ÉLECTRO-AIMANTS

Le circuit magnétique

Le circuit magnétique comprend de façon très générale une culasse et des noyaux destinés à canaliser les lignes de force du champ. Aux extrémités du circuit magnétique, de part et d'autre de l'entrefer, se trouvent les pièces polaires. Elles ont pour but soit de conférer au champ une certaine morphologie dans le volume utile de l'entrefer, soit de renforcer son intensité ou son homogénéité.

La conception de ces éléments et les matériaux employés pour les réaliser varient suivant que le flux magnétique qui traverse le circuit est constant ou variable en fonction du temps. En effet, lorsqu'un élément de circuit magnétique est traversé par un flux variable, des pertes de puissance y apparaissent. De façon à diminuer l'importance des pertes par courants de Foucault (ou courants induits), les circuits magnétiques sont soit feuilletés, soit réalisés avec des grains métalliques très fins agglomérés à l'aide de résines synthétiques. Afin de réduire les pertes par hystérésis, on emploie des matériaux dont la surface du cycle d'hystérésis est le plus faible possible. Lorsque le flux magnétique traversant le matériau est continu, il n'y a pas d'inconvénient à utiliser des pièces massives.

Les matériaux ferromagnétiques

Le fer de haute pureté est un excellent matériau magnétique (des perméabilités relatives μ_r de 250 000 ont été obtenues avec des échantillons polycristallins recuits). Le taux de pureté commercial de ce matériau le rend très intéressant dans de nombreuses applications. L' acier (coulé ou forgé) est employé lorsque le circuit magnétique doit être soumis à des efforts mécaniques importants. L'acier forgé peut être préféré à l'acier coulé pour réaliser des pièces de grande résistance mécanique, comme les rotors des turbo-alternateurs par exemple.

Les alliages fer-nickel présentent des propriétés variables en fonction de leur composition, telles que : perméabilité élevée dans les champs faibles et induction de saturation élevée, ou perméabilité moyenne et grande résistivité électrique (pertes par courants de Foucault plus faibles).

Enfin, les alliages fer-cobalt avec addition de chrome ou de vanadium pour améliorer leurs qualités mécaniques sont très employés du fait de leur induction de saturation élevée (2,4 Wb . m^-2 contre 2,16 pour le fer pur et 1,98 pour la tôle au silicium).

Les tôles utilisées pour la réalisation des circuits feuilletés fonctionnant en courant alternatif comportent toutes une adjonction de silicium dont la teneur varie de 0,6 à 4 p. 100 environ. Les tôles à cristaux orientés présentent par rapport à ces dernières des dissipations encore plus faibles (1,2 W . kg^-1 au lieu de 2,2 dans une induction alternative sinusoïdale à 50 Hz de valeur maximale 1,7 Wb . m^-2, pour une tôle de 0,35 mm d'épaisseur).

Les bobinages

Les matériaux avec lesquels sont réalisés les bobinages d'excitation sont choisis en fonction de la densité de courant qui y circule et des conditions de refroidissement. La comparaison des expressions (3) et (4) montre que pour obtenir la même valeur de l'induction magnétique avec et sans circuit magnétique, il faut faire circuler dans le bobinage des courants dont le rapport est :

Les matériaux les plus utilisés pour réaliser les bobinages d'électro-aimants comportant un circuit magnétique sont le cuivre et l'aluminium. Suivant le mode de refroidissement (convection naturelle ou circulation forcée d'air, d'eau ou d'huile), les densités de courant atteintes varient entre 5 et 50 ampères par millimètre carré environ.

Les matériaux utilisés dans les électro-aimants sans circuit magnétique doivent supporter de grandes densités de courant. Dans les bobines de Bitter, en cuivre refroidi par une[...]