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1 - MATÉRIAUX MAGNÉTIQUES DOUX

2 - AIMANTS PERMANENTS

3 - TRAÇABILITÉ ET INCERTITUDE DES MESURES MAGNÉTIQUES

Article de référence | Réf : D1505 v1

Matériaux magnétiques doux
Mesures magnétiques - Mesurage des propriétés magnétiques des matériaux

Auteur(s) : Fausto Fiorillo, Frédéric Mazaleyrat

Relu et validé le 26 avr. 2021

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RÉSUMÉ

La caractérisation des matériaux magnétiques et la plupart des applications reposent sur le mesurage du cycle d'hystérésis magnétique et de ses paramètres, indispensables à la production, la vente et à l'utilisation des matériaux. Cet article propose d’apporter les bases des méthodologies de mesure appliquées à la détermination des hystérésis des matériaux magnétiques sous excitation continue et alternative. Sont présentées des procédures de mesure typiques mises en œuvre pour la caractérisation d'échantillon massifs, de tôles, de bandes ou de rubans. Le choix se portera en priorité sur des méthodes comparables et reproductibles, et pas forcément celles qui donnent le résultat le plus proche des caractéristiques intrinsèques du matériau.

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ABSTRACT

Magnetic measurements -Measurement of the magnetic properties of materials

The characterization of magnetic materials and most applications is based upon the measurement of the magnetic hysteresis cycle and its parameters which are essential to the production, sale and usage of materials. This article provides the bases for the measurement methodologies applied to the determination of magnetic material hysteresis under continuous and alternative excitation. It presents the typical measurement processes implemented in order to characterize massive samples, steel sheets, tapes or ribbons. Priority must be given to comparable and reproducible methods and not necessarily only to those which give the result which is the closest to the intrinsic material properties.

Auteur(s)

  • Fausto Fiorillo : Directeur de recherches à l'Institut national de recherches métrologiques (INRIM, Turin, Italie)

  • Frédéric Mazaleyrat : Maître de conférences à l'Université Paris (pour la traduction en français)

INTRODUCTION

Le mesurage du cycle d'hystérésis magnétique et de ses paramètres est le cœur de la caractérisation des matériaux magnétiques et la plupart des applications reposent sur ces mesures. Une fois placé dans un cadre méthodologique strictement défini par des standards écrits, il est indispensable à la production, la vente et à l'utilisation des matériaux. On recherche la relation expérimentale M(H) – c'est-à-dire J(H) ou B(H) – supposée à un niveau macroscopique, ce qui implique que M est une grandeur qui provient d'une moyenne spatiale sur la région de mesure ou sur tout l'échantillon.

Mesurer le comportement intrinsèque M(H) est un idéal, qui n'est atteint en pratique qu'à un certain degré d'approximation dans la mesure où l'effet à grande distance des champs démagnétisants rend le comportement de l'échantillon sensible à ses caractéristiques géométriques. Des contraintes pratiques sont imposées par la réalisation d'un circuit magnétique de taille convenable, car les solutions utilisées à l'échelle du laboratoire ne sont pas toujours acceptables d'un point de vue industriel. Cela est particulièrement vrai pour les matériaux doux dont les champs de fuites sont comparables (ou bien plus grands) à celui de la terre et perturbent la mesure. La reconnaissance générale va aux méthodes qui assurent une bonne reproductibilité, c'est-à-dire, à celles qui donnent des résultats équivalents à différents moments dans différents laboratoires, et pas forcément à celle qui donne le résultat le plus proche des caractéristiques intrinsèques des matériaux. Les standards de mesure sont supposés être développés pour atteindre cet objectif, au prix d'une déviation systématique des valeurs déterminées par rapport aux valeurs intrinsèques des grandeurs mesurées.

Nous allons donner dans ce dossier les bases des méthodologies de mesure appliquées à la détermination des hystérésis des matériaux magnétiques sous excitation continue et alternative. En tenant compte des problèmes liés à la géométrie des échantillons et aux caractéristiques des systèmes d'aimantation et en gardant à l'idée le cadre général procuré par les standards internationaux et les recommandations attachées, des procédures de mesure typiques sont mises en œuvre pour la caractérisation d'échantillon massifs, de tôles, de bandes ou de rubans. L'approche expérimentale évolue avec la fréquence et des méthodes spécifiques sont conçues pour les mesures en continu, ou plus exactement quasi statiques, en radio fréquences. Dans le domaine des basses et moyennes fréquences, on s'intéresse au régime non linéaire d'aimantation à forte induction ; dans le domaine des hautes fréquences, on s'intéresse principalement au régime linéaire à faible induction.

Les méthodes de production et de mesurage des champs magnétiques ont déjà été introduites dans le dossier précédent [D 1 504].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d1505


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1. Matériaux magnétiques doux

1.1 Circuits magnétiques, systèmes d'aimantation et standards de mesure

HAUT DE PAGE

1.1.1 Circuits magnétiques annulaires

Les circuits magnétiques doivent être de préférence des échantillons fermés pour le mesurage de la courbe d'aimantation et du cycle d'hystérésis, cette condition étant imposé par l'effet dramatique du champ démagnétisant comme nous l'avons illustré en [D 1 504, figure 2]. Des exemples de configurations fermées sont illustrés figure 1.

Des échantillons toroïdaux sont obtenus :

  • soit en découpant des anneaux dans une tôle et en les empilant (figure 1 a) ;

  • soit en enroulant un ruban en spirale (figure 1 b).

Plus rarement, pour les matériaux magnétiques, on prépare des anneaux massifs pour la caractérisation, typiquement par consolidation de poudres. Des échantillons empilés sont préférable pour le test de matériaux de tôles isotropes ou presque (acier bas-carbone ou Fe-Si non-orienté). Un noyau enroulé peut être considéré comme un ruban infini, même si des effets mineurs liés au passage du flux d'une couche à l'autre peuvent compliquer un peu l'analyse détaillée des propriétés magnétiques.

Bien qu'excellente du point de vue fermeture du flux, la géométrie toroïdale souffre d'un certain nombre de défauts :

  • la préparation du noyau et des bobinages prend du temps ;

  • l'enroulement produit des contraintes de flexion (la moitié de la section est en compression, l'autre est en traction) et donc, les propriétés dépendent du diamètre du tore ;

  • l'intensité du champ disponible par l'intermédiaire du bobinage...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FIORILLO (F.), MAZALEYRAT (F.) -   Mesures magnétiques. Principes et production de champs magnétiques.  -  [D 1 504] Convertisseurs et machines électriques (2009).

  • (2) - GEOFFROY (O.) -   Physique des matériaux magnétiques.  -  [D 2 080] Convertisseurs et machines électriques (2006).

  • (3) - GEOFFROY (O.) -   Propriétés techniques des matériaux magnétiques.  -  [D 2 081] Convertisseurs et machines électriques (2008).

  • (4) - BRISSONNEAU (P) -   Aimants permanents – Principes et circuits magnétiques.  -  [D 2 090] Convertisseurs et machines électriques (1990).

  • (5) - MOREL (A.), TENAUD (P.), LECHEVALLIER (L.), LE BRETON (J.-M.) -   Aimants permanents. Matériaux et propriétés.  -  [D 2 100v2] Convertisseurs et machines électriques (2009).

1 Sources bibliographiques

###

SIEVERT (J.) - Determination of AC magnetic power loss of electrical steel sheet : present status and trends. - IEEE Trans. Magn., 20, p. 1702-1707 (1984).

SIEVERT (J.) - AHLERS (H.) - FIORILLO (F.) - ROCCHINO (L.) - HALL (M.) - HENDERSON (L.) - Magnetic measurements obn electrical steels using Epstein and SST methods. Summary report of the EUROMET comparison Project no 489. - PTB-Bericht, E-74, p. 1-28 (2001).

SIEVERT (J.) - BINDER (M.) - RAHF (L.) - On the reproducibility of single sheet testers : comparison of different measuring procedures and SST designs. - Anales de Fisica, B-86, p. 76-78 (1990).

BERTOTTI (G.) - FIORILLO (F.) - PASQUALE (M.) - Measurement and prediction of dynamic loop shapes and power losses in soft magnetic materials. - IEEE Trans. Magn., 29, p. 3496-3498 (1993).

SIEVERT (J.) - The measurement of magnetic properties of electrical sheet syeel : survey on methods and situation of standards. - J. Magn. Magn. Mater., 215-216, p. 647-651 (2000).

ZIJLSTRA (H.) - A vibrating reed magnetometer for microscopic particles. - Rev. Sci. Instr., 41, p. 1241-1243 (1970).

FLANDERS (P.J.) - A vertical force alternating-gradient magnetometer. - Rev. Sci. Instr., 61, p. 839-847 (1990).

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