Matériaux Magnétques en génie...
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Matériaux magnétques
Electromagnétisme
Matériaux du Génie Electrique
Matériaux magnétiques
Circuits Magnétiques
Annexe– Matériaux conducteurs
– Matériaux Isolants
– Matériaux semi-conducteurs
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Electromagnétsme
Rappels d'opérateurs mathématiques– Scalaires : En physique c’est une valeur
– Complexes : En physique (modèle) d’une variable à 2éléments (module/phase, reél/imag)
– Vecteurs : Variable à n éléments (x,y,z par exemple)
– Champs : existante d’une grandeur en chaque point del’espace et du temps (carte météo où à chaque point estassocié une température => champ scalaire)
– Champs de vecteurs : plusieurs valeurs en un point :carte météo avec les vents à chaque point force etdirection
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Equatons de Maxwell Champ électrique
– une (ou plusieurs) particule(s) chargée(s) en un point del’espace => Théorème de Gauss (Champ divergent :oursin)
Champ magnétique– charges qui se déplacent (Maxwell-Ampère) ou par
polarisation magnétique intrinsèque au matériau(Maxwell-Thomson)
Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) PracticalPhysics, The MacMillan Co., USA, p. 242, fig. 200. wikipedia
http://for-ge.blogspot.fr/2015/08/lelectroaimant.html
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Equatons de Maxwell : Faraday
Lien – La variation du champ magnétique va créer un champ
électrique : Maxwell Faraday => 99 % de la productiond’électricité (démo).
– Variation temporelle d’un champ magnétique =>rotationnel de E ?
• ROT : Comme un cyclone, tourbillon plus on approche ducœur et plus la valeur (des vents) est importante
• Macroscopiquement parlant il y a une notion de distance avecle centre, donc de cercle associé.
• On introduit la notion de flux par rapport à ce cercle : ajoutetout le champ magnétique sur une surface donnée (orientée)
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Matériaux du génie électrique
Courant faible : électronique– Transmission
– Traitement de l'information
– Stockage
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.)
Conducteurs
Conducteurs Isolants
Magnétiques
Magnétiques
Semi-Conducteurs
Semi-Conducteurs
Semi-Conducteurs
Isolants
Magnétiques
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Magnétsme
Définition du dictionnaire– Le magnétisme représente un ensemble de
phénomènes physiques dans lesquels les objetsexercent des forces attractives ou répulsives surd'autres matériaux.
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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. Centrale
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Magnétque lié à l'électricité
Electroaimant– Oersted 1820
– Faraday 1821
Générateurs et moteurs continus– 1870 continu Gramme
– Puis Alternatifs (Tesla, Siemens etc.)
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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 »)
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Magnétsme d'un point de vuephysique
Notions physiques– Excitation magnétique H (A/m)
– Induction magnétique B (T)
– Aimantation M (A/m) • Perméabilité du vide µ0 (H/m)
• Perméabilité relative µr du matériau
• Réluctance magnétique
Structure électronique => propriétés magnétiques
B=μ0(H+M)=μ0μr H
1μ
lS
R=
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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 auchamp de faible valeur (Paul Langevin 1905).
• Pas matériaux magnétiques.
Paramagnétismes– Légères propriétés d'aimantation dans le sens d'une
excitation magnétique H.
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Propriétés magnétques
Matériaux Ferromagnétiques– Structures microscopiques homogènes dans le matériau
(domaine de Weiss)
H
Par Gorchy — Travail personnel, CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4459327
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Cycle d'Hystérésis
H (A/m)
B (T)
Br
Br
Hc
Aimants permanents
Magnétiques doux
Hc qq 10A/m
Br de 0,4 à 2,4T
Br de 0,2 à 1,2T
Hc qq 105 à 106 A/m
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Propriétés des MatériauxFerromagnétques
Perméabilité µr
– « Capacité » du matériau à canaliser les lignesmagnétiques
• De 100 à 500 000 (µmétal : 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
B=μ0(H+M )=μ0μr H
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Propriétés des MatériauxFerromagnétques
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
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Matériaux Magnétques 2 familles
– Matériaux magnétiques doux• Favorise la circulation du champ magnétique :
Transformateurs, Bobines, moteurs
– Matériaux durs : Aimants• Actionneurs
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Matériaux doux Utilisations
– Canalisation des lignes de champ magnétique
Choix en fonction• Aspect mécanique
• Aspect thermique
• Aspect économique
Rotor
Stator
Bobinage
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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
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Applicatons Fe FeSi pour usages électriques
– Grains orientés (anisotropie) : Transformateurs (25%)
– Isotrope : Machines tournantes (75%)
FeNi– Disjoncteurs, transformateurs impulsionnels
FeCo– Electroaimants, circuits massifs
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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
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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
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Synthèse : comportement fréquentel
Afef Lebouc Electromagnétisme et matériaux magnétiques doux ENSIEG-INPG
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Cycle d'Hystérésis
H (A/m)
B (T)
Br
Br
Hc
Aimants permanents
Magnétiques doux
Hc qq 10A/m
Br de 0,4 à 2,4T
Br de 0,2 à 1,2T
Hc qq 105 à 106 A/m
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Aimants permanents Historique industriel
– Premiers aimants industriels résistants bien à ladésaimantation 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
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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.
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Aimants ferrites
Oxydes de Fer dopés éventuellement avec terresrares
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
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Terres rares
Réserves mondiales– Grandes
– Extraction polluante et peucouteuse en Chine
Samarium Cobalt– Br = 1T
– Hc = 1000 kA/m
– BH = 200kJ/m3
– Bonne tenue en T°,Céramique fragile
• Coût du …. Cobalt
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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°
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Aimants
Précautions d'emploi pour éviter la déaimantation– Ne pas mettre les aimants en répulsion
– Pas faire glisser les uns contre les autres
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Références
Cours Afef Lebouc INP Grenoble ENSIEG.
Cours Bernard Multon : Application des aimants auxmachines électriques ENS Rennes.
Www.euromag-magnets.com
Cours d'électrotechnique de Licence EEA UniversitéPaul Sabatier – P.Bidan, V.Bley, N.Sewraj
Cours de PLP2 et CAPET électrotechnique IUFMAix Marseille - M. Stolidi
R.Coelho, "Les diélectriques", EncyclopaediaUniversalis
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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
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Conducteurs les applicatons
Transporter le courant– Le Cuivre
– L'Aluminium
Contacts– Dureté / Oxydation
• Or, Platine et Argent
– Brasure• Etain, Argent, Titane
R=ρ lS
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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
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Isolants
IsolateursPorcelaine/verreVerre-Silicone
Transformateurhuiles
Gel Silicone
Isolant Céramique
Pistes Cu
ConnexionAl
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Isolants solides
Origine minérale– Céramiques
– Verre-Silice
– Mica (silicate d'aluminium et de potassium)
– Quartz
Origine Organique– Caoutchouc
– Plastiques thermodurcissables / thermoplastiques