2 Caractérisation des matériaux magnétiques composites
2.6 Mesure des pertes magnétiques des matériaux magnétiques composites
2.6.2 Mesure d’isotropie des pertes magnétiques dans les matériaux magnétiques
L’anisotropie constatée sur la résistivité à la section 2.5.4 devrait mener à une influence de la direction de circulation du flux magnétique sur les pertes par courants de Foucault. Le travail présenté dans cette section vise à valider cette hypothèse et à déterminer si les pertes par hystérésis sont dépendantes de la direction de propagation du flux.
Les pertes magnétiques totales sont mesurées sur les anneaux destinés à la mesure d’anisotropie de l’aimantation (cf. § 2.4.4.1) afin de déterminer si elles dépendent de la direction de propagation du flux. Les mesures de pertes par cycle pour des fréquences de 60 et 400 Hz et une induction de 1 T sont présentées à la figure 2.53.
y = 3.31E-05x + 1.81E-01 y = 4.18E-05x + 1.88E-01 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0 100 200 300 400 500 Fréquence (Hz) P ert es p ar c yc le (W /k g/ H z)
Dans le plan perpendiculaire à la direction de pressage Selon la direction de pressage
Interpolation dans le plan perpendiculaire à la direction de pressage Interpolation selon la direction de pressage
Figure 2.53 : Pertes magnétiques mesurées en fonction de la direction de propagation du flux pour le matériau fer- résine
On remarque sur la figure 2.53 que les pertes magnétiques sont plus importantes pour l’échantillon présentant la moitié du parcours du flux selon la direction de pressage. La droite de tendance des pertes magnétiques en fonction de la fréquence a été interpolée jusqu’à la fréquence nulle sur la figure 2.53. Elle permet de conclure que les pertes par hystérésis sont plus importantes de 3.7 % pour l’échantillon présentant une composante dans la direction de pressage, ce qui est considéré significatif. Enfin, la pente des pertes par cycle en fonction de la fréquence, qui est proportionnelle aux pertes par courants de Foucault, montre que celles-ci sont plus importantes pour l’échantillon présentant une composante dans la direction de pressage. Cette relation était prévisible car lorsque le flux magnétique se propage selon la direction de pressage, les courants de Foucault circulent dans le plan perpendiculaire à la direction de pressage qui présente une résistivité plus faible que celle suivant la direction de pressage. L’influence de l’anisotropie des pertes par courant de Foucault sur le dimensionnement d’une machine électrique dépend de l’importance relative de ces dernières, qui est dictée par la taille du circuit magnétique et la fréquence d’opération.
2.7 Conclusion
Ce chapitre a présenté l’étude de la mesure des trois caractéristiques nécessaires au dimensionnement des machines électriques : caractéristique d’aimantation, résistivité et pertes magnétiques. Ces mesures sont également nécessaires pour les échanges commerciaux entre le
producteur de matériaux et le producteur de machines électriques, pour la modélisation de la caractéristique d’aimantation présentée au chapitre suivant et pour l’optimisation de cette caractéristique à l’aide du modèle qui sera développé.
Les mesures de caractéristique d’aimantation antérieures à cette thèse faites à l’aide d’un hystérésigraphe et réalisées à l’aide du calcul des champs pour un matériau donné présentaient des différences significatives. Celles-ci étaient suffisamment importantes pour influencer le dimensionnement d’une machine électrique de manière significative. La mesure de la caractéristique d’aimantation sur deux échantillons présentant des parcours de flux différents par rapport à la direction de pressage de l’échantillon a démontré que l’anisotropie est la source des différences observées lors de la mesure utilisant l’hystérésigraphe et le calcul des champs. La perméabilité est inférieure lorsque le flux circule selon la direction de pressage par rapport à lorsqu’il circule dans le plan normal à la direction de pressage. La simulation de l’écoulement du flux magnétique à travers la structure microscopique du matériau présentée au paragraphe 3.6 permet de conclure que cette différence est liée à une variation de la structure en fonction de la direction. Les deux méthodes de mesure de la caractéristique d’aimantation sont donc équivalentes et prennent en compte l’anisotropie du matériau. Lors du dimensionnement d’une machine électrique, la prise en compte de l’anisotropie est nécessaire pour l’obtention de résultats précis.
Il a été observé que les mesures de résistivité à l’aide d’un micro-ohmmètre à quatre pointes précédant nos travaux pouvaient donner jusqu’à 33% de différence dans les résultats pour des échantillons du même matériau, ce qui n’est pas acceptable pour la conception des machines électriques pour lesquelles les pertes par courants de Foucault ne sont pas négligeables. L’utilisation de facteurs de correction pour l’épaisseur des échantillons sous forme de barres mène à une erreur acceptable par rapport à la précision désirée pour le dimensionnement des machines électriques, tant que ces mesures sont faites sur le même échantillon et que la surface des échantillons est exempte d’oxyde. Quatre méthodes de mesure de résistivité sur des échantillons en forme d’anneaux basées sur l’induction de courants de Foucault ont été utilisées, deux d’entre elles étant nouvelles. La méthode du micro-ohmmètre à quatre pointes a aussi été utilisée sur ces échantillons. Les résultats démontrent que la mesure par courants induits donne
une précision acceptable pour le dimensionnement des machines électriques. Ces méthodes ont l’avantage d’éviter les problèmes de contacts électriques des pointes du micro-ohmmètre, qui peuvent êtres dus à une oxydation de la surface lors du recuit, et de répartition du courant à travers la section de l’échantillon.
La mesure d’homogénéité et d’isotropie de la résistivité établit que les deux types de matériaux, fer-résine et fer-diélectrique, présentent des différences de résistivité importantes en fonction de la position dans l’échantillon et de la direction de circulation du courant. La résistivité est supérieure à la surface des échantillons à cause de la densité plus élevée. Elle est aussi plus élevée dans la direction de pressage par rapport au plan normal à la direction de pressage. Ces variations expliquent la différence obtenue lors de la mesure de résistivité d’un matériau donné sur des échantillons ayant des formes différentes. L’anisotropie et l’inhomogénéité de la résistivité doivent être prises en compte pour le dimensionnement d’une machine électrique si les pertes par courants de Foucault ne sont pas négligeables, ce qui est généralement le cas pour des machines de grande dimension ou alimentées à haute fréquence.
La mesure de pertes magnétiques dans les matériaux magnétiques composites vise à déterminer quels phénomènes doivent être pris en compte lors du dimensionnement d’une machine électrique et quels phénomènes peuvent être négligés. Il a été démontré que les pertes excédentaires sont très faibles dans les matériaux magnétiques composites et qu’elles peuvent généralement être négligées dans les matériaux actuels. La mesure de pertes magnétiques en fonction de la direction de circulation du flux démontre que les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault sont plus grandes lorsque le flux s’écoule selon la direction de pressage que lorsqu’il s’écoule dans le plan normal à la direction de pressage.