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Chapitre 2: Matériaux Ferromagnétiques 1 Cours Matériaux Electrotechnique 1. Ma

Chapitre 2: Matériaux Ferromagnétiques 1 Cours Matériaux Electrotechnique 1. Matériaux magnétiques doux Matériaux à cycle d’hystérésis étroit pour minimiser les pertes par hystérésis, ils sont en général feuilletés et à base de fer (le fer pur a une résistivité trop importante). On distingue essentiellement : - les aciers électriques (au silicium) --> basses fréquences : f = 50 Hz - les alliages fer nickel ou cobalt --> moyennes fréquences : f < 100 kHz - les ferrites (oxydes de fer) --> hautes fréquences : f < 1000 kHz 1.1 Aciers électriques - Ils sont essentiellement utilisés, dans les machines électriques travaillant aux fréquences industrielles (transformateurs et machines tournantes). - Ils sont constitués de tôles en acier allié à du silicium (1 à 5 %), ce qui a l’avantage d’augmenter la résistivité mais l’inconvénient de rendre les tôles cassantes. On distingue : - les tôles classiques à grains non orientés : - Elles sont obtenues par un laminage à chaud suivi d’un décapage chimique, d’un dernier laminage à froid et d’un traitement thermique. - Elles sont essentiellement utilisées dans les machines tournantes et les transformateurs de faible puissance (< 100 kW). - les tôles à grains orientés : Le procédé de fabrication est plus complexe et comporte un laminage à chaud suivi de plusieurs laminages à froid et traitements thermiques intermédiaires. Des propriétés magnétiques optimales sont obtenues, mais uniquement dans le sens du laminage : forte perméabilité, induction à saturation importante, très faibles pertes fer. Elles sont essentiellement utilisées dans les transformateurs de forte puissance (> 1 MW). 1.2 Les alliages Fe-Ni Les performances des alliages sont attribuées à leurs pourcentages de nickel variant entre 25 et 35%, dans cette structure finie à une grande maniabilité, il est facile à laminer jusqu’à des épaisseurs très faibles qui pouvant atteindre 25µm, il est utilisé dans déférents appareils comme les transformateurs de signaux et les capteurs. 1.3 Les alliages Fe-Co Les alliages Fe-Co ont à la fois des qualités véritablement exceptionnelles et d’énormes défauts. Entre 30 à 50% de cobalt, ces alliages possèdent une aimantation spontanée à température ambiante supérieure ou égale à 2.4 T, record absolu de tous les alliages ferromagnétiques. L’utilisation de Fe-Co diminue considérablement le poids des dispositifs électromagnétiques, impact direct sur la réduction de l’énergie stockée. Enfin, il faut noter que le cobalt est un élément beaucoup plus couteux que le nickel car il est peu abondant et moins bien réparti sur la terre. 1.4 Les alliages Fe-Si Le fer pur a un comportement cristallographique compliqué, puisqu’il change de structure cristalline entre 910 et 1400°C. Il passe de l’état cubique centré (ferrite ou Fe α) à l’état cubique à faces centrées. L’addition de silicium et d’aluminium augmente La stabilité de la phase α. Chapitre 2: Matériaux Ferromagnétiques 2 Cours Matériaux Electrotechnique Le fait que le métal conserve sa structure (α) quelle que soit la température facilite les traitements thermiques de l’alliage. L’addition de silicium et dans une moindre mesure celle de l’aluminium, entraine un durcissement du métal. Ce durcissement rend possible la découpe dans les tôles minces, de formes compliquées comme celles qu’utilisent les constructeurs de machines. L’addition de silicium entraine une diminution sensible de l’anisotropie magnéto cristalline du fer. La rotation des moments s’en trouve donc facile. 1.5 Ferrites douces Elles sont très utilisées en Electronique de Puissance et plus particulièrement dans les alimentations à découpage où la fréquence de fonctionnement est élevée (f > 100 kHz). Ce sont des céramiques ferromagnétiques à base d’oxydes de fer Elles sont fabriquées sous atmosphère inerte : Après mélange et broyage des composants, les poudres sont assemblées par frittage à haute température (1200 °C). On obtient ainsi un matériau de grande résistivité, massif, mais malheureusement très cassant. 2. Cycle d’hystérésis des matériaux ferromagnétiques doux et durs Cycle d’hystérésis des matériaux ferromagnétiques doux et durs Matériaux ferromagnétiques doux : * Cycle d’hystérésis étroit * Champ rémanent Br et excitation coercitive Hc faibles * Pertes par hystérésis faibles * Ils s’aimantent et se désaimantent très facilement On les utilise pour réaliser des circuits magnétiques de machines (moteurs, génératrices, transformateurs, …) Matériaux ferromagnétiques durs : * Cycle d’hystérésis large * Champ rémanent Br et excitation coercitive Hc importants * Pertes par hystérésis importantes * Ils s’aimantent et se désaimantent très difficilement On les utilise pour réaliser des aimants permanents Chapitre 2: Matériaux Ferromagnétiques 3 Cours Matériaux Electrotechnique GUIDE DE CHOIX DES MATERIAUX DOUX Forme de l’inductio n Objectifs de choix matériau Données économiqu es utilisations exemples Bmax (T) Champ coercitif HC (A/m) µR pour B=1 T Résistivité (.mx10- 8) Pertes (W/kg) Production t/an Prix en F/kg constante Rechercher une induction B maximale avec un champ H le plus faible possible, d’où une perméabilité élevée Fe pur Acier doux (0,1 % de C) 1,6 1,2 4 10 000 1 500 10 10 B=1,5 T f = 50 Hz  10 5 000 000 4 à 8 Pôles inducteurs de machines à courant continu. Electroaimant de contacteurs alimentés en courant continu Rotor en acier forgé de turboalternateur de forte puissance Variable f = 50 ou 60 Hz Rechercher de faibles pertes par courant de Foucault et hystérésis tout en conservant une très bonne perméabilité, d’où un matériau à cycle étroit Tôle laminée à grains non orientés acier+1 à 4%Si 1,7 24 à 72 6 000 à 9 000 15 à 60 B=1,5 T f = 50 Hz ép.35/100 : 2,3 ép. 65/100 : 9,5 Circuits magnétiques des machines à courant alternatif : transformateurs moteur asynchrone, synchrone Electroaimant de contacteurs alimentés en courant alternatif Tôle à grains orientés acier+3,5 %Si 2 5,6 65 000 48 B=1,5 T f = 50 Hz ép.27/100 : 0,89 ép. 35/100 : 1,11 1 000 000 8 à 16 Variable f > 60 Hz Rechercher une perméabilité importante aux hautes fréquences avec de faibles pertes par courant de Foucault et hystérésis Ferrites MFe2O3 0,4 ? à ? 7000 Isolant : 1016 B=0,2 T f = 100 kHz 100 150 000 30 à 300 M=Zn et/ou Mn (f<1,5MHz) M=Zn et/ou Ni (f<200MHz) Alimentation à découpage, filtre haute fréquence Alliage de fer-nickel 0,8 à 1,6 0,4 à 55 6000 à 220000 35 à 60 B=0,2 T f = 100 kHz 100 10 000 150 à 400 Circuits magnétiques des composants utilisés à moyenne et haute fréquence : - transformateurs - bobines de couplage - inductances - filtres - blindages Alliage de fer-cobalt 0,6 à 1,2 35 à 150 5000 à 12 000 15 à 40 B=0,2 T f = 100 kHz 40 Faible 800 à 2000 Chapitre 2: Matériaux Ferromagnétiques 4 Cours Matériaux Electrotechnique 3. Matériaux Ferromagnétiques durs Ces matériaux sont utilisés pour la réalisation d’aimants permanents. Ils possèdent une induction rémanente importante et un champ coercitif élevé. Ils sont en général massifs et à base de fer ou de terres rares ( Sm : samarium - Nd : Néodyme). Ils sont souvent associés à du fer doux qui canalisent les lignes d’induction et sont aimantés lors du procédé de fabrication. On distingue essentiellement, aujourd’hui : - les ferrites dures --> moins cher et le plus utilisé - les alliages à base de terres rares --> très performants et en expansion - les « alnico » (alliages fer + AlNiCo) --> en perte de vitesse Ba (T) Ha (kA/m) 1 0,5 -200 -400 -600 -800 Alnico Ferrite Sm-Co Nd-Fe-B Courbes de désaimantation pour les grandes familles de matériaux magnétiques durs (aimants permanents) Aimantation Js (T) 2 1,5 1 0,5 Champ coercitif HC (A/m) 106 105 104 103 102 1 10 0,1 Matériaux doux Aimants Ferrites doux Ferrites durs Fe-Ni Fe-Si Fe Fe-Co doux Fe-Co mi-durs Alnico Aimants terres rares (Sm-Co et Nd-Fe-B) Comparaison matériaux doux /durs Chapitre 2: Matériaux Ferromagnétiques 5 Cours Matériaux Electrotechnique 3.1 AlNiCo Les AlNiCo ont été les premiers aimants fabriqués artificiellement. Ils sont aujourd’hui en perte de vitesse derrière les ferrites et les aimants à base de terres rares. Ce sont des alliages de fer, d’aluminium, de nickel et de cobalt (les meilleures performances sont obtenues pour des alliages riches en cobalt). Ils sont obtenus par moulage à haute température, suivi de divers traitements thermiques et magnétiques, ou alors par frittage suivi d’une rectification et d’une découpe. Ils ont une très bonne tenue en température (maintien des performances magnétiques), ainsi qu’une bonne solidité mécanique. Leur induction rémanente est assez élevée (1,2 T), mais leur aimantation chute très rapidement de manière irréversible en présence d’un champ H démagnétisant (augmentation brutale de l’entrefer). Ils sont surtout utilisés en métrologie ou dans des applications ou les aimants sont exposés à des sollicitations mécaniques. 3.2 Ferrites dures Ce sont des céramiques à base d’oxydes ferriques (Fe2O3) associées à du Baryum (Ba) ou du Strontium (Sr). Elles sont obtenues après plusieurs étapes : broyage fin des différents constituants puis mélange à 1200°C pour former la ferrite. broyage de la ferrite en présence d’eau pour obtenir une poudre très fine (0,5µ). compression avec un liant dans des moules de forme adaptées, en présence d’un champ magnétique. frittage haute température (1200°C), suivi d’un refroidissement contrôlé. Elles présentent uploads/Ingenierie_Lourd/ chapire-02-materiaux-electro.pdf