Caractérisation des Différentes Qualités de la Tôle Magnétique

Le phénomène du magnétisme est connu depuis l’Antiquité, les Grecs, les Romains et les chinois avaient remarqués que l’oxyde de fer magnétique, la magnétite, avait la faculté d’attirer les objets contenant du fer. Ils avaient également constatés qu’un morceau de fer mis en contact avec la magnétite acquérait la même propriété. Au XIe siècle, les Arabes appliquèrent le magnétisme à la navigation en inventant la boussole.

Le magnétisme et les matériaux magnétiques suscitent un intérêt de plus en plus soutenu aussi bien pour le physicien que pour l’ingénieur. Des résultats concrets sont aujourd’hui obtenus grâce à une avancée remarquable, couronnée par des réalisations innombrables enregistrées dans le domaine des matériaux magnétiques. Les recherches et les conceptions modernes entamées avant, ont considérablement contribué à l’avancement de la technique des équipements électriques.

Certains matériaux magnétiques doux, tels les alliages fer-silicium à grains orientés, constituant les circuits magnétiques des transformateurs, ont pu réduire leurs pertes, ce qui a permis d’obtenir d’excellents rendements et de meilleurs fonctionnements.

La grande variété de matériaux dont disposent maintenant l’ingénieur et le constructeur électriciens exige des connaissances approfondies. Sur le plan pratique, l’ingénieur est intéressé par des grandeurs macroscopiques telles l’induction B ou la perméabilité µ. Or, la structure d’une substance magnétique, est décrite et mesurée par des grandeurs microscopiques comme les dimensions d’une maille ou le moment atomique.

Les matériaux magnétiques sont actuellement au cœur du développement scientifique et de la technologie moderne. Leur utilisation est étendue a travers les champs d’applications les plus innovateurs à savoir, l’énergie électrique, l’informatique, la télécommunication, …, [1, 2, 3, 4]. Cela revient aux propriétés magnétiques très variées que possèdent ces matériaux, propriétés qui se manifestent à différentes échelles telles que l’échelle atomique, microscopique, mésoscopique et macroscopique, ce qui les rend un vaste domaine de recherche que ce soit pour les physiciens ou pour les technologues.

L’étude des propriétés et comportements des matériaux magnétiques est toujours d’actualité à travers le monde offrant toujours de nouvelles perspectives. Cette étude a commencé durant les moyens âges, [1, 6]. A la fin du 16ème siècle le médecin anglais William Gilbert (1544-1603) réalisait une étude expérimentale du champ magnétique d’une sphère aimantée que l’amenait a assimilés la terre elle-même à un grand aimant sphérique. Les travaux de recherche basés sur les méthodes scientifiques modernes dataient de la deuxième moitié du 18ème siècle ou la théorie des moments magnétiques et de l’aimantation était introduite; B=µ0 (H+M) (Ⅰ.1)

Matériaux magnétiques

Définition

Soumises à une induction magnétique, certaines substances se mettent à produire elles mêmes, dans le volume qu’elles occupent et à l’extérieur, une induction magnétique. On dit qu’elles s’aimantent ou se polarisent magnétiquement. Cette propriété se manifeste très visiblement dans certains matériaux appelés matériaux magnétiques .

Origine du magnétisme 

Les propriétés magnétiques d’un matériau sont attribuables au spin des électrons et à leur mouvement orbital autour du noyau . Les électrons qui tournent sur eux même (spin) et autour du noyau (orbital) forment de petits dipôles magnétiques qui peuvent être simulés par des moments magnétiques engendrés par des boucles élémentaires de courant .

Classes des matériaux magnétiques 

Selon la susceptibilité magnétique, les matériaux magnétiques peuvent être classés en matériaux; Diamagnétiques, paramagnétiques, Antiferromagnétiques, Ferromagnétiques et Ferrimagnétiques .

Matériaux diamagnétiques

Dans ce type de matériaux, deux électrons de spins opposés occupent le même niveau d’énergie (principe d’exclusion de Pauli). L’application d’un champ magnétique extérieur produit un couple agissant sur le mouvement orbital des électrons. Ce changement du mouvement orbital provoque un moment magnétique de direction opposée au champ extérieur en vertu de la loi de Lenz.

Ce type de matériaux est caractérisé par une susceptibilité χ négative, de faible amplitude et indépendante de la température et de l’intensité du champ magnétique excitateur. Sur le plan technologique les matériaux diamagnétique ne présente aucun intérêt .

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Matériaux paramagnétiques 

Ces matériaux sont caractérisés par une susceptibilité relative positive, de faible amplitude (10⁻⁶ à 10 ⁻²). On les rencontre dans les substances dont les atomes possèdent un moment magnétique permanent. Lorsque ces moments sont indépendants les uns des autres.

Sous l’action d’un champ magnétique ces moments tendent à s’aligner selon la direction du champ appliqué H, ce qui fait augmenter l’aimantation du matériau .

Matériaux antiferromagnétiques

Comme les matériaux paramagnétiques, ces matériaux présentent une susceptibilité positive faible et leurs atomes portent des moments magnétiques permanents, toutefois ces moments magnétiques ne sont plus indépendants les uns des autres mais au contraire fortement liés. De l’interaction, qui porte le nom de couplage antiferromagnétique résulte un arrangement antiparallèle des moments .

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE Ⅰ
Matériaux Magnétiques
Introduction
I.1 Rappels historiques
I.2 Matériaux magnétiques
I.2.1 Définition
I.2.2 Origine du magnétisme
I.3 Classe des matériaux magnétiques
I.3.1 Matériaux diamagnétiques
I.3.2 Matériaux paramagnétiques
I.3.3 Matériaux antiferromagnétiques
I.3.4 Matériaux ferrimagnétiques
I.3.5 Matériaux ferromagnétiques
I.4 Théorie du ferromagnétisme des corps ferromagnétiques
I.4.1 Interprétation du ferromagnétisme par la théorie quantique
I.4.2 Interprétation du ferromagnétisme par la théorie de Weiss
I.5 Domaines magnétiques
I.5.1 Origine des domaines
I.5.2 Influence d’un champ magnétique extérieur
I.5.3 Techniques d’observation des domaines
I.6 Processus d’aimantation et cycle d’hystérésis
I.6.1 Courbe de première aimantation
I.6.2 Cycle d’hystérésis
I.6.3 Hystérésis définition et discussion
I.7 Classification des matériaux ferromagnétiques
I.7.1 Matériaux doux
I.7.2 Matériaux durs
I.7.3 Matériaux pour l’enregistrement magnétique
I.7.4 Matériaux magnétostrictifs
I.7.5 Matériaux magnétorésistifs
I.8 L’alliage fer-silicium
I.8.1 L’orientation des grains dans les alliages fer-silicium
I.9 Les alliages fer-silicium industriels
I.9.1 Présentation
I.9.1.1 Tôles à grains non orientés (Tôles NO)
I.9.1.2 Tôles à grains orientés (Tôles GO)
I.9.2 Isolation des tôles
I.9.3 Les principales garanties et désignations
Conclusion
CHAPITRE Ⅱ
Caractérisation des Matériaux Ferromagnétiques Doux
Introduction
II.1 Principe de la caractérisation
II.2 Dispositifs de caractérisation des matériaux magnétiques doux
II.2.1 Les Hystérésismètres
II.2.2 Les Magnétomètres
II.3 Circuits de mesures des caractéristiques des matériaux doux
II.3.1 Le tore
II.3.2 Le cadre d’Epstein
II.3.3 Le cadre à bande unique
II.4 Contrôle de la forme d’onde B(t)
II.4.1 Technique simple d’excitation d’un circuit en régime sinusoïdal
II.4.2 Utilisation d’une alimentation électronique asservie
II.5 Montage en exploitation
II.6 Banc d’essai à deux bobines avec capteurs
II.7 Quantification des pertes dans les matériaux magnétiques doux
II.7.1 Pertes totales dans les tôles
II.7.2 La séparation des pertes
II.7.3 Modèles pour l’interprétation des pertes
II.7.4 Prédiction des pertes fer en régime d’induction sinusoïdale
II.7.5 Procédés de mesure des pertes
Conclusion
CHAPITRE Ⅲ
Banc d’Essai Expérimental et Acquisition de Données
Introduction
III.1 Mesures magnétiques
III.2 Description du banc d’essai
III.2.1 Dimensions et principe du cadre d’Epstein
III.2.2 Caractéristiques du cadre d’Epstein
III.3 Echantillons test
III.3.1 L’excitation des échantillons
III.3.1.1 Générateur d’ondes
III.4 Essais pratiques
III.5 Résultats expérimentaux
III.6 Pertes spécifiques pour une induction B (1, 1.5, 1.7 T) et un champ H=800A/m
III.7 Calcul des pertes
III.7.1 Pertes à vide
III.7.1.1 Poids du circuit magnétique
III.7.2 Pertes principales
III.7.2.1 Calcul de KBP
III.7.3 Pertes supplémentaires à vides
III.7.3.1 Pertes supplémentaires dans les coins
III.7.3.2 Pertes supplémentaires dans les colonnes et les culasses
III.7.3.3 Pertes à vide totales (pertes fer)
III.8 Comparaison des résultats
III.9 Redimensionnement de la partie active du transformateur 100/30 (exemple)
III.9.1 Calcul de la tension de spire
III.9.2 Recalcule de la section du fer
III.9.3 Recalcule de Bcr
III.9.4 Dimensionnement radial des enroulements
III.9.5 Recalcule de la longueur entre les axes des la colonne Ec
III.9.6 Recalcule du poids du fer
III.9.7 Recalcule du poids du cuivre
III.9.8 Calcul de la différence entre le poids donnée par l’E.I et celui trouvé
III.9.9 Recalcule des pertes à vide
III.9.10 Gain en noyau
III.9.11 Gain en cuivre
Conclusion
Conclusion générale 

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