Matériaux Magnétques en génie électrique
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Matériaux Magnétques en génie électrique Lionel LAUDEBAT [email protected] Matériaux du génie électrique Courant faible : électronique – Transmission – Traitement de l'information Courant fort : énergie électrique – Génération de l'électricité – Transport – Transformation • Elect / élect (Niveau de tension, AC/DC, DC/AC etc.) • Elect / autre (méca, chimie, thermique etc.) 2/39 Objectfs généraux Matériaux du génie électrique – Conducteurs – Isolants – Magnétiques Matériaux magnétiques – Historique – Matériaux magnétiques et applications 3/39 Matériaux du génie électrique Courant faible : électronique – Transmission Conducteurs Isolants – Traitement de l'information Semi-Conducteurs – Stockage Semi-Conducteurs Magnétiques Courant fort : énergie électrique – Génération de l'électricité Magnétiques – Transport Conducteurs Isolants – Transformation Magnétiques Semi-Conducteurs • Elect / élect (Niveau de tension, AC/DC, DC/AC etc.) • Elect / autre (méca, chimie, thermique etc.) 4/39 Matériaux du génie électrique 5/39 Conducteurs Métaux ou alliages métalliques Caractérisés par – Faible résistivité électrique : < 10-6 W .m – Bonne conductivité thermique 100 W/(m.K) – Influence de la température • Résistivité électrique (+30 % élévation de 100°C) • Dilatation linéique : qq mm/m pour 100°C 6/39 Conducteurs les applicatons Transporter le courant – Le Cuivre – L'Aluminium Contacts – Dureté / Oxydation • Or, Platine et Argent – Brasure • Etain, Argent, Titane 7/39 l R=ρ S Isolants Organiques ou minéraux : Solides/liquides/gazeux Propriétés – Forte résistivité électrique – Tenue en tension : rigidité électrique (kV/mm) Assure fonction d'isolant électrique – Isolants Assure fonction de stockage électrostatique – Diélectriques 8/39 Isolants Fil émaillé Résine + mica Condensateurs PCB Semi-Conducteur Disjoncteur (SF6) PE 9/39 Isolants Isolateurs Porcelaine/verre Verre-Silicone Gel Silicone Transformateur huiles Isolant Céramique 10/39 Pistes Cu Connexion Al Isolants solides Origine minérale – Céramiques – Verre-Silice – Mica (silicate d'aluminium et de potassium) – Quartz Origine Organique – Caoutchouc – Plastiques thermodurcissables / thermoplastiques 11/39 Isolants Plastiques – Résines Epoxy – Résines ou gommes Silicones – PolyChlorure de Vinyle (PVC) – PolyEthylène PE (PEN, LDPE, XPLE) Gaz – Air (sec) – SF6 Liquides – Huiles minérales – Huiles silicones / ester synthétique / végétale 12/39 Magnétques Magnétisme, c'est quoi ? Historique Matériaux magnétiques en GE 13/39 Magnétsme Def – Le magnétisme représente un ensemble de phénomènes physiques dans lesquels les objets exercent des forces attractives ou répulsives sur d'autres matériaux. 14/39 Historique du magnétsme Grèce – Attribut découverte à Thalès de Milet (Vieme av JC) – Pierre provenant de Magnésie capable d'attirer le fer Chine – Xieme les propriétés d'orientation → Feng shui, boussoles. Mais aussi Mésopotamie, Am. Sud 15/39 Magnétque lié à l'électricité Electroaimant – Oersted 1820 – Faraday 1821 (démo) Générateurs et moteurs continus – 1870 continu Gramme – Puis Alternatifs (Tesla, Siemens etc.) 16/39 Utlisatons des matériaux magnétques Etape dans la transformation de l'énergie – Electrique vers Mécanique • Moteurs électriques (démo aimant) • Hauts parleurs – Mécanique vers Electrique • Générateurs (99 % de la production d'électricité) (démo) • Microphone – Electrique vers Electrique • Transformateurs – Basse tension (ERDF) – Haute tension : électronique de puissance (carte puissance PC, alimentation VE, métro, train etc.) • Sondes de courant (« mini transformateur ») 17/39 Magnétsme d'un point de vue physique Notions physiques – Excitation magnétique H (A/m) – Induction magnétique B (T) – Aimantation M (A/m) ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ B=μ 0 ( H+M)=μ 0 μr H • Perméabilité du vide µ0 (H/m) • Perméabilité relative µr du matériau 1 l • Réluctance magnétique R= μ S Structure électronique => propriétés magnétiques 18/39 Matériaux aux propriétés magnétques Tableau mendeleïev : Terres Rares 19/39 Propriétés magnétques Matériaux Diamagnétiques – Propriété générale de la matière : lors de l'apparition d'un champ magnétique, les électrons accélèrent ou ralentissent → Apparition d'un moment magnétique s'opposant au champ de faible valeur (Paul Langevin 1905). • Pas matériaux magnétiques. Paramagnétismes – Légères propriétés d'aimantation dans le sens d'une excitation magnétique H. 20/39 Propriétés magnétques Matériaux Ferromagnétiques – Structures microscopiques homogènes dans le matériau (domaine de Weiss) Par Gorchy — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php? curid=4459327 H 21/39 Cycle d'Hystérésis B (T) Br de 0,4 à 2,4T Br Magnétiques doux Br de 0,2 à 1,2T H (A/m) Hc Hc qq 10A/m Aimants permanents 22/39 Hc qq 105 à 106 A/m Propriétés des Matériaux Ferromagnétques Perméabilité µr ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ B=μ ( H + M )=μ μ H 0 0 r – « Capacité » du matériau à canaliser les lignes magnétiques • De 100 à 500 000 (µmax : alliage FeNi) Induction Magnétique de saturation Bmax – Fe, FeSi, FeCo : 2 T – AlNiCo, TR, nanocristal, FeNi : 1 T – Ferrites : 0,4 T Propriétés pour matériaux doux 23/39 Propriétés des Matériaux Ferromagnétques Champ Magnétique Coercitif Hc – « résistance à la désaimantation » – 100 A/m pour matériaux magnétiques doux – Hc > 10 000A/m pour les aimants • 100 000 Ferrites ou AlNiCo • 1 000 000 TR Température de Curie – Pertes des propriétés, Tmax • Aimants plus sensibles que matériaux doux • Ferrites = 200°C, Nd = 100°C, AlNiCo = 500°C 24/39 Matériaux Magnétques 2 familles – Matériaux magnétiques doux • Favorise la circulation du champ magnétique : Transformateurs, Bobines, moteurs – Matériaux durs : Aimants • Actionneurs 25/39 Matériaux doux Utilisations – Canalisation des lignes de champ magnétique Rotor Bobinage Choix en fonction • Aspect mécanique • Aspect thermique • Aspect économique 26/39 Stator Matériaux doux ferreux Fe et ses dérivées – FeSi, Aciers FeNi & FeCo – Sidérurgie « traditionnelle » – Massif, tôles épaisses et minces Métal abondant (derrière Si et Al) Excellente tenue en T° Dopages – Si (qq%) : augmente la dureté et la résistivité élect – Ni (30 à 80 %) : augmente perméabilité – Co (20 et 60%) : augmente B et T°, Rélect 27/39 Applicatons Fe FeSi pour usages électriques – Grains orientés (anisotropie) : Transformateurs (25%) – Isotrope : Machines tournantes (75%) FeNi – Disjoncteurs, transformateurs impulsionnels FeCo – Electroaimants, circuits massifs 28/39 Amorphes et Nanocristaux Amorphes : « verre métallique » : rubans – Fe, B, Si – Riche en Fe • B élevé (Transformateurs) – Riche en Ni Co • B faible mais Rélect élevée (Capteurs, Blindage) Nanocritaux : finement – Matrice amorphe FeBNb + nano particules FeSi : Rubans – B=1,5T, Hc faible, pertes faibles, T° éléve mais fragile 29/39 Ferrites doux Ferrites – Poudres frittées ou liées – Oxyde de Fe + … – Frittage 1200-1400°C Atm Propriétés – Fragiles, B Faible – Rélect très élevé Applications – Hautes fréquences à partir de 1kHz … plusieurs MHz 30/39 Synthèse : comportement fréquentel Afef Lebouc Electromagnétisme et matériaux magnétiques doux ENSIEG-INPG 31/39 Cycle d'Hystérésis B (T) Br de 0,4 à 2,4T Br Magnétiques doux Br de 0,2 à 1,2T H (A/m) Hc Hc qq 10A/m Aimants permanents 32/39 Hc qq 105 à 106 A/m Aimants permanents Historique industriel – Premiers aimants industriels résistants bien à la désaimantation Aciers Cobalt 1920 – AlNiCo 1930 : premiers moteurs à aimant – Ferrites durs 1950 : maitrise du frittage (faible coût) – SmCo 1960 – NdFeB 1980 B.Multon Application des aimants aux machines ́ electriques ENS Rennes 33/39 Aimants AlNiCo Fabrication moulage ou frittage – Chauffe, puis refroidit en présence d'un champ Caractéristiques – Br = 1T – Hc = 50-100 kA/m – BH = 40-50kJ/m3 – Bonne résistance mécanique, mais pb désaimantation Applications – Actionneurs électriques – HP, micro etc. 34/39 Aimants ferrites Oxydes de Fer dopés éventuellement avec terres rares Fabrication par frittage Caractéristiques – Br = 0,4T – Hc = 200-300 kA/m – BH = 25-40 kJ/m3 – Fragiles, faible T° (250°C), faible coût (facteur 10 / AlNiCo) Applications lowcost 35/39 Terres rares Réserves mondiales – Grandes – Extraction polluante et peu couteuse en Chine Samarium Cobalt – Br = 1T – Hc = 1000 kA/m – BH = 200kJ/m3 – Bonne tenue en T°, Céramique fragile • Coût du …. Cobalt 36/39 Terres Rares Neodyme-Fer-Bore – Frittage ou liant plastique – Pb Oxydation et corrosion => traitement surface (Ni, époxy) – Dépendance en T° au delà de 120°C – Br = 1,5T – Hc = 1 000kA/m à 2 000kA/m – BH = 300kJ/m3 • Moins cher que SmCo (= AlNiCo) • T° 37/39 Aimants Précautions d'emploi pour éviter la déaimantation – Ne pas mettre les aimants en répulsion – Pas faire glisser les uns contre les autres 38/39 Références Cours Afef Lebouc INP Grenoble ENSIEG. Cours Bernard Multon : Application des aimants aux machines électriques ENS Rennes. Www.euromag-magnets.com Cours d'électrotechnique de Licence EEA Université Paul Sabatier – P.Bidan, V.Bley, N.Sewraj Cours de PLP2 et CAPET électrotechnique IUFM Aix Marseille - M. Stolidi R.Coelho, "Les diélectriques", Encyclopaedia Universalis 39/39
