différent à chaque fois. Pour illustrer, il faut superposer les 2 bobinages ci dessous.

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Or, on cherche à obtenir le champ magnétique le plus puissant possible, mais puisque le courant passe dans un sens puis dans l'autre, les deux champ magnétiques devraient s'opposer (et s'annuler?)?

Ne serait-il pas plus judicieux de faire les tours toujours dans le même sens, en ayant à chaque tour une partie du fil qui reviendrait au point de départ en ligne de droite?

Merci
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[phuphus]

Bonjour aurelienbis,

le sens de bobinage change alternativement pour chaque couche (de la gauche vers la droite ou de la droite vers la gauche), par contre le sens d'hélice reste le même. L'interaction avec le champ magnétique dû à l'aimant permanent (force de Laplace) se fait donc dans le même sens pour chaque spire, quelle que soit la couche.

[aurelienbis]

Effectivement je n'avais pas pris en compte que le courant changeait également de sens, mon interprétation était mauvaise, je viens de refaire le schéma et je trouve effectivement qu'il faut inverser le sens de bobinage.

Merci

[phuphus]

Bonjour aurelienbis,

le sens de bobinage change alternativement pour chaque couche (de la gauche vers la droite ou de la droite vers la gauche), par contre le sens d'hélice reste le même. L'interaction avec le champ magnétique dû à l'aimant permanent (force de Laplace) se fait donc dans le même sens pour chaque spire, quelle que soit la couche.

Du coup, tu t'y retrouves avec mon explication qui est une grosse absurdité Le sens d'hélice change mais pas le sens du courant... Le produit vectoriel entre courant et champ magnétique reste donc toujours orienté pareil.

[A voir en vidéo sur Futura]

[aurelienbis]

Du coup, tu t'y retrouves avec mon explication qui est une grosse absurdité Le sens d'hélice change mais pas le sens du courant... Le produit vectoriel entre courant et champ magnétique reste donc toujours orienté pareil.

Ouais, enfin on se comprend .

Par contre une autre question:
J'ai vu plusieurs représentations de l'aimant permanent du haut parleur, mais je ne sais pas laquelle est exacte. Pourrais-tu m'aider quant au champ magnétique créé par un aiment permanent annulaire? Une bobine associée à la première représentation fonctionne pour faire un haut parleur? Je viens d'en démonter et à première vue il s'agit de la première, mais c'est collé et je ne vois pas très bien.

Si tu pouvais représenter les champs sur mon schéma, merci
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

[obi76]

Bonsoir,

merci de mettre vos images en pièces jointes, pas sur un hébergeur externe.

Pour la modération,

[phuphus]

Rebonjour aurelienbis,

le circuit magnétique d'un HP est constitué d'un aimant permanent et de pièces polaires (et éventuellement d'une bague alu ou cuivre, mais c'est une autre histoire). Les pièces polaires permettent de concentrer le champ dans l'entrefer, là où il est utile.

Dans ta représentation 1, il y a à priori un aimant seul. Je te mets en PJ deux configurations qui fonctionnent et qui se contentent seulement d'aimant(s) sans pièces polaires, mais pour moi c'est à proscrire. La solution 01a exploite un aimant à aimantation radiale. La solution 01b profite du champ de fuite radial entre deux aimants à aimantation axiale et placés tête-bêche (j'ai rajouté la bobine dans le cas 01b). Dans tous les cas, les lignes de champ se rebouclent dans l'air, du Nord vers le Sud.

Ta représentation 2 est une coupe non détaillée d'un circuit complet. Je t'ai mis en PJ 02a une solution avec aimant annulaire, mais l'aimant peut aussi être central. J'ai représenté 4 lignes de champ en rouge, et la bobine est plongée dans l'entrefer (elle dépasse normalement de chaque côté de l'entrefer).

[aurelienbis]

merci je regarde tout ça dès que c'est validé

[phuphus]

Edit : sur la PJ 02a, je n'ai pas corrigé les pôles sur la vue de dessus. Donc merci de ne pas en tenir compte.

[aurelienbis]

Alors je pense que l'on peut représenter les aimants comme un seul ensemble; par contre il doit falloir de la colle super puissante pour fixer les partie +/+ et -/-?

J'ai représenté les champs lorsqu'un courant passe, et ce courant est alternatif? ce qui fait qu'il est tour à tour attiré puis repoussé.

Par contre une chose m'échappe, en l'absence de courant dans la bobine, qu'est-ce qui définit la position de celle-ci dans la l'ensemble aimanté?

Merci

[aurelienbis]

Oh et aussi, en quoi les pièces polaires permettent de concentrer le champ au niveau de l'entrefer?

[phuphus]

Alors je pense que l'on peut représenter les aimants comme un seul ensemble; par contre il doit falloir de la colle super puissante pour fixer les partie +/+ et -/-?

Je suppose que tu parles de la configuration 1 de ton schéma. Les adhésifs classiques actuels sont largement capables de maintenir collée une telle configuration, pas de problème de ce côté.

Quant à la configuration 2, dans tous les cas les forces magnétiques entre les pièces sont attractives, donc pas de problème non plus.

J'ai représenté les champs lorsqu'un courant passe, et ce courant est alternatif? ce qui fait qu'il est tour à tour attiré puis repoussé.

Les lignes de champ que tu as représentées sont réalistes dans le cas d'une bobine a l'air libre. Néanmoins, ici, la bobine est entourée de pièces polaires (toutes les pièces du moteur de ton HP), donc le champ est influencé par cet environnement. Du coup, j'en profite pour répondre à ta question suivante :

Oh et aussi, en quoi les pièces polaires permettent de concentrer le champ au niveau de l'entrefer?

Tu peux considérer l'aimant comme un "générateur" magnétique. Le fer est un très bon conducteur magnétique, alors que l'air est un mauvais conducteur, sans toutefois être isolant. Donc le flux magnétique va avoir tendance à préférer passer par du fer plutôt que par l'air.
Dans l'entrefer, c'est l'interaction entre le courant électrique parcourant la bobine et le flux magnétique B, dû à l'aimant, qui crée la force à l'origine du déplacement de la bobine (et c'est bien une force qui est engendrée, et surtout pas un déplacement ! Le déplacement n'est qu'une conséquence qui dépend de beaucoup, beaucoup d'autres choses). Donc on a intérêt à avoir pas mal de flux dans cet entrefer (classiquement entre 1 et 1.5 teslas).
Le flux total que tu vas pouvoir tirer de ton aimant dépend en premier lieu de la taille de l'entrefer, du grade de l'aimant et de la surface de l'aimant. Et c'est donc là que l'on voit l'utilité des pièces polaires en fer : puisqu'elles sont très bonnes conductrices magnétiques, elles permettent d'amener tout le flux provenant de toute la surface annulaire de l'aimant, surface qui est grande, vers l'entrefer, qui lui possède une surface de passage du flux plus faible. D'où la concentration du flux magnétique.

Pour en revenir au champ créé par la bobine, il va donc être largement influencé par la présence autour de la bobine de pièces en fer. Donc il n'aura pas l'allure que tu as dessinée. Je te mets en PJ 3 images :

01 - Demi-coupe d'un circuit magnétique de HP (comme c'est axisymétrique, tu as toutes les infos), pas de courant dans la bobine. On voit bien que les lignes de flux convergent en majeure partie vers l'entrefer, et que quelques-unes se rebouclent dans l'air (ces dernières constituent les fuites du circuit magnétique).
02 - Même coupe, mais j'ai annulé l'aimantation propre de l'aimant (tout en maintenant la perméabilité magnétique qu'il a lorsqu'il est aimanté) et activé le courant dans la bobine. On voit que les pièces polaires influencent largement les lignes de flux. Note qu'il n'y pas de cassure de ces lignes de flux à l'interface air / aimant : l'aimant est vu comme de l'air.
03 - Même coupe, avec à la fois l'aimant aimanté et la bobine parcourue par un courant.

Ces images ont été obtenues avec le logiciel FEMM, qui est gratuit. Le cas de calcul que j'ai utilisé fait partie des fichiers d'exemples, ne te gêne donc pas pour télécharger FEMM, ouvrir le fichier "SpeakerMotor" et t'amuser avec, c'est très pédagogique. Par contre, il va falloir que tu sois prêt à mettre un peu les mains dans la graisse au niveau modélisation.

Pour finir sur le champ de la bobine, il faut bien comprendre que le champ magnétique dû à la bobine est parasite, et que c'est l'interaction entre le courant qui parcourt la bobine et le champ déjà présent dans l'entrefer qui explique le fonctionnement d'un HP (dans tous les cas, dès qu'il y a mouvement de charges on ne peut pas échapper à la présence d'un champ magnétique...). Il y a certes interaction entre le champ de l'aimant permanent et celui de la bobine, mais ce n'est pas cette interaction qui fait bouger la bobine.

Par contre une chose m'échappe, en l'absence de courant dans la bobine, qu'est-ce qui définit la position de celle-ci dans la l'ensemble aimanté?

Un HP est un système masse-ressort avec excitation forcée. Les deux ressorts sont le spider et la suspension périphérique de la membrane (plus couramment appelée "bord"), et ce sont eux qui rappellent la bobine en position d'équilibre.

[aurelienbis]

Merci beaucoup!

D'accord, je croyais que le noyau et la plaque de champ étaient aussi aimantés, c'est pour ça que je croyais qu'ils se repousseraient au contact de l'aimant.

Tout ceci est beaucoup plus clair, mais du coup j'ai une nouvelle question;
Tu me dis que ce n'est pas le champ magnétique que créé la bobine qui créé la force, et que celui-ci n'est qu'un parasite. On a donc tout intérêt à avoir une bobine avec la plus petite inductance et la plus petite résistance possible, pourquoi les fabriquant vont de 2 à 8 ohms et n'essaient pas d'avoir la plus petite impédance possible?

Seconde question qui je pense est en rapport avec la précédente, j'ai du mal à me représenter le fait que se soit le courant qui interagisse avec le champ magnétique.
Est-ce bien cette formule qu'il faut utiliser?

C'est le qv vectoriel B qui créé donc la force qui va animer la partie mobile perpendiculairement au champ magnétique?

[phuphus]

Tu me dis que ce n'est pas le champ magnétique que créé la bobine qui créé la force, et que celui-ci n'est qu'un parasite. On a donc tout intérêt à avoir une bobine avec la plus petite inductance et la plus petite résistance possible, pourquoi les fabriquant vont de 2 à 8 ohms et n'essaient pas d'avoir la plus petite impédance possible?

Un haut-parleur est commandé en tension, et le courant qu'il appelle est fonction de son impédance (qui est très variable avec la fréquence). Plus l'impédance est faible, et plus le courant appelé est fort. Hors, un ampli possède à la fois une tension max et un courant max. Pour que tout ce petit monde cohabite correctement, il faut que les tensions et courants appliqués au HP restent dans des valeurs correctes. Je pense qu'il n'est pas aisé d'avoir 100W produits par une très forte tension et un faible courant ou à contrario une faible tension et un très fort courant, mieux vaut rester dans des valeurs "moyennes".

Dans le même temps, un haut-parleur doit assurer un certain débattement en basses fréquences. Dès que le bobinage sort de l'entrefer pour cause de grands débattements, ce débattement n'est plus assuré correctement puisque la bobine échappe au champ magnétique du moteur. Pour avoir un comportement correct, il faut donc avoir une hauteur de bobinage adaptée à la cible du HP (dans les fiches techniques des HPs, on peut voir un paramètre appelé "Xmax", qui est justement calculé à partir de la hauteur de bobinage et de l'épaisseur de la plaque de champ). La bobine ne peut donc pas être aussi courte que voulu, sauf dans des configurations dites "underhung" où l'entrefer est très haut et la bobine très courte. Ces configurations sont rares car elles sont peu performantes d'un point de vue magnétique.

Avant de continuer, petite correction de vocabulaire par rapport à ce que j'ai dit précédemment : B représente la densité de flux, c'est à dire la quantité de flux par unité de surface. Le flux total est l'addition de B au travers d'une surface donnée.

Je t'ai dit plus haut que le flux magnétique que l'on pouvait tirer de l'aimant dépendait des dimensions de l'entrefer. Plus l'entrefer est haut, plus on peut tirer de flux (baisse de la réluctance du circuit), mais plus il est dilué (donc augmentation du flux total mais diminution de la densité de flux). Plus l'entrefer est large, plus la réluctance du circuit augmente et donc moins on tire de flux de l'aimant. Pour avoir une bonne densité de flux dans l'entrefer (entre 1 et 1.5 T), il faut donc adopter des dimensions assez réduites. Manque de bol, il faut aussi loger la bobine dans cet entrefer.
Poussons la réflexion au maximum, et adoptons un entrefer très étroit. Le fil du bobinage sera donc très fin pour pouvoir passer dans l'entrefer. Hors, comme pour reproduire les basses fréquences il faut une bobine haute, alors nous aurons une longueur de fil très conséquente (fil fin bobine sur une grande hauteur). Un fil long et fin, ça a une résistance élevée.

Qu'à cela ne tienne, choisissons délibérément de faire un entrefer large avec un fil de grosse section histoire de minimiser la résistance au courant continu, tant pis si on perd du flux magnétique au passage.
Un HP est donc un système masse ressort amorti. A sa fréquence de résonance, le débattement n'est calmé que par l'amortissement. Plusieurs phénomènes entrent en jeu dans l'amortissement (le rayonnement du HP, la dissipation dans les suspensions, etc.), mais le paramètre prépondérant dans le cas d'un facteur de qualité raisonnable (inférieur à 1) est le facteur d'amortissement de l'amplificateur : c'est le ratio entre l'impédance du HP et l'impédance de sortie de l'ampli (je ne t'expliquerai cela en détails que si tu le demandes, j'en ai déjà assez dit pour ce soir ).

Pour pouvoir être correctement amorti, un HP ayant une impédance faible demandera donc un ampli avec une impédance de sortie extrêmement faible, ce qui est difficilement réalisable en pratique. Mieux vaut avoir une impédance du HP suffisante et pouvoir assurer l'amortissement du HP par l'ampli.


Conclusion : ces histoires de 2, 4, 8 ou encore 16 ohms sont affaire de nombreux compromis (volume de l'entrefer, taille du fil, hauteur de bobinage pour assurer le débattement, facteur d'amortissement avec le couplage à un ampli, etc.). Il y a peut-être des raisons plus fondamentales que j'ignore, je t'ai cité ici ce que je connaissais.

Seconde question qui je pense est en rapport avec la précédente, j'ai du mal à me représenter le fait que se soit le courant qui interagisse avec le champ magnétique.
Est-ce bien cette formule qu'il faut utiliser?

C'est le qv vectoriel B qui créé donc la force qui va animer la partie mobile perpendiculairement au champ magnétique?

Cette formule est celle de la force de Lorentz, qui n'est valable que pour une particule chargée en déplacement dans un champ magnétique et/ou électrique.
Dans la bobine d'un haut-parleur, il faut s'occuper de la force de Laplace. Wikipédia t'expliquera cela très certainement mieux que moi :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Force_de_Laplace
http://fr.wikipedia.org/wiki/Force_de_Lorentz

Dans tous les cas, il s'agit bien d'un produit vectoriel entre le courant et la densité de flux. Donc un flux radial combiné avec un courant circulant en cercle donne bien une force orienté dans l'axe du HP.

[aurelienbis]

Encore merci,
il ne me semble pas te l'avoir dit mais mon objectif est de fabriquer un haut parleur ainsi qu'un ampli intégré à l'enceinte, tes renseignements me sont très utile. Je vais glaner le plus d'informations possible sur ces histoires d'impédance de l'ampli et je reviendrai si jamais j'ai d'autres questions.