Rappel d`electromagnétisme

Toute transformation d’énergie électrique en énergie mécanique, et inversement
exige l’emploi de matériaux magnétiques.
1) Les différents matériaux magnétiques
Chaque corps pur réagit différemment lorsqu’il est soumis à un champ magnétique. Les corps sont
classé en 3 « catégories » :
• Matériaux Ferromagnétique (Fer, Cobalt, Nickel...)
• Matériaux Paramagnétique (Platine, Sodium, Aluminium manganèse...)
• Matériaux Diamagnétique (Or, Argent, Mercure, Cuivre, Plomb, beaucoup de gaz et des
liquides).
Ferromagnétiques : ce sont des
métaux qui s’aimantent fortement en
présence d’un champ magnétique.
B (T)
Paramagnétiques : s’aimantent
faiblement dans le même sens que le
champ magnétique.
Diamagnétiques : ce sont des
substances qui s’aimantent très
faiblement en sens inverse du champ
magnétique.
H (A/m)
2) Courbe d’aimantation
Attention : Il ne faut pas pas confondre H et B
H : Excitation magnétique (en A/m)
B : Champ magnétique (en Tesla) appelé aussi Induction
Lorsque l’on augmente l’excitation H dans une bobine munie d’un noyau magnétique, le champ B
mesuré varie selon une courbe appelé courbe de première aimantation.
B (T)
Zone de saturation
Coude de saturation
H et B varie proportionnellement
H (A/m)
Courbe de 1ère aimantation
Application pour les moteurs :
SI ON VEUT UN CHAMP (B) IL FAUDRA UNE EXCITATION MAGNETIQUE
DONC UN COURANT ! ! !
Les relations d’électromagnétisme suivante le démontre
NI en ampère-tours
L en mètres
H en A/m
N .I
H=
L
♦ Excitation magnétique dans une bobine longue
Bo =
µo. N . I
= µo. H
L
Bo en Tesla (T)
µ0 : Constante magnétique (4π10-7 )
♦ Champ magnétique dans l’air ou induction
A cause de cela on envoie une excitation dans l’induit d’une machine à courant continu (par
exemple). On a envoyé un courant donc H, donc B on aura un champ
3) Le cycle d’Hystérésis
L’aimantation d’un matériau Ferromagnérique soumis à un champ dont l’intensité varie entre deux
limites se traduit par la courbe ci-dessous.
Désaimantation
B(T)
D
Inversion du courant
d’aimantation
1ère aimantation
E
Br
F
F'
Hc
0
Aimantation en sens inverse
H(A/m)
Fermeture du cycle
E'
G
La forme du cycle d’Hystérésis est caractérisé par :
♦ L’aimantation rémanente (Br) : c’est la valeur de l’induction lorsque le champ est nul (segment
[OE] sur le schéma ci dessus)
Commentaire : Dans un machine on parle de rémanent, quand on envoie pas de courant on
s’aperçoit qu’il y a quand même un champ rémanent.
♦ Le champ coercitif (Hc) : c’est la valeur du champ nécessaire pour que l’induction soit nulle
(segment [OF] sur le schéma ci dessus)
Commentaire: Si on veut un champ B nul, il faudra une excitation magnétique H négative, il faudra
donc un courant négatif.
Selon la constitution des matériaux magnétiques (alliages, présence de carbone) et les
traitements thermiques : le forme du cycle d’Hystérésis est variable en longueur, en largeur et en
hauteur. Ce qui définit les différents emplois.
B(T)
Fer pur
Acier au
silicium
Acier dur
pour aimant
H(A/m)
A partir du fer et selon les matériaux d’addition, on obtient des caractéristiques magnétiques
différentes.
a) Silicium : (entre 1 et 4%) La perméabilité µ et la résistivité ρ augmente.
b) Carbone : (jusqu'à 4%) L’induction rémanente augmente, le cycle d’Hystérésis s’élargit,
d’induction de saturation diminue.
c) Aluminium, Nickel : augmentation considérable de la perméabilité, cycle d’Hystérésis plus
étroit.
d) Chrome, Cobalt, Tungstène, Molybdène : augmente l’induction rémanente.
Matériaux sousmis à induction
Conditions
d’emplois
Matériels types
Utilisation
Induction continue
Permanente :
Champ coercif et
induction rémanente
élevés pour conserver
l’aimantation.
Aimants permanents
Temporaire :
Induction maximale
pour un champ faible
donc µ élevé.
Eviter l’aimantation
rémanente.
Electro-aimant
Machine à courant continu
Induction alternative
Fréquences industrielles 50 à 60Hz
Permabilité (µ)
élevée.
Pertes faibles par
courant de Foucault.
Cycle d’hystéréris
étroit.
Machines à courant altenatif
Moteurs
Alternateurs
Perméabilité
importante aux hautes
fréquences.
Moyennes fréquences ou hautes
Faibles
pertes par
fréquences
hystérésis et courants
de Foucault.
Aciers durs
Alliage : fer +
aluminium + nickel
+ cobalt (Alnico)
Electro-aimants en
courant continu :
Fer pur
-Relais
Acier doux forgé ou
-Pôles inducteurs de
moulé (peu de
machines tournantes
carbone)
-Electro-aimants de
contacteurs
Circuits magnétiques en
courant alternatif
Tôles d’acier au
-Moteurs synchrones
silicum
-Transformateurs
Tôles à grains
-Machines synchrones.
orientés
Electro-aimants de
contacteurs
Fréquences > 60Hz
Tous les aimants
En particulier :
-Appareils de mesure
-Volants magnétiques
-Inducteurs
permanents.
Ferrites (Fe3 04) +
Mcobalt ou
manganèse
Circuits magnétiques
B.F et fréquences radio
-Transformateur
moyenne fréquence
-Inductances
De la classification ci-dessus on résume en 4 familles de matériaux magnétiques :
1) Les aimants permanents (aimants de portes, volant magnétiques)
Les matériaux pour aimants permanent sont caractérisés par une induction rémanente importante
(Br) et un fort champ coercitif ; leur cycle d’hystérésis est très larges.
Il y a 2 principaux type d’aimant permanent:
* Les aimants métallique : ils sont constitués de Nickel, Cobalt, Aluminuim et fer. Il sont
connu sous le nom de TICONAL en Allemagne et ALNICO aux USA.
* Les ferrites (voir ci après)
2) Les électro-aimants (relais, bobines contacteur, inducteur des machines)
On emploie du fera ayant un très grande pureté chimique.
Dans ce type de circuit on recherche un matériau qui supporte une forte induction dans les
périodes d’attraction et qui présente un faible champ coercitif. (On ne veut pas qu’une bobine de
contacteur ait beaucoup de rémanent pour qu’elle attire la partie mobile !)
3) Les
circuits
magnétiques
à
courants
alternatif
50Hz
(moteurs
asynchrones,
transformateur)
Il y a 2 types de tôles :
* Les tôles laminées à froid non orientés.
* Les tôles magnétiques à grains orientés.
4) Les circuits magnétiques pour fréquence radio (inductances, haut parleurs, écouteurs)
Lorsque la fréquence de variation de flux est supérieure à 50 - 60Hz, ou pour des application
déterminées, on est conduit à utiliser les alliages particuliers
4) Les pertes par courant de Foucault
Toute substance conductrice de l’électricité, si elle se trouve dans un champ magnétique variable,
est le siège de force électromotrice induites (fem), donc de courant induits. Ces courants sont
appelés courant de Foucault.
D’après la loi de Lenz : « Les courants s’opposent à la causse qui leurs a donné naissance » ;
autrement dit : les courants de Foucault dissipent de la chaleur par effet joule dans la substance
même où il ont pris naissance.
(Pour les applications d’électrotechnique, la substance c’est les tôles magnétiques)
Ces pertes (P) sont données par la relation :
P = K .
Ces pertes sont
diminue)
1
ρ
. e². Bm².f²
ρo: Résistivité (Ω.m)
e : Epaisseur de la masse conductrice (m)
Bm : Induction (T)
f : Fréquence en (Hz)
P : Puissance perdu en W/kg
très néfastes, des pertes inutiles pour les moteurs ! (le rendement
Comment faire ?
L’idée est de feuilleter le circuit magnétique pour cela au lieu de faire un circuit magnétique
massif (où les pertes serais énormes), on le réalise a l’aide de plusieurs toles isolés entre elles
avec un vernis d’environ 1/10 mm ou par oxydation. La masse feuilleté coupe le parcours des
courants de Foucault qui sont perpendiculaire au Flux.
Exemple d’application : le circuit
magnétique d’un moteur asynchrone (ils
est constitué de tôles feuilleté)
Plus les tôles seront de faible épaisseur plus les pertes seront diminuées (épaisseur, c’est « e »
dans la formule ci dessus). Les tôles sont constitué de fer généralement ou d’acier doux (voir la
constitution des matériaux magnétiques)
En pratiques les tôles ont une épaisseur de 0.3 à 0.5mm
La seconde solution est d’ajouter du silicium dans les tôles. Le pourcentage de silicium est de
1 à 4%. La conséquence du silicium est d’augmentation de la résistivité () donc une diminution
des pertes parcourant de Foucault. (D’après la formule vu précedemment si  augmente P
diminue)
De plus l’ajout de silicium diminue le cycle d’Hystérésis B=f(H). Le silicium augmente la
perméabilité par rapport au fer, donc H diminuera le cycle d’Hystérésis diminuera.
Il ne faut pas augmenter l’induction B cela entraînerais un échauffement. Les pertes sont
proportionnelles au carré de la l’induction !. En pratique on peut les diminuer ou par
orientation des grains, c’est la cas des tôles à grains orientés. Ce sont des tôles qui subissent
un traitement lors d’un laminage permettant une orientation de la structure du métal dans le
même sens que celui du laminage.
En résumé les tôles a grains orientés permettent de diminuer les pertes par Hystérésis
(perméabilité améliorés) et les les pertes par courants de Foucault.
Nota :
Toujours en se basant à l’aide de la formule exprimant les pertes dues aux courants de Foucault,
on s’aperçoit qu’il ne faut pas beaucoup augmenter la fréquence. Pour les applications industrielles
si on travaille a fréquence élevé, l’idée de réaliser un circuit magnétique feuilleté avec du fer et 1
à 4% de silicium produira des pertes importantes car f est grande, on utilise un circuit
magnétique constitué de FERRITE.
Ce sont des cristaux dont la composition comprend un oxyde de fer et des éléments de baryum ou
de strontium. La ferrite est obtenue par un broyage conduisant à une poudre mise en forme par
compression en présence d’un champ magnétiques orientant les grains élémentaires.
Aimant en ferrite
SPINALOR 1B
SPINALOR 4H
Br Tesla
0,39
0,375
Hc (ka/mètre)
135
240
Emplois
Haut -parleurs
Moteurs électriques
5) Les pertes en watts par kilogrammes.
On résume les pertes par Hystérésis et par courants de Foucault en les exprimant en watt par
kilogramme de matériaux magnétique.
Ordre d’idées :
B=1T à f=50 Hz pour un moteur P=1,5W/kg en moyenne. Tout dépendra des qualités des tôles.