Les matériaux d’une machine électrique

Le cycle d’hystérésis est une caractéristique permettant de déterminer si on est en présence d’un matériau magnétique doux ou dur. on définit les matériaux magnétiques doux les matériaux qui possèdent un champ coercitif petit. La surface de leur cycle d’hystérésis est faible. Contrairement aux matériaux magnétiques durs où leur champ coercitif est élevé et donc leur surface du cycle d’hystérésis est importante.

Les matériaux durs 

Un aimant permanent a pour fonction de créer un champ magnétique extérieur, mais ceci n’est possible que s’il possède des pôles. Les pôles sont des zones dont la polarisation possède une composante normale à la surface. Un champ démagnétisant Hd est produit par ces masses magnétiques mais est inexistant au départ. Ainsi, un matériau magnétique dur devient un aimant permanent s’il a subi l’action d’un champ magnétique extérieur Hmag qui va provoquer des transformations irréversibles sur la polarisation dans les domaines. Ces modifications vont amener à l’apparition des pôles.

Pour fabriquer des aimants permanents, on utilise des matériaux magnétiques durs. Les aimants sont employés dans beaucoup d’applications: les moteurs, générateurs, hauts parleurs, instrumentation, supports d’enregistrement etc… Le type de matériau constituant l’aimant permanent a un impact plus ou moins significatif sur la puissance de celui-ci. Le phénomène de démagnétisation et l’influence de la température sur le flux dépendent aussi du matériau utilisé.

Les paramètres électromagnétiques et thermiques qui caractérisent un aimant sont (Thomas Wu, 2010) :
• la rémanence Br définit la densité de flux magnétique en Tesla, qui représente le flux maximal que l’aimant est capable de produire. La rémanence mesure l’induction ou la densité de flux persistante dans un aimant après avoir été magnétisé;
• la force d’excitation Hc définit coercitive magnétique des champs en A/m ou en Oe (Oersted) et représente la valeur où l’aimant devient démagnétisé par un champ externe. En connaissant cette valeur d’excitation coercitive, on peut en déduire le champ magnétique nécessaire pour démagnétiser l’aimant. Plus sa valeur est grande et plus il sera difficile de le démagnétiser avec un champ magnétique de direction opposé;
• le produit BHmax définit la densité d’énergie complète. Plus ce paramètre est élevé, plus l’aimant est puissant. Cette quantité représente l’énergie maximum qui peut être emmagasinée dans un aimant. L’unité est le MGOe (méga Gauss Oersted) ou le kJ/m³;
• T coef de Br correspond au coefficient de température de Br en % par degré Centigrade. Il permet de connaître la variation du flux en fonction de la température. Un coefficient de -0.40 signifie que pour une augmentation de température de 100 degrés Centigrade, son flux magnétique diminuera de 40 %;
• la température maximale de l’aimant à laquelle il fonctionne. Après que la température soit redescendue en dessous de cette valeur, il se comporte comme avant et ne perd pas ses propriétés électromagnétiques (comportement réversible);
• la température de Curie indique qu’au-dessus de ce seuil, l’aimant est démagnétisé pour toujours. Lorsque la température retourne en-dessous de cette valeur, il ne se comporte plus comme avant. Si la température de l’aimant se situe entre Tmax et Tcurie, il se remet partiellement, mais non entièrement (comportement non réversible).

Les matériaux doux 

À ce jour, plusieurs types de matériaux doux existent dans la fabrication des machines électriques : le fer pur, fer allié au silicium, fer allié au nickel, les ferrites, les alliages spéciaux et les noyaux comprimés. Plusieurs recherches ont permis d’identifier les matériaux le plus souvent utilisés pour le rotor et le stator des machines synchrones à aimant permanent.

Offrant un très bon rapport perméabilité/coût et des pertes magnétiques très faibles (B = Constante), le fer doux est très souvent utilisé. En industrie, on utilise aussi le fer doux pour son bas prix et principalement pour les relais électromécaniques, les transformateurs, les moteurs etc…

Les ferrites sont employées pour les circuits fonctionnant à très hautes fréquences et les alliages pour les gros circuits. Dans les fréquences moyennes, on peut utiliser soit l’un, soit l’autre. Purifier le fer permet d’améliorer grandement les qualités magnétiques mais le processus de purification est onéreux. Cependant, le fer non allié est utilisé dans certaines applications : fabrication des pôles aimants.