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Abandon du fil à mémoire

Jean-Luc — 2013-04-26T14:08:26Z

Après avoir réalisé une dizaine de prototypes : 2 actionneurs de dételeurs, 6 actionneurs d'aiguille et 2 actionneurs de sémaphores, j'ai décidé de ne pas utiliser cette technologie sur mon réseau. J'avais pourtant été convaincu par mes premiers essais mais j'ai changé d'avis. Voici pourquoi.

Revenons sur les avantages

Le FAM est séduisant car facile à mettre en œuvre. Il suffit d'un relai ou d'un interrupteur pour commander le mouvement. Il est donc bien adapté à une exploitation simple du réseau avec des commandes électriques.
Le FAM est d'un coût très raisonnable. Le prix varie de 15€ le mètre [1] à 6€20 le mètre [2].

Alors, qu'est ce qui cloche ?

Le rendement est médiocre. Si on se base sur les caractéristiques du fil Flexinol [3] on est aux alentours d'1mA à 1,2mA par gramme force de traction.
La force de traction est donc assez faible.
Le raccourcissement est très faible, 3%.
Comme les actionneurs nécessite un débattement plus important que le raccourcissement du fil, il est nécessaire de multiplier le débattement avec pour conséquence une force encore plus faible.

Le FAM n'est pas compatible avec des actionneurs de taille réduite

Prenons par exemple un actionneur d'aiguille pour mon échelle préférée, le N. Le débattement de l'aiguille n'est pas énorme : 2mm mais il faut un débattement plus important pour l'actionneur car de chaque côté, une partie du débattement de l'actionneur est utilisé pour plaquer les lames. Par conséquent, il faut compter 6mm de débattement effectif pour l'actionneur afin que les lames soient plaquées vigoureusement. Si, comme moi, on est aussi contraint par la place, il est nécessaire d'utiliser de faibles longueurs de fil à mémoire [4]. Les moteurs envisagés utilisaient 33mm de longueur et un racourcissement de 1mm et donc un rapport de 1:6 entre le débattement de l'actionneur et le raccourcissement du fil. Il en résulte que la force est divisée par 6, soit 55g force pour le fil Selectronic de 0,15mm de Ø. Comme le retour en position de repos est effectué par un ressort de rappel et si l'on veut une force identique de placage des lames à chaque fin de course, on a donc une force effective en bout de course de 27g.

Faire de petits moteurs a donc un impact important sur leur efficacité. Avec des forces aussi faibles, le moindre frottement, un mauvais alignement, une installation qui n'est pas impeccable, peuvent perturber notablement le fonctionnement de l'actionneur, ce que j'ai pu constater sur mes prototypes d'actionneur de sémaphore. De plus, la précision de la réalisation mécanique augmente de manière inversement proportionnelle à la longueur de fil utilisée.

Enfin, l'ajout de contacts de fin de course, qu'ils soient mécaniques ou, comme je l'avais envisagé, magnétiques, consomme aussi une partie de cette force.

La puissance dissipée

La puissance dissipée est importante et, en employant des régulateurs de courant de manière à limiter l'intensité en plaçant les FAM en série, la consommation est permanente. Prenons comme exemple le fil de 0,15mm de Ø vendu par Selectronic. Un actionneur d'aiguille utilisant 33mm de fil nécessitera donc une tension de 1V et consommera 300mA [5] soit une puissance de 300mW. Avec les soixante-dix d'actionneurs prévus sur mon réseau, on atteint environ 25W de puissance dissipée en permanence car quand le fil est au repos, c'est le régulateur de courant qui va dissiper l'excédent.

L'approvisionnement

Avec la disparition du fil Pro Rail, il ne reste plus que Selectronic comme fournisseur. Apogée Vapeur qui propose depuis peu un actionneur en kit [6], semble avoir trouvé un autre fournisseur mais rien ne dit que le fil sera disponible au mètre.

Conclusion

Séduisant au premier abord par sa simplicité de mise en œuvre, surtout si l'on veut garder une électronique ultra-simple, le FAM possède donc un certain nombre de contraintes et d'inconvénients. Pour toutes ces raisons, je me dirige maintenant vers l'emploi de servomoteurs. La suite bientôt.

[1] Fil Pro Rail de Jacques le Plat, aujourd'hui indisponible suite à la faillite de l'entreprise qui le fabriquait.

[2] Fil Flexinol distribué par Selectronic

[3] Voir les pages du site Selectronic correspondantes mais le fil Pro Rail présente les mêmes caractéristiques

[4] Et il a été montré dans cet autre article que le FAM devait être installé en direct, sans employer de réas de renvoi

[5] Courant mesuré et suffisant pour que le fil se contracte, Selectronic annonce un courant de 400mA

[6] 16 euros le kit tout de même, hem hem

Prototype de moteur d'aiguille : détection de fin de course par rupteur rotatif

Jean-Luc — 2012-10-29T12:52:41Z

La seconde alternative évoquée dans « Prototype de moteur d'aiguille, des pistes pour ajouter la détection de fin de course » consiste à utiliser ce microrupteur.

Microrupteur rotatif

Le moteur est assez facile à construire, il suffit de souder un « U » sur la palonnier qui va venir coiffer le levier. Comme le microrupteur fait contact avec un angle de 10° de part et d'autre de la position médiane, la détection est assurée.

cette vidéo montre le moteur décapsulé

Fonctionnement décapsulé

et celle-ci le moteur en fonction

Fonctionnement vu de dessous

Contre toute attente, le mécanisme fonctionne. Soit le ressort de rappel du microrupteur a une force inférieure à celle annoncé par le constructeur, soit le FAM a une force supérieure. Toutefois, la tension est importante et le mouvement hésitant. On note aussi une pause au milieu. En effet au début du mouvement, la force de rappel du microrupteur s'oppose à celle du ressort. L'effort est donc moindre pour le FAM. Une fois le point milieu passé, la force de rappel du microrupteur et celle du ressort s'ajoutent et le FAM peine à terminer le mouvement.

Pour finir une vidéo de l'aiguille

Fonctionnement de l'aiguille

A noter un embrouillamini dans la connectique du microrupteur. La documentation est peu claire et contradictoire. Comme j'ai négligé de tester avant de le souder, il y a comme un problème. Comme cette solution ne sera pas retenue, je ne vais pas creuser.

Prototype de moteur d'aiguille : détection de fin de course par lames de contact

Jean-Luc — 2012-10-20T22:31:29Z

La première solution pour la détection de fin de course des moteurs d'aiguille consiste à ajouter une paire de lames de contact de part et d'autre du bras du palonnier. Au repos, les lames sont séparées d'une très faible distance.

Lorsque le palonnier se positionne d'un côté ou de l'autre, il vient pousser l'une des deux lames qui établit alors le contact. Le palonnier doit être isolé des lames car il conduit le courant d'alimentation du FAM.

La vidéo suivante montre le fonctionnement du dispositif.

Fonctionnement de la détection de fin de course par lames de contact

La solution a l'avantage de la simplicité et du coût. Toutefois, les lames sont assez difficiles à régler. J'ai joué de la pince un petit moment avant de trouver le bon positionnement. De plus, elles jouent le rôle de butées, ce qui oblige à positionner le moteur de manière assez précise. Enfin, comme elles sont à l'air libre, il est possible que l'oxydation fasse mal vieillir les moteurs.

Prototype de moteur d'aiguille, des pistes pour ajouter la détection de fin de course

Jean-Luc — 2012-10-13T21:22:25Z

Avoir une détection de fin de course sur les moteurs d'aiguilles me semble indispensable pour au moins 3 raisons :

avoir un moyen de connaître la position effective de l'aiguille. Ceci est nécessaire pour garantir une certaine sécurité sur le réseau dans les parties cachées en mode manuel mais aussi dans les parties visibles en mode automatique ;
commuter l'alimentation du cœur des aiguilles. La polarité du coeur dépend de la position des lames de l'aiguille. Commuter l'alimentation du coeur sans connaître la position des lames conduirait à un court circuit ;
détecter le dysfonctionnement du moteur. Ceci peut venir d'un problème mécanique ou électrique. Évidemment si le problème mécanique se situe entre le moteur et l'aiguille, cette détection échouera.

3 solutions sont envisagées. Quelque soit la solution, elle consiste à ajouter des capteurs permettant de connaître la position du bras le plus long du palonnier, celui sur lequel la tige de commande est soudée. La solution doit être bon marché car le coût est multiplié par le nombre de moteur et dans mon cas il faudra une quarantaine de moteurs, chaque Euro compte. La construction doit être rapide car j'ai 40 moteurs à assembler et ce n'est pas la partie la plus intéressante de la construction d'un réseau.

Première solution : un microrupteur

Il s'agit d'utiliser un microrupteur du commerce. Parmi les microrupteurs disponibles, on écartera d'entrées de jeu les microrupteurs à levier car 2 sont nécessaires et leur taille est importante : 13 mm x 6 mm x 6,5 mm pour le modèle présenté ci-dessous. Le coût unitaire à partir de 50 pièces est d'environ 1 €, donc 2 € par moteur.

Microrupteur à levier

Un microrupteur rotatif a attiré mon attention. En effet, il possède un neutre central et deux contacts de fin de course, il est petit (9 mm de côté environ) et trouverait facilement sa place sous le palonnier. Enfin son coût est raisonnable : 67 centimes par 50 pièces.

Microrupteur rotatif

Quelque soit le microrupteur choisi, il faut faire attention à la force nécessaire pour l'actionner. Le microrupteur rotatif présenté ci-dessus nécessite une force maximum de 0,69 N (environ 70 g force) [1]. Or, le FAM [2] de 0,15 mm de diamètre développe une force de 330 g force mais agirait sur la microrupteur avec une démultiplication de 1/6. Il n'exercera donc qu'une force de 330 / 6 = 55 g. J'ai donc peu d'espoir de pouvoir réaliser une détection de fins de course par ce moyen sauf à employer un FAM de plus fort diamètre [3]. Comme les valeurs indiquées par les fabricants sont des maximum pour les microrupteurs et probablement des minimum pour les FAM, je vais tout de même réaliser un prototype « pour voir ».

Deuxième solution : une paire d'ILS

Les ILS [4] sont des interrupteurs qui établissent le circuit lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, généralement produit par un aimant. Il sont souvent utilisés en modélisme ferroviaire pour détecter la présence d'une machine à un endroit particulier du réseau. L'interrupteur est positionné juste sous les traverses et la machine est équipée d'un aimant placé entre les roues. Ici, il s'agirait de placer l'aimant sur le palonnier et de positionner un ILS de part et d'autre. Toutefois, étant donné le peu de place disponible, il est nécessaire d'employer des ILS de petite taille. L'idéal serait un ILS de 7 mm de long mais un ILS de 10 mm peut convenir. En effet, plus l'ILS est petit et plus il est cher. Avec des ILS de 7 mm, le coût est de l'ordre de 2€30. À cela, il faut ajouter le prix de l'aimant, environ 1€. Il est fort possible que ce dispositif soit difficile à réglé car, pour l'instant, je n'ai aucune expérience dans ce domaine et pas la moindre idée de la distance à laquelle l'aimant doit être pour coller l'ILS.

Mise à jour du 15/10 : J'ai reçu aujourd'hui quelques échantillons d'ILS et 2 aimants miniatures. Il s'avère que la zone « sensible » n'est pas le centre de l'ampoule mais l'une ou l'autre des moitiés. Ceci permet de caser des ILS de 14,5 mm de long qui sont moins chers. De plus, j'ai trouvé sur le site de Farnell des ILS de 15,25 mm meilleur marché (0,28 € HT pièce par 100). Ceci réhabilite la solution.

Troisième et dernière solution : des lames en laiton

La dernière solution est aussi la moins onéreuse. Il s'agit de placer de part et d'autre du palonnier une paire de lames en laiton, l'une plutôt rigide à l'extérieur et l'autre plutôt souple à l'intérieur. En se déplaçant le palonnier vient pousser la lame souple contre la lame rigide et établit le contact. La lame souple doit être isolée vis-à-vis du palonnier car ce dernier sert de conducteur pour alimenter le fil à mémoire. Le coût de cette solution est anecdotique mais elle demande sans doute un peu plus de travail dans la réalisation.

La suite

Deux platines correspondant à la première et à la troisième solutions sont en cours de réalisation. La deuxième solution nécessite quelques essais avant de placer les composants et sera mise en œuvre plus tard.

[1] C'est pourtant une des forces parmi les plus faibles pour ce type de composant. À titre indicatif, le microrupteur à levier nécessite 150 g force.

[2] Fil à mémoire de forme.

[3] En diamètre 0,25 mm le fil flexinol développe presque 1 kg force mais consomme 1 A.

[4] Interrupteur à lames souples.

Prototype de moteur d'aiguille

Jean-Luc — 2012-10-11T18:33:21Z

Les aiguilles visibles du réseau seront animées par des moteurs à FAM. Un premier avantage est le faible coût du dispositif. Dans un premier temps, j'avais prévu de garder les aiguille Arnold intactes en raccordant le moteur placé sous la table. Cela tirait un trait sur le 2e avantage de ce type de moteur : le déplacement lent. En effet, à l'intérieur de l'aiguillage, le levier déplace un petit ressort qui compressé en position centrale et détendu dans les deux positions extrêmes. Il en résulte un mouvement rapide avec un tic caractéristique.

Or, comme une bonne partie de ces aiguilles a été achetée d'occasion, le ressort est parfois assez fatigué. De plus, les pistes qui servent à connecter l'alimentation vers les voies et le cœur de l'aiguille peuvent être oxydées. Les aiguille sont donc assez peu fiables si je les laisse dans leur état d'origine.

J'ai donc pris la décision de les modifier. L'opération consiste à retirer la plaque métallique qui protège le ressort et le mécanisme de connexion électrique et à retirer également ces derniers. Ensuite on soude des fils entre les connexions et un fil sur le coeur de l'aiguille pour le ré-alimenter. Évidemment, l'aiguille perd sa fonction de coupure automatique des voies de garage et il faudra ré-alimenter le cœur séparément au moyen d'un relai.

Sur l'aiguille Arnold les lames sont d'une seule pièce. Un trou de 1mm de diamètre a été percé au centre de la pièce qui réunit les deux lames. Le moteur manœuvre, via un palonnier, une tige qui passe par ce trou.

Prototype de moteur d'aiguille

Sur la partie longue du palonnier, une tige commande les lames de l'aiguille. Le fil à mémoire, à droite, agit sur la palonnier et l'amène dans la position rouge. Un ressort de rappel, à gauche, ramène la palonnier en position verte lorsque le fil à mémoire se détend.

Une vidéo vaut mieux qu'un long discours.

Le moteur mesure 60mm sur 22mm et se monte avec la plus grand dimension dans le sens de la voie, ce qui permet d'en implanter 2 sur des voies parallèles, et a une épaisseur de 13mm mais une version plus fine est possible avec des entretoises de 5mm.

L'étape suivante consiste à ajouter une détection de fin de course.

Vive la ligne droite

Jean-Luc — 2012-08-29T17:33:00Z

J'étais parti sur l'idée que la fil à mémoire pouvait être courbé pour réduire l'encombrement du moteur (voir Courbons le circuit). Après avoir réalisé un moteur de dételeur muni de 2 réas, j'ai déchanté : Le débattement était bien en deçà de ce qui avait été calculé. Après plusieurs essais, il s'est avéré que c'était la forme du circuit qui influait sur le débattement. Non que le fil se contracte moins, c'est juste que cette contraction n'est pas équivalente à un fil que l'on tire et la présence des réas fait que seule la contraction du brin situé entre le dernier réa et le point de tirage est effective (les autres brins ont une contribution mais beaucoup plus faible). La vidéo qui suit montre cette différence.

Comparaison de débattement.

La première partie de la vidéo montre le débattement pour un fil à mémoire placé de manière rectiligne. La seconde partie montre l'influence d'un renvoi pour ce même fil à mémoire

Par conséquent, je vais me cantonner à des circuits rectilignes. Comme le fil a une grande précision, il suffit de le démultiplier de manière plus importante pour obtenir un grand débattement. Par ailleurs, il s'avère que d'empêcher la contraction n'endommage pas le fil. il est donc aisé de positionner une butée pour limiter le débattement tout en employant une longueur légèrement plus importante de fil.

Prototype de moteur de dételeur

Jean-Luc — 2012-06-19T06:27:27Z

Voici un premier prototype de moteur de dételeur utilisant un FAM [1]. Comme présenté dans « Courbons le circuit », le FAM passe par un réa en ABS afin de réduire la taille du moteur.

Les dételeurs Arnold sont constitués d'un socle métallique présentant entre les rails un logement où un sabot en plastique vient d'insérer.

Dételeur Arnold

En haut avec le sabot en place, en bas avec le sabot déposé.

Dans la version de série, une tige métallique actionnée par le moteur électromagnétique vient soulever le sabot. Dans la version modifiée, une nouvelle tige métallique remplit le même rôle mais passe sous la plateforme de voie. Le but est d'avoir un moteur invisible et au fonctionnement plus doux. La tige est poussée par un palonnier permettant de démultiplier la course du FAM.

Sabot du dételeur

vue de profil

Dans le principe, le prototype fonctionne de manière satisfaisante comme en atteste la vidéo ci-dessous mais je voudrais améliorer plusieurs points :

Réduire encore son encombrement au minimum ;
Protéger le mécanisme de la circulation de l'air. Cela peut empêcher le FAM d'atteindre sa température seuil ;
Améliorer la jonction entre la tige de commande et le palonnier car mettre le ressort de rappel en place en rampant sous le réseau peut s'avérer délicat.

Prototype de dételeur

[1] Fil à mémoire de forme

Courbons le circuit

Jean-Luc — 2012-06-17T07:58:25Z

J'étais parti avec l'idée que le FAM [1] devait être installé en ligne droite. Or, le FAM est tout à fait souple comme du fil de pêche en nylon. Il est donc possible de lui faire suivre un circuit.

Cet agencement à deux intérêts principaux :

Il favorise la compacité du moteur. En effet, la longueur de FAM nécessaire pour la plupart des réalisations est de l'ordre de 75 à 100mm. En N, où la place est souvent comptée, il est nécessaire de pouvoir adapter facilement le moteur à l'espace disponible.
Il permet de faire des renvois d'angle sans mécanique additionnelle. Par exemple, pour un signal mécanique, la tringle doit être tirée selon une direction verticale. En faisant passer le FAM dans un réa, le moteur peut être monté horizontalement.

Toutefois, il faut tenir compte du fait que la contraction du FAM est obtenue en le chauffant. Si le réa est fabriqué dans un matériau conducteur de la chaleur, il risque d'empêcher le FAM d'atteindre sa température de seuil ou de ralentir la montée en température et donc perturber sa contraction. Les réas doivent donc être fabriqués dans un matériau plastique quelconque.

Mais il faut éviter que le FAM stresse le plastique lorsqu'il est chaud. L'expérience montre que cela fonctionne parfaitement avec de l'ABS dont la température de fusion est de 130°C. Toutefois, la température d'utilisation est de 65°C et pour garantir une bonne tenue dans le temps, je vais plutôt m'orienter vers des réas en Téflon dont la plage d'utilisation s'étale de -200°C à +260°C pour une température de fusion de 325°C

Circuit de fil à mémoire avec réa en ABS

[1] Fil à mémoire

Test du fil à mémoire Flexinol

Jean-Luc — 2012-06-09T21:33:32Z

Sur mon réseau, j'ai prévu de manœuvrer les aiguilles visibles, les sémaphores et les dételleurs avec des fils à mémoire. Je suis au début de la conception et j'essaye d'abord de caractériser ces composants.

J'ai commandé il y a 2 semaines du fil a mémoire Flexinol® vendu en France par SELECTRONIC. Le matériel est arrivé en 48 heures mais, faute d'alimentation régulée en courant, j'avais remis à plus tard les premières expérimentations.

J'ai reçu mon alimentation de labo aujourd'hui (eh oui, je m'équipe) et j'ai pu mettre en place un petit banc d'essai.

Le modèle testé est le suivant. La température seuil est de 90° avec une force de 330g et un Ø de 0,15mm. Contrairement à ce que pourrait laisser penser le site de Selectronic, il n'y a pas à l'étirer avant utilisation. Il est prêt à fonctionner comme le fil Prorail.

J'ai monté le fil avec une longueur de 72mm entre les deux cosses d'alimentation avec un petit ressort de rappel commandé chez Micro-Modèles qui, test fait, est suffisant pour manoeuvrer mes aiguilles. Le courant de 400mA indiqué sur le site de Selectronic provoque une contraction assez rapide alors que la relaxation est assez lente. Je suis descendu à 280mA pour avoir des temps de contraction/relaxation comparables : environ 3 secondes

La variation de longueur est d'environ 2mm, soit 2,77%

Je vais commander d'autres échantillons : du fil plus fin, de 0,10 mm en température de seuil 70° et 90° (1m de chaque) pour essais. Peut-être les temps sont-ils différents. Par ailleurs, le fil de 0,1 est annoncé à 180mA. Peut-être est-il possible de l'alimenter dans le le même rapport que celui de Ø 0,15 (c'est à dire 280/400 = 0,7 x 180 = 126mA) et obtenir un bon résultat en consommant moins.

Mise à jour : Afin de calibrer plus précisément la variation de longueur, j'ai réalisé un montage de 50cm de fil à mémoire. La contraction mesurée est de 15mm, ce qui donne très exactement 3% comme c'est indiqué sur la site de SELECTRONIC.