Pb champ magnétique

[invite9cfa3f9b]

Bonjour,

Je suis élève en école d'ingénieur électronique et je dois réaliser pour un projet la modélisation informatique d'un système mettant en oeuvre un électroaimant.
Voici ci dessous la représentation de mon problème :



Le matériau ferromagnétique est en fait entouré de plusieurs couches de spires. A droite, la plaque à attirer. Voici mon(mes) problème(s) :

D'une part j'ai utilisé des hypothèses me permettant de calculer l'inductance de ma self. Je tiens bien compte de la non linéarité de la perméabilité du noyau, mais la géométrie de la bobine (longueur équivalente à la largeur) ne me permet pas à mon avis d'utiliser la formule :

L=(mu_0xmu_r*N*S)/lg

mu_0 : perméabilité du vide
mu_r : // // matériau
N : Nombre de spires
S : surface du noyau
lg : longueur du noyau

Ensuite, je pense que le concept de champ magnétique pour moi n'est pas très clair. Je fais le calcul H=NxI/lg et j en déduis B=mu_0 x mu_r x H
Pour moi ce B calculé est la valeur du champ sur la ligne central traversant le noyau.

Ensuite qqchose n'est pas clair : j'ai lu a plusieurs reprise que comme le circuit magnétique n'est pas fermé, je ne peux calculer le flux Phi = BxS au sein du matériaux....ce concept m'échappe...

Ensuite (oui il y a bcp de choses pas claires) : je cherche une méthode pour calculer la force que pourra exercer mon electroaimant sur a plaque circulaire située à droite sur mon dessin.

J'ai vu la formule de picou etc mais j avoue que je n'étais pas tout a fait convaincu.

En somme je chercherais une méthode permettant de simplifier mon modèle afin de calculer les différentes caractéristiques de mon système : le paramètre final à déterminer étant la force qu'exercera l'electroaimant sur la plaque.

Le but est aussi de modéliser mon système sur ordi en rentrant les équations du problème, en pouvant paramétrer différentes choses : nbres de spires, dimension de la bobine, du noyau, distance initiale de la plaque a attirer etc... quelqu un pourrait me guider et éclaircir certains points qui me sont assez obscure ?

Je vous remercie par avance de l'attention que vous porterez à mon problème.

Bien cordialement,

coco86
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[phuphus]

Bonsoir coco86,

tu peux toujours t'amuser à essayer de résoudre ton problème analytiquement, mais à mon avis c'est peine perdue. Ton problème est axisymétrique, il se résout donc très facilement avec un code EF. La solution se trouve ici :

http://www.femm.info/wiki/HomePage

Tu pourras tout paramétrer très facilement (nombre de spires, distance aimant / plaque, dimensions, etc.). Je te conseille de déjà jouer un peu avec FEMM tout en faisant des calculs analytiques en parallèle, en :

- commençant par un circuit fermé, et constater que les formules de ton cours fonctionnent correctement
- ouvrant le circuit, en constatant que suite à cette ouverture le flux n'est pas "droit" dans l'entrefer créé, et que les fuites commencent à être présentes
- visualisant bien comment ces fuites modifient la réluctance globale du circuit telle que vue par la bobine, c'est à dire que le mu_r de ta formule ne peut plus être considéré comme intrinsèque au matériau, ou même comme un équivalent de deux résistances en série (le fer et l'air) puisque les lignes de flux commencent par passer un peu partout autour du circuit
- modélisant ton problème d'électro-aimant, et en constatant bien que dans ce cas, les lignes de flux occupant tout l'espace autour de la bobine et de la plaque, les formules de ton cours collent encore moins à la réalité

Si tu veux un peu d'aide pour faire un circuit basique, demande-moi.

je cherche une méthode pour calculer la force que pourra exercer mon electroaimant sur a plaque circulaire située à droite sur mon dessin.

Ca, analytiquement, c'est le plus délicat. La méthode classique des logiciels EF est d'intégrer le tenseur de Mawxell. La méthode classique analytique est celle des travaux virtuels, mais dans ton cas elle est inapplicable.

[invite9cfa3f9b]

Bonjour.

Tout d'abord merci pour votre réponse.

Donc si je comprends bien il n'y aura pas de méthode me permettant de calculer de manière simplifiée et approchée le champs magnétique vu par ma plaque. En fait, je dois coder mon système (electroaimant+alimentation electrique) en modélica. Si vous ne connaissez pas il s'agit d'un langage permettant d'entrer les équations d'un système. Le langage différencie les différentes unités, vérifie les cohérence de celles ci ce qui permet de créer des systèmes multiphysiques (méca couplée à de l'électricité couplée ac du magnétique etc...). Mon système doit permettre en sortie de donner une force.

Vous confirmez donc qu'il sera infaisable de trouver des relations me permettant d'approcher les résultats de manière acceptable en considérant la géométrie de mon problème (on peut dire que en très gros mon schéma est à l'échelle)?

Je comprends mieux en revanche à force de lecture que les calculs du champ magnétique peuvent se faire analytiquement dans le cas ou le circuit magnétique peut être modélisé par un circuit fermé (réluctance etc...) sinon => méthode outil numérique (éléments finis)

Je vous remercie pour le temps que vous prenez a prêter attention à mon problème.

Cordialement

coco86

[invite9cfa3f9b]

Et j'oubliais de vous remercier de m avoir indiquer le logiciel pour la modélisation de mon problème. J'essaie de le prendre en main. Si vous avez quelques pistes à me donner je suis preneur.

coco86

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite9cfa3f9b]

comme je pense que vous n avez pas vu mes réponses pour l instant je me permet de vous montrer les résultats d'une simulation que je viens de réaliser. Pensez vous que la modélisation est correct du point de vu géométrique ?



Cordialment,

coco86

[phuphus]

Bonsoir,

Donc si je comprends bien il n'y aura pas de méthode me permettant de calculer de manière simplifiée et approchée le champs magnétique vu par ma plaque. En fait, je dois coder mon système (electroaimant+alimentation electrique) en modélica. Si vous ne connaissez pas il s'agit d'un langage permettant d'entrer les équations d'un système. Le langage différencie les différentes unités, vérifie les cohérence de celles ci ce qui permet de créer des systèmes multiphysiques (méca couplée à de l'électricité couplée ac du magnétique etc...). Mon système doit permettre en sortie de donner une force.

Avant d'utiliser les éléments finis, j'alignais les mêmes équations que toi, et je rajoutais un coefficient de fuite dans le tout. Cela fonctionnait "à peu près" car les coefficients de fuite que j'avais à ma disposition étaient issus de nombreuses mesures sur des nombreux circuits magnétique, et en fonction du circuit étudié je choisissais au jugé le coef. qui me semblait le meilleur. Disons qu'avec cela, j'avais 10% d'erreur sur la prédiction de la densité de flux dans un entrefer. Par contre, je me vois mal prédire une force sur un élément ferromagnétique comme cela.

Vous confirmez donc qu'il sera infaisable de trouver des relations me permettant d'approcher les résultats de manière acceptable en considérant la géométrie de mon problème (on peut dire que en très gros mon schéma est à l'échelle)?

Je confirme plutôt que je ne sais pas le faire...

comme je pense que vous n avez pas vu mes réponses pour l instant je me permet de vous montrer les résultats d'une simulation que je viens de réaliser. Pensez vous que la modélisation est correct du point de vu géométrique ?

L'axe de symétrie de FEMM est vertical, il faut donc que tu renverses ta géométrie. Par ailleurs :
- pourquoi ta bobine est-elle en fer ? Il est possible de faire une bobine Cu avec noyau Fe dans FEMM
- as-tu suivi le tutoriel de magnétostatique de FEMM ? Il répond déjà à la moitié de ton problème
- il est inutile de mettre deux domaines aériens maillés différemment. Un maillage relativement fin et homogène ne doit de toutes façons pas plomber ton temps de calcul
- j'attire ton attention sur les conditions aux limites à mettre sur la frontière de ton domaine aérien pour simuler un espace infini : tu trouveras les détails dans le tutoriel de magnétostatique

Enfin, je voudrais juste te donner la bonne démarche. Tu as ici affaire à un calcul simple, qui normalement peut être fait "à la volée". Néanmoins, il faut que tu en profites pour prendre dès maintenant, sur cet exemple simple, de bonnes habitudes. Une erreur classique en éléments finis consiste à penser : "je vais modéliser la réalité telle qu'elle est, et le logiciel va me cracher en retour une solution forcément juste". Cela n'est pas le cas, un modèle EF est toujours une approximation et souvent une histoire de compromis entre précision / temps de calcul / occupation mémoire de la résolution du problème. Notamment, un modèle ne sera jamais plus précis que la précision des données que l'on y rentre. En général, la bonne démarche est donc la suivante :
- bien poser ton problème, et estimer la plage de variation de tous ses paramètres (nombre min / max de spires de la bobine, taille min / max de la plaque, différents matériaux pour la plaque, ...)
- mettre en oeuvre un certain nombre d'expériences qui vont balayer au mieux tes paramètres, de manière à border un "domaine de validité"
- construire autant de modèles EF que de cas d'expériences
- rentrer dans tous tes modèles des données homogènes, permettant à tous tes modèles de coller au mieux à toutes tes expériences

Ensuite, tu peux faire mumuse avec ton modèle pour, par exemple, optimiser une conception, en ayant conscience des moments où tu sors de ton domaine de validité constaté.

Pour ton problème, je pense qu'une seule manip suffit, mais elle est nécessaire : il ne faut surtout pas te contenter du seul modèle à priori. Surtout que la manip en question est simple : du fil de cuivre, une pile / alim, une barre de fer, une tôle, une balance, et c'est parti.

[invite9cfa3f9b]

Je me permet à nouveau de vous soumettre l'avancement de mon travail. Je pense que cette fois le problème est assez bien posé, il restera certainement quelques dimensions à ajuster mais je ne peux le faire de chez moi sans le système réel.




J ai fait plusieurs essais et fait déterminer au logiciel la valeur de mon inductance (pour le matériau Telar57s j ai rentré manuellement les valeurs B=f(H) ). J ai enlevé la plaque à attirer, fait varier la valeur de l'intensité du courant pour visualiser l'influence de la non linéarité de mon matériau etc... je tourne toujours autour de valeurs proches pour l'inductance.

Je pensais à une méthode d'évaluation que j'aimerai vous soumettre : Réaliser le même circuit mais en fermant complètement le noyau, ceci me permettrait de déterminer les paramètres de fuite de mon système.

Un autre doute subsiste : Il se trouve que ma bobine est directement reliée au secteur redressé. Le régime considéré ne peut donc plus être comme continu. Je vois mal comment visualiser le champ créé et l'influence que cela peut avoir. Pour l'instant je me suis dit qu'à une fréquence de 100Hz je pouvais me permettre de me placer en régime continu et réaliser plusieurs simulations pour différentes valeurs de courant, mais je ne suis pas sûr à 100%.

Je reste bien entendu ouvert à toutes suggestions et je continue mes recherches pour déterminer la force d'attraction exercée sur ma plaque.

Cordialement,

coco86

[phuphus]

Bonsoir coco86,

je vois que ton modèle a bien avancé . L'axe de symétrie est le bon, les lignes de flux font comme si elles se bouclaient à l'extérieur de ta frontière (c'est donc que les conditions aux limites sont les bonnes), les valeurs de quelques dixièmes de tesla me plaisent bien. Tu as vraiment 3000 tours sur ta bobine ? N'hésite pas à mailler un peu plus fin, avoir un seul élément dans l'épaisseur de la plaque, c'est trop juste.

J ai fait plusieurs essais et fait déterminer au logiciel la valeur de mon inductance (pour le matériau Telar57s j ai rentré manuellement les valeurs B=f(H) ). J ai enlevé la plaque à attirer, fait varier la valeur de l'intensité du courant pour visualiser l'influence de la non linéarité de mon matériau etc... je tourne toujours autour de valeurs proches pour l'inductance.

C'est bon signe, tu restes dans la zone linéaire. La valeur calculée de l'inductance peut être un bon moyen de recaler ton modèle : si l'inductance calculée est la même que l'inductance mesurée, c'est que la réluctance globale vue par la bobine est respectée. Cela donne déjà confiance. La difficulté ici, c'est de mesurer correctement ton inductance, c'est à dire dans les mêmes conditions que le calcul. Si tu le fais avec un multimètre qui fonctionne à 1kHz, tu peux avoir des différences à cause de l'effet de peau dans le noyau.

Un autre doute subsiste : Il se trouve que ma bobine est directement reliée au secteur redressé. Le régime considéré ne peut donc plus être comme continu. Je vois mal comment visualiser le champ créé et l'influence que cela peut avoir. Pour l'instant je me suis dit qu'à une fréquence de 100Hz je pouvais me permettre de me placer en régime continu et réaliser plusieurs simulations pour différentes valeurs de courant, mais je ne suis pas sûr à 100%.

En effet, 100Hz c'est une fréquence assez faible, tu dois pouvoir modéliser cela en continu. Sinon, tu peux :
- décomposer l'excitation redressée en série de Fourier (sans oublier la composante continue, qui sera prépondérante sur toutes les autres)
- évaluer, en fonction des amplitudes relatives des coefs de ta série de Fourier, si cela vaut le coup de considérer autre chose que la composante continue
- si cela vaut le coup, faire un calcul par harmonique (FEMM fonctionne à la fois en continu et en régime harmonique)
- appliquer le théorème de superposition, puisque tu as vu que tu restais dans la zone linéaire de ton noyau

Je reste bien entendu ouvert à toutes suggestions et je continue mes recherches pour déterminer la force d'attraction exercée sur ma plaque.

En post-traitement, tu peux sélectionner un domaine, et demander une intégrale nommée "Force via weighted Stress Tensor". Dans la réalité, une balance et c'est OK.

[invite9cfa3f9b]

Bonjour,

Mon modèle avance bien j'ai modifié un peu la géométrie de mon modèle pour que celui ci soit plus proche du système réel. Un problème subsiste : Une personne ayant fait des mesures sur le système réel, certain résultat ne concorde pas et bizarrement ca n'est pas sur la valeur de l'inductance mais sur celle de sa résistance "série". Je pense trouver la solution par moi même a ce problème mais il me vient une question : J'ai réalisé la simulation de mon système sous femm pour une fréquence de 50Hz. Des choses bizarres se passent : Lorsque je clic sur le bouton d'évaluation en post-traitement, j'obtiens des valeurs qui me semblent sorties d'une autre planète : Inductance à partie Imaginaire par exemple. De plus le paramètre Voltage/current me donne une partie imaginaire et une partie réelle. Normal me direz vous on est plus en continue. Oui mais voilà la partie réelle de mon impédance passe a 120Ohms contre 70 en continu !!!!! Comment est ce possible que la résistance Ohmique de ma self soit quasiment multipliée par 2 à 50Hz ????? Effet de peau à 50Hz ???? J'en doute...comment dois je interpréter ces résultats ?



Cordialemenent

[invite9cfa3f9b]

Je viens ajouter a cela un nouveau test : J'ai diminué le courant à 50Hz

0.2A : Resistance ohmique 60 Ohms
0.3A : 80 Ohms

En quoi la fréquence intervient elle dans ma résistance ohmique ???? Phénomènes d'inductions complexes ???

[phuphus]

Bonsoir coco86,

Inductance à partie Imaginaire

La conductivité électrique de ton noyau induit un déphasage entre le flux magnétique embrassé par la bobine et le courant. L'inductance complexe traduit ce déphasage.

Oui mais voilà la partie réelle de mon impédance passe a 120Ohms contre 70 en continu !!!!!

Il y a de nombreuses manières de modéliser une bobine. Une manière simple et accessible est le modèle LR-2 : ta bobine est modélisée par 3 éléments série :
- une résistance "R" (résistance au courant continu)
- une inductance pure "L" (inductance propre de la bobine)
- une association parallèle d'une résistance "R2" (nommée para-résistance) et d'une inductance "L2" (nommée para-inductance)

Lorsqu'un courant alternatif parcourt ta bobine, il y a création d'un champ magnétique variable autour de la bobine, qui à son tour induit des courants de Foucault dans le noyau. Ces courants de Foucault vont à leur tour créer un champ magnétique qui va influencer la bobine (c'est donc la para-inductance) et générer des pertes par effet Joule (c'est la para-résistance, qui amortit ta bobine).

Dans un noyau ferreux, la profondeur de peau à 50Hz est de l'ordre du mm. Les courants de Foucault vont donc se concentrer en surface du noyau, et éventuellement modifier les valeurs de R2 et L2 (mais en elles-mêmes, R2 et L2 vont déjà pas mal modifier les parties réelle et imaginaire de l'impédance en fonction de la fréquence). D'un point de vue mesure, tu devrais voir la valeur de l'inductance diminuer avec la fréquence, et la valeur de la résistance augmenter. C'est bien ce que tu constates sur les calculs entre DC et 50Hz.

D'ailleurs, on voit l'effet de peau dans ta pièce jointe : les courants de Foucault se concentrent en surface du noyau, ainsi que le flux. Tu peux le confirmer en demandant d'afficher en code couleur non pas la densité de flux mais la densité de courant (en mettant l'échelle qui va bien pour ne pas être pollué par la bobine).

0.2A : Resistance ohmique 60 Ohms
0.3A : 80 Ohms

Quelle est l'échelle sur la pièce jointe où tu montres la densité de flux ? Je pense que le noyau est saturé, et cette saturation provoque une augmentation de la para-résistance (je botte en touche pour l'instant pour l'explication de ce phénomène). Si tu t'amuses à refaire les calculs avec un matériau magnétiquement linéaire, tu ne verras aucune variation de la partie réelle de l'impédance.


je n'ai pas lu le document, mais je pense que tu pourras trouver plus de réponses ici :

http://ds44.free.fr/ventilxp/calcul-bobines.pdf

[invite9cfa3f9b]

bonjour,

mon problème est que j aimerai imposer une tension alternative redressée, et que l'ondulation de courant dans ma bobine oscille autour d'une valeur d'environ 3 ou 4 ampères, et est de 400mA. Finalement je me suis mis en régime alternatif avec un courant de 400mA mais il se trouvera donc que mon champ prendra lui aussi des valeurs alternatives.

Quand je met 50Hz dans l'onglet problème (je devrai d'ailleurs mettre 100Hz), c'est bien le courant qui est alternatif non ? Indépendamment de la tension. Je me demande donc si ca représente bien mon problème car finalement, mon courant en réalité est toujours positif (simple circuit R-L câblé à du 230 redressé double alternance).

Je dois fournir un modèle dynamique à un industriel pour un projet d'école, la partie magnétique devant être paramétrable et agissant sur un système mécanique (par le biais de l'électroaimant). Si je ne suis pas en mesure de déterminer un modèle proche de la réalité, le projet ne sera donc pas réalisé.

Merci pour votre attention.

coco86

[phuphus]

Bonsoir coco86,

Je dois fournir un modèle dynamique à un industriel pour un projet d'école, la partie magnétique devant être paramétrable et agissant sur un système mécanique (par le biais de l'électroaimant). Si je ne suis pas en mesure de déterminer un modèle proche de la réalité, le projet ne sera donc pas réalisé.

Le modèle magnétique ne posera pas de problème.

Quand je met 50Hz dans l'onglet problème (je devrai d'ailleurs mettre 100Hz), c'est bien le courant qui est alternatif non ?

Oui, c'est bien le courant.

simple circuit R-L câblé à du 230 redressé double alternance

Un redresseur avec une bobine de forte inductance en série (1.2 H, tout de même !), cela ne te fait penser à rien ?

mon problème est que j aimerai imposer une tension alternative redressée, et que l'ondulation de courant dans ma bobine oscille autour d'une valeur d'environ 3 ou 4 ampères, et est de 400mA. Finalement je me suis mis en régime alternatif avec un courant de 400mA mais il se trouvera donc que mon champ prendra lui aussi des valeurs alternatives.
[...]
Je me demande donc si ca représente bien mon problème car finalement, mon courant en réalité est toujours positif

En effet, cela ne représente pas du tout ton système.

En prenant un modèle simple R+L, avec R = 70 ohms et L = 1.2 henrys, et une tension 230 Vrms redressée, je trouve que le courant oscille entre 2.77 et 3.14V, avec une valeur moyenne à 2.96V. Tous calculs faits (décomposition en série de Fourier), la composante continue du courant est ... 27dB au dessus de la composante alternative !

Le courant étant toujours positif, la force sera juste légèrement modulée et tournera autour d'une valeur moyenne, à l'image du courant. Quand le courant est minimum, la force est minimum, et quand le courant est maximum, la force est maximum. La seule condition à laquelle la force moyenne ne peut pas être simplement déduite de cette situation est que tu sois sur le coude de saturation de ton noyau. Mais même comme cela, à -27dB de composante AC, pour moi les choses sont claires : tu es juste sur un problème DC. Pour rappel :

tu peux :
- décomposer l'excitation redressée en série de Fourier (sans oublier la composante continue, qui sera prépondérante sur toutes les autres)
- évaluer, en fonction des amplitudes relatives des coefs de ta série de Fourier, si cela vaut le coup de considérer autre chose que la composante continue

Je n'avais pas lancé cette idée au hasard.

la partie magnétique devant être paramétrable

Cela dépend de ce que veut ton industriel. Tu peux lui fournir le modèle FEMM qu'il modifiera au coup par coup, ou sinon tu peux faire un script LUA dans lequel les paramètres seront rentrés. La dernière solution est de coupler FEMM à Scilab ou Matlab, et là tu fais tout ce que tu veux. Tu pourras même aller jusqu'à compiler un programme Scilab avec interface graphique, le tout pilotant FEMM.

agissant sur un système mécanique (par le biais de l'électroaimant)

La composante DC a beau être 27dB en dessous de l'AC, elle n'en reste pas moins une excitation dynamique. Quelle est la nature du système mécanique ? Il ne faudrait pas qu'il possède une fréquence de résonance à 100Hz, par exemple.


De manière générale, j'aimerais connaître ta démarche. Qu'as-tu prévu pour vérifier ton modèle ? Juste des mesures d'inductance / impédance ? Si c'est cela, es-tu sûr que les mesures et les calculs sont faits dans les mêmes conditions ? Qu'as-tu prévu pour faire une comparaison calcul / mesure au niveau de la force exercée sur la plaque ? Es-tu allé plus loin dans la compréhension de ton électro-aimant, par exemple en regardant cela :

Si tu t'amuses à refaire les calculs avec un matériau magnétiquement linéaire, tu ne verras aucune variation de la partie réelle de l'impédance.

Enfin, quelles sont les conditions de déroulement de ton projet ? Charge horaire ? Jalons ? Es-tu encadré ? Qu'est-ce que tes professeurs avaient en tête lorsqu'ils ont accepté le projet ? Une feuille Excel avec des calculs analytiques ?? Bien entendu, je comprendrai si certains aspects de ton projet sont confidentiels.

[phuphus]

... correction de quelques coquilles dans mon message précédent :

je trouve que le courant oscille entre 2.77 et 3.14V, avec une valeur moyenne à 2.96V

2.77A ... 3.14A ... 2.96A

La composante DC a beau être 27dB en dessous de l'AC

La composante AC a beau être 27dB en dessous du DC...

[invite9cfa3f9b]

Nous trouvons les mêmes valeurs pour le courant.

Le but du projet est de modéliser un système entier. Il s'agit en gros d un systeme de frappe (deja existant). L'électroaimant actionne un levier.
Pour lors, l'industriel pose son système de manière intuitive grâce à son expérience. Ils aimeraient maintenant disposer d'un outil informatique leur permettant de le pré-paramétrer différentes valeurs (position initial du levier, masse en bout de levier, dimension de la bobine donc force d'attraction, etc... Les paramètres ne sont pas encore tous définit) en simulation afin d'obtenir la meilleur force de frappe possible et d'installer sur place directement leur système.

Nous modélisons grâce au langage modelica. C'est un langage permettant de modéliser un système multiphysique en définissant des blocs régis par des equations physique (pas d'algorithme comme traditionnellement, on se contente de donner à manger les équations régissant un système le compilateur fait le reste). Ceci est interessant car il devient bcp plus intuitif de réaliser une modélisation numérique d un système physique. Si cela vous interesse il existe un environnement gratuit de développement : OpenModelica. De plus il existe une comunauté Modelica et des tutos sont dispo. Le langage est rapidement pris (plus ou moins bien) en main.

L'échéance est vendredi aprem, mais je pense que mon systeme prend forme, je pourrai vous en parler plus en détail demain il est un peu tard pour ce soir. Niveau encadrement on doit autant que possible être autonome c'est un projet de derniere année d école d ingénieur (j'espère que cela ne vous fait pas peur de le savoir). Autonome signifie pour moi aussi savoir s adresser aux bonnes personnes et je vous remercie de prêter attention a mes problèmes et de partager votre expérience.

Cordialement,

COCO86

[phuphus]

Bonsoir coco86,

donc si je comprends bien cela t'arrangerait de rentrer juste une équation dans Modelica qui lui permettra de calculer la force d'attraction. D'où ta question :

Je pensais à une méthode d'évaluation que j'aimerai vous soumettre : Réaliser le même circuit mais en fermant complètement le noyau, ceci me permettrait de déterminer les paramètres de fuite de mon système.

Avec ce coefficient de fuite, tu auras le flux au centre de la bobine, mais pas la force exercée sur la plaque. Je pense que là, les éléments finis sont incontournables. De plus, le coefficient de fuite dépend de la géométrie et des caractéristiques de la bobine (notamment si on sature ou non le noyau), et il peut (éventuellement) varier dans des proportions inacceptables pour une conception correcte.

Donc là, c'est à toi de voir. Soit tu montres qu'un coefficient de fuite moyen sera valable pour tous les cas futurs envisagés de systèmes de frappe (tu dois donc border le domaine de validité de l'approximation que tu rentreras dans Modelica), et tu trouves un moyen de remonter à la force (ça peut être tout simplement une abaque rentrée dans Modelica... Mais ce serait décevant d'en arriver là), soit tu ouvres un peu ton sujet et tu réussis à intégrer FEMM dedans (à mon avis, il doit être largement possible d'interfacer tout ce petit monde).

Pourquoi avoir pris Modelica ? Il a été imposé dès le début ? Les choses sont-elles encore ouvertes ? Que pensent tes professeurs de tout cela ?

Ch'tite curiosité personnelle : la partie magnétique a l'air importante dans ton projet. Si c'est un projet type projet de fin d'études (typiquement 6 mois), pourquoi la question magnétique ne se pose que maintenant ? A moins que lorsque tu parles d'échéance, c'est juste pour présenter une faisabilité à l'industriel et non pour lui rendre le projet complet ?

[invite9cfa3f9b]

Bonjour. Il ne s'agit pas d'un projet de fin d'étude, ce projet a duré seulement 1mois (je commence le PFE dans 2 semaines). Il s'agit plus d'un projet d'école. La spécialité est mécatronique et systèmes complexes. Je travail avec un élève d'une école de mécanique. Il s'occupe d'ailleurs de la modélisation mécanique et je dois lui fournir la force initial créé par l'électroaimant.

L'utilisation de modélica a été imposée, peut être était ce ouvert mais à ce stade on ne changera plus.

Voici ma méthode. J'ai réalisé plusieurs simulation sous femm : à courant constant je fais bouger ma plaque entre ses deux valeurs max. Je fais calculer à femm la force exercée sur la plaque en intégrant le domaine (force via wieghted stress sensor, dont je ne connais même pas l'origine théorique). Je note les différentes mesures sous excel, je trace un graph et je fais approcher la courbe par un polynôme (je reste rêveur de l'époque où il n'y avait pas tout ces outils informatique...). Je fais la même chose en gardant une distance constante et en faisant varier mon courant de 0 à 3,2A (je note d'ailleurs que pour une force allant de 0 à 800N, la force est presque exactement égale au carré du courant même pour les plus fortes valeurs de champ (lorsque la plaque est en buté) avec une erreur de seulement quelques nioutons. Je vais mixer ces deux polynômes et normalement, du moins pour le modèle théorique, les valeurs de forces calculées sous modélica à l aide des polynômes seront juste (heureusement que les ordis sont sur 32 bits au moins car j ai des polynômes de degré 6 avec des coefficients allant jusqu'à 10 000 ).

Le problème c'est qu'il existe différents types de bobines pour presque chaque système de frappe. Avec ma méthode il me faudra donc tout refaire pour chaque cas. L'industriel a surement en tête d'avoir un produit fini mais le temps est limité. J'espère au moins pouvoir livrer avec mon binôme un modèle utilisable et fiable pour un système de frappe définit (celui dont je me sert depuis le début : 3000tours, courant de 3A fil de 0.45mm, mais il existe des 2000t avec du fil de 0.56mm et d'autre encore avec des noyaux de tailles différentes).

Un autre problème est que la plaque, en réalité, ne se présente pas de face par rapport à la bobine à part en buté. Celle ci est en fait fixée à un bras en liaison pivot et le tout n'est donc plus vraiment axisymétrique :



Sincèrement si on voulait un produit finit qui tient compte de toute les simplifications qui ont été faite, et adapté à chaque système de frappe, 3 semaines supplémentaires auraient été les bienvenues.

Il s'agit pour moi plus d'un projet scolaire, bien que j aime autant m impliquer dans ce projet d'une manière "professionnelle" (obtention de résultat et produit livrable). Le but est de présenter vendredi après midi le fruit de notre travail devant un prof et l industriel. C'est uniquement l'école qui nous note c'est comme une matière à valider donc après tout, l'essentiel est que j'aurai appris des choses.

En tout cas je devrai mettre votre pseudonyme sur mon rapport et sur le powerpoint de présentation, vous valideriez certainement la matière...
Je vous tiendrez au courant de ce qui aura été dit si cela vous intéresse.

Cordialement,

Coco86

[phuphus]

Bonsoir coco86,

juste quelques pistes, à toi de voir si tu auras le temps de les explorer avant vendredi.

Voici ma méthode. J'ai réalisé plusieurs simulation sous femm : à courant constant je fais bouger ma plaque entre ses deux valeurs max. Je fais calculer à femm la force exercée sur la plaque en intégrant le domaine (force via wieghted stress sensor, dont je ne connais même pas l'origine théorique). Je note les différentes mesures sous excel, je trace un graph et je fais approcher la courbe par un polynôme (je reste rêveur de l'époque où il n'y avait pas tout ces outils informatique...). Je fais la même chose en gardant une distance constante et en faisant varier mon courant de 0 à 3,2A (je note d'ailleurs que pour une force allant de 0 à 800N, la force est presque exactement égale au carré du courant même pour les plus fortes valeurs de champ (lorsque la plaque est en buté) avec une erreur de seulement quelques nioutons. Je vais mixer ces deux polynômes et normalement, du moins pour le modèle théorique, les valeurs de forces calculées sous modélica à l aide des polynômes seront juste

OK, donc finalement, tu as fait quelque chose qui ressemble à cela :

ça peut être tout simplement une abaque rentrée dans Modelica... Mais ce serait décevant d'en arriver là

avec deux équations te permettant de modéliser une table de données.

Par contre, je me permets d'insister sur ce point :

tu dois donc border le domaine de validité de l'approximation que tu rentreras dans Modelica

Dans le cadre de ton approximation, ton domaine de validité "idéal" serait l'ensemble des valeurs de position entre la position haute et la position basse, et l'ensemble des valeurs prises par le courant entre 0 et 3.2A. Ton domaine de validité réel est celui qui te donne une erreur acceptable entre ton modèle et la réalité.

Tu peux représenter toutes tes données force = f(position, courant) par une surface sur un graphe 3D, avec :
- la position en x
- le courant en y
- la force en z

Dans le plan xy, ton domaine de validité idéal est un carré. Pour l'instant, tu as juste calculé des valeurs se positionnant sur une croix inscrite dans ce carré. Il serait judicieux de parcourir ce carré, par exemple avec 25 points (5 points de courant et 5 points de position), et de :
- dans l'idéal tracer la surface force = f(position, courant) issue des mesures sur système réel
- tracer la surface force = f(position, courant) issue des calculs FEMM
- superposer la surface force = f(position,courant) issue de tes polynômes
- si nécessaire, construire un seul polynôme, au lieu de 2, mais avec les interactions (donc des termes en x^n*y^m), pour minimiser l'erreur sur toute la surface et non simplement sur ta croix actuelle. Un logiciel comme Matlab ou Scilab est capable d'une telle régression.

Un schéma de ma part serait plus démonstratif, mais je n'ai pas le temps de le faire.

Pour ta culture, tu peux te renseigner sur la notion de plan d'expérience, avec les tables de Tagushi et l'hypothèse de linéarité.

Le problème c'est qu'il existe différents types de bobines pour presque chaque système de frappe. Avec ma méthode il me faudra donc tout refaire pour chaque cas. L'industriel a surement en tête d'avoir un produit fini mais le temps est limité. J'espère au moins pouvoir livrer avec mon binôme un modèle utilisable et fiable pour un système de frappe définit (celui dont je me sert depuis le début : 3000tours, courant de 3A fil de 0.45mm, mais il existe des 2000t avec du fil de 0.56mm et d'autre encore avec des noyaux de tailles différentes).

Au moins pour la bobine, tu peux étendre ton approximation. A encombrement du bobinage égal, il n'y a pas de différence entre 2000 tours à 3A et 3000 tours à 2A : ta variable "primaire" n'est pas le courant mais les "ampère-tours".

Un autre problème est que la plaque, en réalité, ne se présente pas de face par rapport à la bobine à part en buté. Celle ci est en fait fixée à un bras en liaison pivot et le tout n'est donc plus vraiment axisymétrique :

Pièce jointe 172971

Sincèrement si on voulait un produit finit qui tient compte de toute les simplifications qui ont été faite, et adapté à chaque système de frappe, 3 semaines supplémentaires auraient été les bienvenues.

Peut-être que tu as déjà en tête ce que je vais écrire.

Une chose récurrente lors des soutenances de PFE auxquelles j'ai assisté, c'est l'argument : "nous n'avons pas pu faire cela par manque de temps". C'est un argument qui est vrai, mais je pense qu'il faut le tourner plus positivement, par exemple en présentant d'emblée les enjeux mis en face des contraintes du projet (notamment contraintes de temps et de moyens), de bien montrer que ce qui a été réalisé est bien dimensionné vis à vis de ces contraintes, et à la fin d'ouvrir sur les améliorations futures du système (Dire : "il faudra faire cela" plutôt que "on ne l'a pas fait par manque de temps" est plus dans une démarche industrielle), en pesant bien celles qui sont pertinentes de celles qui sont inutiles (si certaines simplifications du projet font déjà 95% du boulot, ce n'est pas la peine d'aller chercher plus loin pour l'instant).

Par exemple, il est possible d'aller chercher un code éléments finis 3D temporel dans lequel on rentrera la forme de la tension redressée. Mais si les mesures sur système réel montrent qu'il y a moins de 3% d'erreur entre la réalité et les calculs 2D et DC de FEMM, alors cette histoire de code 3D en temporel est une aberration.

Je vous tiendrez au courant de ce qui aura été dit si cela vous intéresse.

Assurément !

[invite9cfa3f9b]

Bonjour,

Donc en effet j ai opté pour la méthode ou en quelque sorte je me sers d'équations propre à mon système et retrouvé par les mesures FEMM pour les appliquer à mon modèle Modélica.

Pour ce qui est de la surface du domaine de validité je pense qu'il s'étend entre les valeurs extrêmes de mon système, je m'explique :

Ça n'est pas réellement une croix sur ma surface que j'ai tracé mais plutôt un "H" : J'ai pris les deux positions extrêmes que peut prendre mon sytème. Pour ces deux positions j ai fait varier le courant de 0 à 3,2A j obtient donc deux courbes. Pour ces deux courbes je remarque que la force est proportionnelle au carré du courant. J en déduit donc que ca sera le cas pour toute les positions intermédiaires. Mon argument pour cela est que les risques de voir cette proportionnalité disparaître viendrait d'une saturation du noyau, or j'ai fait les relevés pour la zone de ma "surface" ou le risque de voir apparaître ce problème est le plus fort : à fort courant et en buté (distance entre ma plaque et ma bobine = 0) avec un courant maximal. Même dans cette zone la relation F=a*I² est vérifiée.

Je trace ensuite la courbe pour I=3A et je fais varier ma distance : je délimite une nouvelle frontière de ma surface et je sais que quelque soit d, pour I=0, la force sera nulle ce qui me donne une 4eme frontière pour ma surface

Surface courant tension.png

En me plaçant pour I=3A à une distance d, je connais la force et si mon i=0,1A, par exemple, je fais F/3²= à la force pour 1A et je multiplie par 0,1². Cette méthode donne des résultats très proche des valeurs que je retrouverais sur FEMM.

Il est vrai qu'il serait plus propre de caractériser les éléments de mon système et de faire faire des calculs à partir de ceux-ci mais bon, je me dis que les résultats que j'obtiens correspondent à ce qu'on attend de mon modèle : il est capable de donner une force en fonction de paramètres qui ne sortent pas de ma surface de validité.

Pour comparer ces valeurs avec les mesures cela sera compliqué car le système dont je disposais pour établir mon modèle n'est pas celui qui est aussi étudié par une autre équipe de l'école.

Je me permet de vous envoyer un relevé courant tension que m'a fait parvenir l'industriel correspondant à mon système car deux choses m'interpellent :

Relevé tension et courant en frappe.png

Première chose, lorsque la plaque est attirée on aperçoit une chute du courant : questions que je me suis posée : Je l'interprète comme une chute de la résistance de la bobine mais je ne vois pas comment c possible.

Mon deuxième questionnement est : pourquoi lorsque la commande est relâchée, le système n'étant plus alimentée, on retrouve toujours une tension redressée au bornes de la bobine avec une valeur moyenne qui tend à etre nulle (ca me fait penser a une tension appliquée a une bobine parfaite, mais ce que je ne comprends pas c'est que la bobine est complètement débranché du réseau donc ce 50Hz correspondant au réseau me gêne...

Je vous remercie encore pour votre attention, vous avez été aussi présent et utile qu'un bon tuteur de stage l'aurai été.

Chtite curiosité de ma part maintenant : Etes vous ingénieur ou en électronique ?

Cordialement,

COCO86

[phuphus]

Bonjour coco86,

peut-être auras-tu le loisir de lire ceci avant ta présentation.

Donc en effet j ai opté pour la méthode...

...Pour comparer ces valeurs avec les mesures cela sera compliqué car le système dont je disposais pour établir mon modèle n'est pas celui qui est aussi étudié par une autre équipe de l'école.

OK, je vois que tu as pas mal de recul sur ce que tu fais

Il ne faut pas perdre de vue que le modèle que tu rentres dans Modelica colle bien aux valeurs renvoyées par FEMM, valeurs elles-mêmes issues d'un modèle. Normalement, l'industriel devra "réceptionner" votre travail, et valider chez lui les prédictions. C'est ce qui se fait classiquement dans le cadre d'une démarche qualité standard. C'est donc lui qui verra s'il est satisfait ou non des approximations faites, et qui décidera ensuite s'il met lui-même en oeuvre les améliorations que tu n'auras pas manqué d'évoquer lors de ta présentation, ou bien s'il fait continuer le projet par l'école. Si vous avez une Junior Entreprise, la bonne solution serait que ce soit toi qui continues ce projet par ce biais.

Première chose, lorsque la plaque est attirée on aperçoit une chute du courant : questions que je me suis posée : Je l'interprète comme une chute de la résistance de la bobine mais je ne vois pas comment c possible.

Si c'était une variation de résistance, le courant final serait différent de 2.96A. Ce qui se passe ici, c'est que les derniers (dixièmes de) mm de course du levier font fortement varier l'inductance de ta bobine, en fermant une partie du circuit magnétique (tu dois pouvoir le vérifier avec FEMM en traçant, en DC, L = f(position)). Cette variation d'inductance est rapide devant la constante de temps de ta bobine, ce qui fait que pendant ce temps la bobine n'accumule que peu d'énergie. L'énergie accumulée dans la bobine (ou plutôt dans le champ magnétique autour de la bobine) est de la forme L.I^2. La bobine n'accumule que peu d'énergie, cette énergie accumulée se conserve, donc si l'inductance augmente brusquement le carré du courant va diminuer d'autant. Tu peux voir que cette hypothèse est réaliste par le fait qu'après cette petite descente, la montée en courant se fait plus lentement : la constante de temps de la bobine a augmenté en même temps que son inductance.

Par curiosité, je m'amuserai à essayer de le simuler, je te mettrai les résultats dès que je les ai.

Autre manière (équivalente) d'interpréter les choses : pendant les derniers mm de course du levier, le champ magnétique varie énormément autour de la bobine et dans le noyau. Cette variation brusque induit un contre-courant dans la bobine qui vient s'opposer au courant issu du 230V redressé.

Mon deuxième questionnement est : pourquoi lorsque la commande est relâchée, le système n'étant plus alimentée, on retrouve toujours une tension redressée au bornes de la bobine avec une valeur moyenne qui tend à etre nulle (ca me fait penser a une tension appliquée a une bobine parfaite, mais ce que je ne comprends pas c'est que la bobine est complètement débranché du réseau donc ce 50Hz correspondant au réseau me gêne...

Je ne suis malheureusement pas électronicien (j'ai une formation en mécanique avec spécialisation en acoustique), mais je pense que si un électronicien passe par là il reconnaîtra d'emblée des choses familières. Voilà ce que je suppose :

La tension aux bornes de la bobine est mesurée via la voie 1 de l'oscillo, avec certainement un diviseur de tension. Le courant est mesuré via la voie 2, avec un shunt. La masse des deux voies de mesure est commune et reliée au neutre du 230V attaquant ton redresseur double alternance, et l'oscillo est réglé en masse flottante (désolidarisation de la masse des voies de mesure et de la terre de l'oscillo). Je pense aussi que l'interrupteur est situé sur la phase du 230, alors qu'il aurait fallu un contacteur sur la phase + le neutre. Lorsque l'interrupteur est ouvert pour relâcher la force exercée sur le levier, 2 des diodes de ton redresseur font office de diodes de roue libre, et sont donc passantes. A ce moment, la masse de la voie 1 de l'oscillo devient complètement flottante, et le + de cette voie 1 est sur un potentiel relié au 230V via les diodes rendues passantes par le courant rendu par la bobine. La masse étant flottante, elle s'équilibre naturellement sur la valeur moyenne du potentiel vu par le + de la voie 1 (avec peut-être en plus la tension aux bornes de la bobine = L.DI/Dt). Dès que le courant s'annule, les diodes du redresseur ne sont plus passantes et la tension vue par la voie 1 revient à 0 (le retour progressif à 0 vient, je pense, de la constante de temps de la dérive de la masse flottante).

Ce ne sont que des suppositions, l'électronique n'est vraiment pas mon truc.

Je vous remercie encore pour votre attention, vous avez été aussi présent et utile qu'un bon tuteur de stage l'aurai été.

La connaissance, c'est comme la bonne humeur : ça se multiplie quand on la partage

Chtite curiosité de ma part maintenant : Etes vous ingénieur ou en électronique ?

Ingénieur oui, mais pas en électronique.

[invite9cfa3f9b]

Bonjour,

Voici un résumé du prof. Je vous passe les commentaires concernant la présentation. Pour ce qui est de la démarche il a assez bien aimé, surtout du fait que je connaissais les limites de mon modèle, et que j'ai bien montré que j'avais conscience de ses possibles améliorations. J ai aussi pensé à parler d'autres méthodes qui aurait pu être utilisée, dont celle que vous m avez parlé (j'ai bien mentionné avoir été en contact avec un ingénieur sur un forum) Le sujet a en tout cas était très interessant et je vous remercie de votre précieuse aide qui m'aura fait apprendre plein de chose intéressante et enrichissante.

Cordialement,

COCO86