Fil Wiegand dans un boîtier SMD avec bobine génératrice de courant.

De nouvelles façons de mettre en œuvre le merveilleux fil Wiegand

En un coup d’oeil:

  • Ce qui rend l’effet Wiegand intéressant, c’est que la force de cette impulsion est pratiquement constante.
  • Les minuscules capteurs Wiegand, emballés sous forme de composants SMD, sont couramment utilisés dans les codeurs multitours pour les applications de compteurs de gaz et d’eau.
  • Une initiative de R&D, parrainée par le fabricant de capteurs Posital et le ministère allemand de la science et de la technologie, vise à augmenter considérablement la production d’énergie des capteurs Wiegand.

Un fil Wiegand est un petit morceau de fil ferromagnétique avec une caractéristique spéciale – presque magique -: lorsqu’un échantillon magnétisé du fil est exposé à un champ magnétique variable (tel que le champ créé par un aimant en mouvement), il conservera son champ magnétique initial. polarité jusqu’à ce que le champ externe atteigne un certain seuil, puis «bascule» brusquement vers la polarité opposée. Cette inversion de polarité magnétique a lieu en quelques microsecondes et induira une impulsion de courant électrique dans une fine bobine de cuivre enroulée autour du fil Wiegand.

Ce qui rend l’effet Wiegand intéressant, c’est que la force de cette impulsion est pratiquement constante, quelle que soit la vitesse à laquelle le champ magnétique externe change. Alors que les dynamos simples sont efficaces pour convertir le mouvement rotatif en énergie électrique, leur puissance de sortie dépend de la vitesse de rotation; lorsque la dynamo tourne très lentement, les niveaux de puissance peuvent être trop faibles pour être utiles. Cependant, avec un fil Wiegand, la force de l’impulsion électrique générée à chaque changement de polarité magnétique est constante, quelle que soit la vitesse ou la lenteur du changement de champ magnétique externe.

Cette propriété unique a rendu le fil Wiegand utile pour une variété d’applications intéressantes. Les impulsions peuvent être utilisées pour marquer avec précision les changements dans un champ magnétique (rapide ou graduel); produire de petites quantités d’énergie électrique, mais utiles; ou comme source à la fois de signaux et d’énergie. Parce que les échantillons utiles de fil Wiegand sont si petits – moins de 1 mm de diamètre et 15 mm de long – il est facile de concevoir différentes relations entre le fil et le champ magnétique, y compris l’aimant statique / fil mobile, fil statique / aimant mobile et fil statique / électroaimant connecté à une source de courant alternatif.

Fil Wiegand dans un boîtier SMD avec bobine génératrice de courant.Positale

Fil Wiegand dans un boîtier CMS avec bobine génératrice de courant

Une des premières applications commerciales de l’effet Wiegand était les cartes d’accès pour les systèmes de sécurité. De courtes longueurs de fil Wiegand ont été intégrées côte à côte dans le corps des cartes en plastique. L’espacement entre ces morceaux de fil serait différent pour chaque carte et épelerait un code binaire unique. En cours d’utilisation, une carte serait passée dans un lecteur de carte contenant des aimants permanents agencés pour déclencher des inversions de polarité dans les fils Wiegand.

En détectant ces changements de polarité, le dispositif pourrait lire le numéro codé et décider d’accorder ou non l’accès au propriétaire de la carte. Le lecteur fonctionnerait efficacement quelle que soit la vitesse à laquelle la carte a été glissée. Cette technologie a été utilisée avec succès pendant plusieurs décennies avant d’être supplantée par la technologie RFID.

Des fils Wiegand ont également été utilisés pour déclencher des comptages de rotation pour les compteurs de gaz et d’eau. Ici, un aimant attaché à l’arbre d’une roue à aubes déclencherait des inversions de polarité – et des impulsions d’énergie électrique – dans un morceau de fil Wiegand. L’avantage particulier du système Wiegand est que chaque révolution de la roue déclencherait deux impulsions électriques distinctes, quelle que soit la vitesse de rotation.

Une extension de ce système est utilisée dans les codeurs rotatifs multitours utilisés pour mesurer les déplacements angulaires dans les machines. Dans ce cas, l’énergie électrique générée par le système Wiegand est également collectée pour activer des circuits de comptage à haut rendement. Chaque rotation complète de l’arbre du codeur est détectée et enregistrée, même lorsqu’aucune alimentation externe n’est disponible. Cela élimine le besoin d’alimentation de secours des batteries et rend ces appareils sans entretien.

Les capteurs utilisent l'effet Wiegand pour générer une impulsion cohérente lorsque la polarité du champ magnétique s'inverse et fournit de l'énergie pour les applications à faible puissance.Les capteurs utilisent l’effet Wiegand pour générer une impulsion cohérente lorsque la polarité du champ magnétique s’inverse et fournit de l’énergie pour les applications à faible puissance.Positale

Les systèmes Wiegand peuvent également être utilisés comme capteurs de proximité, où la présence d’un grand corps ferromagnétique déforme suffisamment le champ magnétique autour du fil Wiegand pour déclencher une inversion de polarité.

Avantages des capteurs Wiegand

L’effet Wiegand ne nécessite aucun contact mécanique entre la source de champ magnétique variable et l’ensemble de fils Wiegand. Il n’y a pas d’usure et les systèmes Wiegand fonctionneront de manière fiable pendant des milliards de cycles. Sans pièces mobiles sur le capteur lui-même, ils sont physiquement robustes et peuvent fonctionner efficacement sur une large plage de températures. Dans les applications de comptage, les événements de déclenchement peuvent être des fréquences différenciées jusqu’à 33 kHz.

Développements futurs

Certains fabricants ont exprimé leur intérêt à utiliser des compteurs basés sur Wiegand pour suivre les cycles de fonctionnement des équipements, tels que les grandes portes industrielles, où l’historique d’utilisation est important pour la planification de la maintenance prédictive.

À l’heure actuelle, la sortie d’un fil Wiegand est modeste – environ 200 nanojoules d’énergie pour chaque inversion de polarité. Une des clés pour étendre l’utilité de la technologie est une augmentation significative de la puissance de sortie. Une initiative de R&D parrainée par le fabricant de capteurs Posital et le ministère allemand de la science et de la technologie vise à augmenter la production d’énergie des capteurs Wiegand d’un ordre de grandeur. Ceci, combiné à l’émergence de puces électroniques ultra-efficaces et de technologies de communication sans fil à faible puissance, ouvrirait la porte à une nouvelle génération d’instruments autosuffisants en énergie et sans entretien qui peuvent fonctionner comme des nœuds sur l’Internet des objets industriel (IIoT )

Cela pourrait signifier des milliers de capteurs intelligents répartis dans une usine, collectant des données pour la surveillance et l’optimisation des processus. Si ces appareils peuvent récolter l’électricité dont ils ont besoin directement à partir de l’exploitation ou des machines qu’ils surveillent, il y aura d’énormes avantages à simplifier le déploiement du réseau et à éliminer le besoin d’installer, d’inspecter et d’éliminer un grand nombre de batteries de secours.

Les utilisations futures de l’effet Wiegand vont au-delà des capteurs et des réseaux. Dans un domaine totalement différent, les chercheurs explorent la possibilité d’utiliser des capteurs Wiegand pour recharger des batteries dans des dispositifs biomédicaux implantés dans le corps d’un patient. Ici, un champ magnétique alternatif externe déclencherait des impulsions de courant dans un système Wiegand attaché à la batterie. Étant donné que l’effet Wiegand fonctionne efficacement sur une large gamme de fréquences, le champ magnétique alternatif pourrait être réglé sur une fréquence qui transmettrait efficacement l’énergie. Cela contournerait une limitation des ondes électromagnétiques de radiofréquence qui sont fortement atténuées par les tissus vivants.

L’effet Wiegand est une option intéressante pour la génération de signaux et la récupération d’énergie. C’est une technologie éprouvée avec des propriétés uniques qui en font une solution viable pour de nombreuses nouvelles applications imaginatives.

Tobias Best travaille au FRABA Pte, Singapour.


Le cycle de Wiegand

Dans le cycle de Wiegand, un champ magnétique peut «basculer» vers la polarité opposée.Dans le cycle de Wiegand, un champ magnétique peut «basculer» vers la polarité opposée.Positale

UNE. Au début du cycle, la polarité magnétique de la coque externe et du noyau interne est la même.

B. Lorsque le fil est exposé à un champ externe modéré dans la direction opposée, la couche externe du fil protège le noyau et les deux conservent leur polarité magnétique d’origine. Cependant, lorsque la force du champ externe atteint un seuil critique, l’influence de cet effet de blindage est dépassée et la polarité du noyau du fil s’inversera soudainement. Ce changement soudain de polarité crée une impulsion de courant dans la bobine entourant le fil.

C. La combinaison du champ externe de renforcement et de la polarité inversée du noyau interne provoque également une inversion de la polarité magnétique de la coque externe.

RÉ. Lorsque le champ externe diminue, le fil conserve sa nouvelle polarité.

E. Lorsque le champ externe (maintenant inversé) atteint le seuil critique, le matériau du noyau du fil Wiegand reviendra à sa polarité d’origine, produisant une impulsion de courant dans la bobine environnante.

F. Ceci est suivi rapidement par une inversion de la polarité du noyau externe. Le fil est maintenant de retour dans l’État A.

Articles similaires

Commencez à saisir votre recherche ci-dessus et pressez Entrée pour rechercher. ESC pour annuler.

Retour en haut