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RÉSUMÉ
Les aimants permanents présentent des perspectives d’avenir très favorables dans un certain nombre de domaines industriels. La croissance du marché automobile ajoutée à celle du nombre d’aimants par véhicule continuent de faire progresser le marché des aimants permanents, essentiellement des ferrites. D’autres secteurs d’activités, tels que l’aéronautique, l’énergie éolienne, les technologies de l’information, utilisent des aimants de la famille des terres rares, essentiellement Nd-Fe-B. Les autres familles d’aimants, tels que Alnico, Sm-Co sont utilisés pour des applications de niche, en raison de leurs propriétés spécifiques.
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Luc LECHEVALLIER : Docteur en Physique - Maître de Conférences à l’IUP Génie Électrique de l’Université de Cergy-Pontoise - Groupe de Physique des Matériaux, UMR CNRS 6634 - Université de Rouen, Faculté des Sciences et Techniques
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Jean-Marie LE BRETON : Docteur en Physique - Professeur à l’Université de Rouen - Groupe de Physique des Matériaux, UMR CNRS 6634 - Université de Rouen, Faculté des Sciences et Techniques
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Philippe TENAUD : Ingénieur, Docteur en Physique - Directeur recherche et développement - UGIMAG, Saint Pierre d’Allevard
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Antoine MOREL : Docteur en Physique - Ingénieur recherche et développement - UGIMAG, Saint Pierre d’Allevard
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Serge BRASSARD : Ingénieur, Docteur en Génie Électrique - Ingénieur recherche et développement - UGIMAG, Saint Pierre d’Allevard
INTRODUCTION
Les aimants permanents présentent des perspectives d’avenir très favorables dans un certain nombre de domaines industriels. La croissance du marché automobile ajoutée à celle du nombre d’aimants par véhicule continuent de faire progresser le marché des aimants permanents, essentiellement des ferrites.
D’autres secteurs d’activités plus novateurs et en fort développement, tels que l’aéronautique, l’énergie (éolienne), les technologies de l’information, utilisent des aimants de la famille des terres rares, essentiellement Nd-Fe-B. Les autres familles d’aimants (Alnico, Sm-Co) sont utilisés pour des applications de niche, en raison de leurs propriétés spécifiques : Alnico pour des applications telles que la métrologie, et Sm-Co pour des applications à haute température ou en atmosphère agressive..
L’étude des applications des aimants permanents abordée dans ce dossier envisage les différentes conversions d’énergie qu’il est possible d’obtenir avec ces aimants.
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2. Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique
Parmi les appareils électriques qui convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique, les moteurs et les haut-parleurs sont ceux qui consomment annuellement les plus forts tonnages mondiaux d’aimants permanents. Parmi les moteurs électriques les plus répandus, les moteurs à courant continu et les moteurs synchrones utilisent des aimants permanents.
2.1 Moteurs à courant continu
Ces moteurs sont alimentés par des tensions continues. Ils présentent l’avantage d’être très facilement commandés en régime de vitesse variable et se rencontrent dans la plupart des servomoteurs utilisés pour des fonctionnements de faible puissance (inférieure à 5 kW).
Les moteurs à courant continu comportent un induit et un inducteur. Si l’induit est généralement constitué de bobinages en cuivre, l’inducteur peut être réalisé soit avec des bobinages en cuivre (figure 5), soit avec des aimants permanents (figure 6). L’ensemble stator/rotor est représenté sur la figure 7 pour la seconde configuration. Nous nous intéressons ici aux avantages que représente l’utilisation des aimants permanents en tant qu’inducteurs à la place des bobinages en cuivre. Pour en savoir davantage sur le moteur à courant continu, le lecteur pourra se reporter utilement aux références [23] [24] [25].
L’utilisation des inducteurs à aimants permanents plutôt que des inducteurs bobinés présente les avantages suivants :
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le diamètre du moteur est plus faible d’environ 15 à 30 % avec des ferrites et jusqu’à 50 % avec des aimants Nd-Fe-B ;
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la masse du moteur est réduite d’environ 20 à 30 % avec des ferrites et d’environ 80 % avec des aimants Nd-Fe-B ;
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la consommation de courant est inférieure puisqu’il n’y a pas de courant inducteur, le rendement énergétique s’en trouve donc amélioré d’environ 10 à 15 % ;
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la fiabilité du moteur est accrue car il ne peut y avoir de rupture du bobinage inducteur ;
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le montage étant plus simple et donc plus rapide, la fabrication des moteurs à aimants est plus simple à automatiser que celle des moteurs à inducteur bobiné ; cela a été déterminant dans le développement...
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ANNEXES
Le marché des aimants permanents a été estimé à 4,4 milliards de $ US en 1998, à plus de 5 milliards de $ US en 2000 et à 8 milliards de $ US en 2007. Il devrait poursuivre sa croissance pour atteindre 11 milliards de $ US en 2010.
De performances magnétiques modestes mais de faible coût, les ferrites restent la famille d’aimants qui domine le marché mondial à la fois en tonnage (90 %) et en chiffre d’affaire (environ la moitié du marché mondial). Ce marché augmente d’environ 5 à 8 % par an. Il bénéficie de la croissance du marché...
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