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Matériaux Magnétques en génie électrique [email protected] Lionel LAUDEBAT

Matériaux Magnétques en génie électriquel2-eea-meca-gc.ups-tlse.fr/Licence/Semestre3/Materiaux/Materiaux... · Définition du dictionnaire – Le magnétisme représente un ensemble

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Matériaux Magnétquesen génie électrique

[email protected]

Lionel LAUDEBAT

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Matériaux magnétques

Electromagnétisme

Matériaux du Génie Electrique

Matériaux magnétiques

Circuits Magnétiques

Annexe– Matériaux conducteurs

– Matériaux Isolants

– Matériaux semi-conducteurs

Electromagnétsme

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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

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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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Maxwell Faraday

Flux

Faraday (Lenz-Faraday)

φ=∬ B dS

e=−dφdt

φ=BS

e=−SdBdt

rot E=−∂ B∂ t

Matériaux du génieélectrique

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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

Matériaux magnétques

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Magnétques

Magnétisme, c'est quoi ?

Historique

Matériaux magnétiques en GE

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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

lS

R=

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Matériaux aux propriétés magnétques

Tableau mendeleïev :

Terres Rares

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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

Autres Matériaux du GE

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Matériaux du génie électrique

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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

PCB

Disjoncteur(SF6)

PE

Fil émailléRésine + mica

Semi-Conducteur

Condensateurs

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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

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Isolants Solide - 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