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RÉSUMÉ
Le fonctionnement des circuits magnétiques est régi par deux modèles : les équations de Maxwell (équations locales) et le modèle de Krichhoff (au niveau du circuit). Pour comprendre, modéliser et maîtriser un circuit magnétique, il est nécessaire d'envisager ces deux modèles en prenant en compte les propriétés des phénomènes magnétiques reposant principalement sur la conservation du flux et la perméabilité des divers milieux. Cet article détaille les principes de base de l'électromagnétisme. De même sont expliquées les caractéristiques des circuits et matériaux ferromagnétiques, avec des notions abordées telles que la perméance ou la réfraction. Enfin, est exposée l'expression de la force électromécanique, que ce soit en tant que dérivée de l'énergie magnétique ou qu'intégrale du tenseur de Maxwell.
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Marcel JUFER : Docteur ès sciences techniques - Professeur honoraire de l'École polytechnique fédérale de Lausanne - Dr Honoris causa Cluj (Roumanie), Mons (Belgique) et Grenoble (France)
INTRODUCTION
La conversion d'énergie électrique en énergie mécanique ou en énergie électrique de tensions différentes (transformateurs) recourt à deux types de phénomènes :
-
les phénomènes électriques associés au courant ;
-
les phénomènes magnétiques associés au flux magnétique.
Ces deux types de phénomènes, liés par les équations de Maxwell, interagissent de façon très directe dans les systèmes électromécaniques et électromagnétiques. En effet, les circuits correspondants, supports respectifs du courant et du flux, sont toujours imbriqués.
L'étude de tout système électromécanique peut se rattacher à deux modèles situés à des niveaux différents.
Le modèle de Maxwell , caractérisé par des équations locales, suppose les milieux continus. Il permet, principalement, l'analyse de la distribution des lignes de champ (induction magnétique, densité de courant) associées à un milieu électrique ou magnétique.
Le modèle de Kirchhoff, caractérisé par la notion de circuits, comprenant des composants (résistance R, inductance L et condensateur C) et des grandeurs (tension U, courant I et flux magnétique Φ), résulte de l'intégrale de champs ou de variables locales.
Le recours à un tel modèle et aux équations associées, lorsque cela est possible, simplifie l'analyse et en accroît l'efficacité.
L'analyse de circuits magnétiques implique principalement le passage du modèle de Maxwell à celui de Kirchhoff. Cela se fait en prenant en compte les propriétés des phénomènes magnétiques reposant principalement sur la conservation du flux et la perméabilité des divers milieux ; par ailleurs, l'analogie avec les circuits électriques permet une meilleure compréhension des phénomènes.
La maîtrise des circuits magnétiques, sous forme locale ou intégrale, permet de traiter les aimants permanents et les circuits ferromagnétiques, afin de calculer les forces et couples résultants, ainsi que les effets parasites tels que la saturation.
En dernier lieu, la conception de systèmes utilisant des circuits magnétiques met en évidence, au travers d'exemples, la démarche spécifique.
Les principes de base de l'électromagnétisme dans le domaine stationnaire (basse fréquence) et la méthodologie des circuits magnétiques qui en découlent sont l'objet du présent dossier. Des exemples d'application sont présentés dans le document [D 1 051], avec des illustrations empruntés aux actionneurs, polarisés, à bobine mobile, aux effets parasites du fer, aux structures à réluctance variable et aux moteurs pas à pas.
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- Version archivée 1 de juin 1996 par Marcel JUFER
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3. Circuits ferromagnétiques. Matériaux ferromagnétiques
3.1 Caractérisation
Tous les matériaux ont une perméabilité très proche ou égale à celle du vide, à l'exception des matériaux ferromagnétiques. Ceux-ci sont constitués de fer, de nickel, de cobalt et de leurs alliages. Ils sont caractérisés par une perméabilité μ f nettement plus élevée que celle du vide :
La perméabilité relative μ rf = μ f / μ 0 varie de 10 à 10 000, selon les matériaux et le niveau de saturation.
Un matériau ferromagnétique (cf. [D 1 020] Électromagnétisme) est caractérisé par des propriétés de saturation (diminution de la perméabilité avec le niveau d'induction) et d'hystérésis. Celles-ci sont représentées par le diagramme de la figure 23.
Les propriétés des matériaux ferromagnétiques sont utilisées dans la conception et la construction des transformateurs et des moteurs. Elles sont caractérisées dans les paragraphes suivants.
HAUT DE PAGE3.2 Perméance
Le circuit magnétique de la figure 24 comprend une partie ferromagnétique et de l'air.
Il peut être représenté par le schéma équivalent de la figure 25.
Pour des sections identiques S du fer et de l'air et des longueurs respectives
, on peut définir...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SABONNADIÈRE (J.C.), COULOMB (J.L.) - Éléments finis et CAO. - Éd. Hermès, Paris (1986).
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(2) - JUFER (M.) - Électromécanique, Traité d'électricité. - Presses polytechniques et universitaires romandes, vol. IX, Lausanne (1995).
-
(3) - WOODSON (H.), MELCHER (J.) - Electromechanical dynamics. - KRIEGER (R.E.) publishing Co, Malagar FI (1985).
-
(4) - SCHÜLER (K.), BRINKMANN (K.) - Dauermagnete – Werkstoff und Anwendung. - Springer Verlag, Berlin (1970).
-
(5) - MOULLIN (E.B.) - The principles of Electromagnetism. - 2nd edition, Clarendon Press, Oxford (1950).
-
(6) - KUERT (C.M.) - Modélisation de moteurs pas à pas hybrides. - Thèse EPFL no 2323, Lausanne (2000).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Circuits magnétiques – Principes.
-
Calcul des champs électromagnétiques.
ANNEXES
Circuits http://www.5spice.com/download.htm http://www.next.gr/software/circuit-analysis
Éléments finis (Flux 2D-3D) http://www.cedrat.com/fileadmin/user_upload/cedrat_groupe/Software_solutions/flux:flux-fr.pdf
HAUT DE PAGE
Conférences IMACS http://www.mssanz.org.au/modsim09 http://www.imacs.polytechnique.fr http://www.lmpa.univ-littoral.fr/IMACS09
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