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Structures de circuits magnétiques courantes
Les circuits magnétiques sont essentiels à de nombreux dispositifs électriques et électroniques, des transformateurs et inducteurs aux moteurs et générateurs. La compréhension des structures de circuits magnétiques courantes est cruciale pour les ingénieurs et les scientifiques impliqués dans la conception, l'analyse et l'optimisation de ces dispositifs. Cet article propose une exploration approfondie des structures de circuits magnétiques courantes, incluant leurs composants de base, leurs principes de fonctionnement et leurs applications. Il aborde les circuits magnétiques simples, les circuits magnétiques composés et certains circuits magnétiques spécifiques.
1. Introduction
Les circuits magnétiques sont analogues aux circuits électriques, mais au lieu de traiter la circulation du courant électrique, ils traitent la circulation du flux magnétique. L'étude des circuits magnétiques permet de comprendre comment les champs magnétiques sont distribués et contrôlés au sein d'un matériau magnétique et d'une configuration d'entrefer donnés. Les structures de circuits magnétiques courantes sont conçues pour atteindre des caractéristiques de champ magnétique spécifiques, telles qu'une densité de flux magnétique élevée, de faibles fuites magnétiques et un transfert d'énergie efficace.
2. Composants de base des circuits magnétiques
2.1 Noyau magnétique
Le noyau magnétique est l'élément principal d'un circuit magnétique ; il assure un chemin de faible réluctance au flux magnétique. Il est généralement constitué de matériaux ferromagnétiques tels que le fer, l'acier ou les ferrites. Les matériaux ferromagnétiques possèdent une perméabilité magnétique élevée, ce qui signifie qu'ils peuvent être facilement magnétisés et démagnétisés. La forme du noyau magnétique peut varier considérablement : cylindrique, rectangulaire ou toroïdale.
- Noyau cylindrique : Fréquemment utilisé dans les solénoïdes et certains types d’inducteurs, il offre un circuit magnétique relativement simple et symétrique. Par exemple, dans un solénoïde simple, un noyau cylindrique est placé à l’intérieur d’une bobine de fil conducteur. Lorsqu’un courant électrique traverse la bobine, un champ magnétique est généré et le flux magnétique est concentré à l’intérieur du noyau cylindrique.
- Noyau rectangulaire : Fréquemment utilisé dans les transformateurs et certains capteurs magnétiques, sa forme rectangulaire facilite l’empilement des tôles afin de réduire les pertes par courants de Foucault. Les noyaux feuilletés sont constitués de fines feuilles de matériau magnétique empilées, séparées par une couche isolante. Cette structure interrompt les trajets des courants de Foucault, réduisant ainsi les pertes d’énergie qui leur sont dues.
- Noyau toroïdal : Un noyau toroïdal est un noyau magnétique en forme d’anneau. Il présente l’avantage d’une très faible fuite magnétique, car le flux magnétique est entièrement confiné à l’intérieur du noyau. Les noyaux toroïdaux sont largement utilisés dans les inductances et les transformateurs hautes performances, notamment dans les applications exigeant une faible interférence électromagnétique (IEM).
2.2 Bobine (Enroulements)
La bobine, également appelée enroulement, est un élément essentiel d'un circuit magnétique. Elle est constituée de plusieurs spires de fil enroulées autour du noyau magnétique. Lorsqu'un courant électrique traverse la bobine, il génère une force magnétomotrice (FMM), analogue à la force électromotrice (FEM) dans un circuit électrique. La FMM est donnée par la formule : , où est le nombre de spires de la bobine et est le courant qui traverse la bobine.
- Enroulements monocouches : Dans les enroulements monocouches, le fil est enroulé autour du noyau en une seule couche. Ce type d’enroulement est simple à réaliser, mais peut présenter une inductance de fuite relativement importante.
- Enroulements multicouches : Les enroulements multicouches permettent d’augmenter le nombre de spires dans un espace restreint. Ils peuvent être bobinés selon différents motifs, tels que des enroulements hélicoïdaux ou en panier. Les enroulements multicouches peuvent réduire l’inductance de fuite et augmenter l’inductance de la bobine, mais ils peuvent également introduire une capacité supplémentaire entre les couches.
2.3 Entrefer
Un entrefer est une région non magnétique dans un circuit magnétique. Il est souvent introduit intentionnellement dans les circuits magnétiques pour diverses raisons, comme le contrôle de la densité de flux magnétique, la création d'un dégagement mécanique ou le déplacement de composants. La présence d'un entrefer augmente la réluctance du circuit magnétique car l'air possède une perméabilité magnétique bien inférieure à celle des matériaux ferromagnétiques.
3. Structures de circuits magnétiques simples
3.1 Circuit magnétique du solénoïde
Un solénoïde est un circuit magnétique simple constitué d'un noyau cylindrique et d'une bobine de fil enroulée autour de celui-ci. Lorsqu'un courant continu (CC) ou alternatif (CA) traverse la bobine, un champ magnétique est généré le long de l'axe du solénoïde.
- Électroaimant à courant continu : Dans un électroaimant à courant continu, le champ magnétique est stable tant que le courant est constant. L’induction magnétique à l’intérieur de l’électroaimant peut être approximée par la formule , où est la perméabilité du vide ( ), est la perméabilité relative du matériau du noyau, est le nombre de spires par unité de longueur et est le courant. Les électroaimants à courant continu sont couramment utilisés dans les relais, les vannes et les actionneurs.
- Électroaimant à courant alternatif : Dans un électroaimant à courant alternatif, le courant et le champ magnétique varient de façon sinusoïdale. L’inductance de l’électroaimant influence fortement la relation courant-tension. Les électroaimants à courant alternatif sont utilisés dans des applications nécessitant une commutation rapide du champ magnétique, comme dans certains moteurs et interrupteurs.
3.2 Circuit magnétique d'inducteur toroïdal
Une bobine toroïdale est un circuit magnétique constitué d'un noyau toroïdal autour duquel sont enroulés des enroulements. La forme toroïdale permet de confiner le flux magnétique à l'intérieur du noyau, ce qui réduit les fuites magnétiques.
L'inductance d'une bobine toroïdale peut être calculée à l'aide de la formule , où est le nombre de spires, l'aire de la section du noyau et le rayon moyen du tore. Les bobines toroïdales sont largement utilisées dans les applications haute fréquence, telles que les circuits radiofréquences (RF) et les alimentations, en raison de leurs faibles caractéristiques d'interférences électromagnétiques (EMI).
4. Structures de circuits magnétiques composés
4.1 Circuit magnétique du transformateur
Un transformateur est un circuit magnétique composé de deux bobines (primaire et secondaire) ou plus, enroulées autour d'un noyau magnétique commun. La bobine primaire est alimentée par une source de courant alternatif, qui génère un flux magnétique alternatif dans le noyau. Ce flux magnétique interagit avec la bobine secondaire, induisant une tension alternative dans celle-ci, conformément à la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique.
- Transformateur à noyau : Dans un transformateur à noyau, les enroulements sont placés sur les branches du noyau. Le flux magnétique traverse le noyau et alimente les enroulements primaire et secondaire. Les transformateurs à noyau sont largement utilisés dans les systèmes de distribution et de transport d'énergie électrique en raison de leur conception relativement simple et de leur rendement élevé.
- Transformateur à noyau en coquille : Dans un transformateur à noyau en coquille, les enroulements entourent le noyau central. Cette structure assure un meilleur blindage magnétique et réduit les fuites de flux entre les enroulements primaire et secondaire. Les transformateurs à noyau en coquille sont fréquemment utilisés dans les applications de faible puissance, comme les appareils électroniques et les équipements audio.
4.2 Circuit magnétique du moteur à réluctance
Un moteur à réluctance est un type de moteur électrique fonctionnant selon le principe de la réluctance magnétique. Son circuit magnétique est composé d'un stator et d'un rotor, tous deux dotés de pôles saillants. Les pôles du stator sont excités par un champ magnétique, et le rotor tend à s'aligner avec eux afin de minimiser la réluctance magnétique du circuit.
Le couple d'un moteur à réluctance est donné par la formule , où est le courant dans les enroulements du stator, l'inductance du moteur et la position angulaire du rotor. Les moteurs à réluctance sont de conception simple, très fiables et utilisés dans des applications telles que les ventilateurs, les pompes et certains entraînements industriels.
5. Structures de circuits magnétiques à usage spécifique
5.1 Circuit magnétique de l'amplificateur magnétique
Un amplificateur magnétique est un dispositif qui exploite les propriétés magnétiques non linéaires d'un noyau magnétique pour amplifier un signal électrique. Le circuit magnétique d'un amplificateur magnétique est généralement constitué d'un noyau comportant plusieurs enroulements, dont un enroulement de commande et un enroulement de sortie.
En appliquant un courant de commande à l'enroulement de commande, on modifie la perméabilité magnétique du noyau, ce qui influe sur le flux magnétique et la tension induite dans l'enroulement de sortie. Les amplificateurs magnétiques étaient autrefois largement utilisés pour l'amplification et la commande de signaux dans des applications telles que les alimentations électriques et les systèmes de commande de moteurs. Bien qu'ils aient été en grande partie remplacés par des amplificateurs à semi-conducteurs dans de nombreuses applications, ils restent utilisés dans certaines applications exigeant une puissance et une fiabilité élevées.
5.2 Circuit magnétique d'imagerie par résonance magnétique (IRM)
Dans un système d'IRM, un champ magnétique très puissant et uniforme est nécessaire pour aligner les spins nucléaires des atomes du corps humain. Le circuit magnétique d'un système d'IRM est constitué d'un grand aimant supraconducteur, refroidi à une température extrêmement basse pour atteindre la supraconductivité. Cet aimant supraconducteur génère un champ magnétique de haute intensité avec une résistance extrêmement faible.
Le circuit magnétique comprend également des bobines de gradient, utilisées pour créer des champs magnétiques spatialement variables permettant l'encodage spatial des signaux IRM. La conception du circuit magnétique IRM est cruciale pour l'obtention d'images de haute qualité et prend en compte des aspects tels que l'uniformité du champ magnétique, la linéarité du champ de gradient et la sécurité du patient.
6. Conclusion
Les circuits magnétiques classiques jouent un rôle essentiel dans de nombreuses applications électriques et électroniques. Des solénoïdes et inductances toroïdales simples aux transformateurs complexes et aux systèmes d'IRM, leur conception et leur analyse nécessitent une connaissance approfondie des matériaux magnétiques, de la théorie des champs magnétiques et des principes de fonctionnement des circuits.
En optimisant les structures des circuits magnétiques, les ingénieurs peuvent améliorer les performances, l'efficacité et la fiabilité de divers dispositifs. Les recherches futures en conception de circuits magnétiques pourraient se concentrer sur le développement de nouveaux matériaux magnétiques, l'intégration des circuits magnétiques aux dispositifs semi-conducteurs et la miniaturisation des composants magnétiques pour des applications émergentes telles que l'électronique portable et les nanotechnologies.
En conclusion, une connaissance approfondie des structures de circuits magnétiques courants est essentielle pour les professionnels des domaines du génie électrique, de l'électronique et de la physique appliquée, leur permettant d'innover et de faire progresser la technologie dans divers secteurs industriels.
