Pertes magnétiques des matériaux magnétiques composites

Par rapport aux matériaux magnétiques laminés conventionnels, les matériaux magnétiques composites présentent des pertes par courants de Foucault plus faibles et des pertes par hystérésis plus élevées. Les pertes excédentaires dans les matériaux magnétiques composites sont généralement négligeables (cf. § 2.6).

La prépondérance des pertes par hystérésis dans les matériaux magnétiques composites est due à la structure cristalline du fer. Tel que discuté précédemment, le recuit ne permet pas la recristallisation complète du fer, ce qui gêne le mouvement des parois de Bloch et entraîne une augmentation significative des pertes par hystérésis. L’influence de la déformation plastique des particules de fer dans les matériaux magnétiques composites a été mesurées par Hemmati et al. [23]. Les auteurs ont conclu que la température utilisée (200 °C) est trop faible puisque l’augmentation du temps de recuit ne permet pas d’éliminer les défauts du réseau cristallin. Une étude portant sur l’influence de la pression de compaction sur le bruit de Barkhausen induit par les variations rapides de l’aimantation lors des déplacements rapides des parois de Bloch (cf. §1.3.2) a été également réalisée pour des mises en forme par pressage monotone et cyclique [24]. L’article démontre que l’amplitude du bruit de Barkhausen est proportionnelle à la pression et au nombre de cycles de pressage.

Les pertes par courants de Foucault se produisent à deux échelles dimensionnelles dans les matériaux magnétiques composites. La première est celle des particules de fer : des courants induits circulent effectivement dans chacune des particules en aimantation alternative. Ces courants sont généralement négligés aux fréquences industrielles car la faible taille des particules de fer limite considérablement leur amplitude. La dépendance linéaire des pertes magnétiques des matériaux de type fer-résine, composés d’une fraction de diélectrique relativement élevée, démontre que les pertes par hystérésis sont beaucoup plus importantes que les pertes par courants de Foucault à l’intérieur des particules (cf. § 2.6). La seconde échelle dimensionnelle à laquelle des pertes par courants de Foucault apparaissent pour des matériaux comportant peu de diélectrique est celle du circuit magnétique car l’isolation électrique entre les particules de fer est imparfaite.

Les pertes excédentaires sont généralement négligeables dans les matériaux magnétiques composites. La forte quantité de pertes par hystérésis et la faible taille des domaines magnétiques pourraient être à l’origine de la faible proportion relative de pertes excédentaires. Aucune étude spécifique n’a été trouvée dans la littérature à ce sujet.

Dans le cas des machines faites de tôles, les pertes par courants de Foucault sont limitées à l’épaisseur des tôles, ce qui les rend indépendantes de la géométrie globale du circuit

magnétique. Il est alors possible de les calculer de manière analytique à partir de la seule connaissance de la fréquence et du niveau d’induction. Pour les matériaux magnétiques composites, il n’existe pas de formule permettant de calculer les pertes par courants de Foucault indépendamment de la géométrie de la machine puisque ces courants se déploient dans toute la section du circuit magnétique.

Tout comme l’épaisseur optimale des tôles qui minimise les pertes magnétiques totales peut être calculée en fonction de la fréquence d’utilisation, le diamètre moyen optimal des particules de fer dans les matériaux magnétiques composites peut être déterminé en fonction de la fréquence de fonctionnement visée pour obtenir des pertes totales minimales. Avec une poudre trop fine, les pertes totales auront tendance à augmenter à cause d’une augmentation des pertes par hystérésis alors que dans une poudre trop grossière, les pertes totales auront tendance à augmenter à cause d’une hausse significative des pertes par courants de Foucault dans les particules.

L’expression des pertes par courants de Foucault dans les particules de fer sphériques est [10] :

(

)

Pfouc pertes par courants de Foucault (W/m3)

D diamètre des particules (m)

f fréquence (Hz)

B niveau d’induction (T)

ρ résistivité du matériau (Ωm)

Les pertes par courants de Foucault augmentent donc selon le carré du diamètre des particules alors que les pertes par hystérésis suivent une décroissance proportionnelle au diamètre des particules de fer, tel qu’il est illustré à la figure 1.13 (mesures faites au sein de l’entreprise parraineuse de cette thèse). Cette figure présente les variations des pertes totales dans les matériaux magnétiques composites en fonction du diamètre des particules de la poudre de base pour deux fréquences de fonctionnement. Les pertes par hystérésis diminuent dans les poudres plus grossières du fait que les grains sont plus gros. Dans les petites particules, ce sont nécessairement de petits grains, donc plus de défauts et des poudres moins compressibles (une

plus grande pression de compaction nécessaire pour obtenir la même densité). La figure 1.13 présente les variations des pertes totales dans les matériaux magnétiques composites en fonction du diamètre des particules de la poudre de base pour deux fréquences de fonctionnement.

0 2 4 6 8 10 12 0 100 200 300 400 500 600

Taille des particules de fer (microns)

P e rt es m agnét iques ( w /k g)

Pertes par hystérésis

Pertes par courants de Foucault dans les particules Pertes totales Fréquence = 60 Hz 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100

Taille des particules de fer (microns)

P e rtes m agné tiqu es ( w /k g)

Pertes par hystérésis

Pertes par courants de Foucault dans les particules Pertes totales

Fréquence = 200 Hz

a) b)

Figure 1.13 : Pertes magnétiques en fonction du diamètre des particules de fer à 60 Hz (a) et 200 Hz (b)

Sur la figure 1.13, l’expression des pertes par hystérésis a été obtenue à partir de deux mesures sur le matériau fer-résine pour des poudres de granulométries différentes et approximée par une relation linéaire en fonction du diamètre usuel. On démontre ainsi qu’il existe une taille optimale de particules de fer qui minimise les pertes totales et que cette taille dépend de la fréquence de fonctionnement visée.

Malgré ces limitations au niveau des propriétés du fer dont se composent les particules, une démonstration de la faisabilité d’un matériau composite avec de faibles pertes a été effectuée. En utilisant une poudre de fer sphérique très compressible et un excellent contrôle du revêtement de surface, Maeda et al. [25] ont démontré qu’il est possible d’obtenir des pertes magnétiques de 68 W/kg avec 1 T d’induction et une fréquence de 1 kHz. Les matériaux magnétiques composites usuels ont de leur côté des pertes par hystérésis d’environ 180 W/kg dans les mêmes conditions de fonctionnement.

1.7.3 Propriétés mécaniques et thermiques des matériaux magnétiques