Noyaux magnétiques dans Flux
Introduction
Les dispositifs électromagnétiques tels que les moteurs, les générateurs, les actionneurs, les transformateurs et les électroaimants sont le plus souvent construits avec des pièces de matériaux magnétiques à forte perméabilité magnétique. Leur but est de confiner, guider et renforcer le champ magnétique créé par les bobines ou les aimants qui intègrent le dispositif, en réduisant les fuites de flux dans l'air. Ils permettent d'accroître le couplage magnétique entre les parties et d'augmenter la densité d'énergie stockée par le champ. Ces caractéristiques sont hautement souhaitables pour les transducteurs électromécaniques, car elles permettent d'améliorer leurs performances.
Ces pièces sont collectivement appelées noyaux magnétiques dans la pratique du génie électrique. Elles comprennent les rotors et les stators des machines tournantes, les parties statiques et mobiles des actionneurs électromécaniques et sont généralement ferromagnétiques. En outre, elles sont également plus ou moins conductrices, ce qui provoque la génération en leur sein de courants de Foucault, notamment dans le cas de dispositifs à courant alternatif. Ces deux phénomènes peuvent générer des pertes dépendant de la fréquence qui ont un impact sur les performances du dispositif et qui doivent donc être prises en compte lors de la conception.
Ce chapitre du guide d'utilisation traite de la représentation des noyaux magnétiques dans Flux. Ceux-ci peuvent être modélisés à l'aide de différents types de régions et de matériaux, ce qui conduit à différentes approches pour l'évaluation des pertes fer. Le choix dépend d'un compromis entre la complexité du modèle résultant et la précision des phénomènes physiques que l'utilisateur veut représenter. Les sujets suivants sont abordés :
Types de région pour représenter les noyaux magnétiques
Les noyaux magnétiques peuvent être construits avec des pièces solides de métaux ferromagnétiques (par exemple, en fer) ayant la forme souhaitée, en particulier dans le contexte des applications à courant continu (c'est-à-dire sans courants de Foucault). Dans le cas général de courants et de champs variables dans le temps, les courants induits et les pertes correspondantes doivent être limités par le concepteur. Pour ce faire, il a généralement recours à l'une des stratégies suivantes :
- l'alliage avec un matériau différent, tel que le silicium, afin d'augmenter la résistivité ;
- l'utilisation de matériaux hautement perméables ayant une résistivité très élevée (par exemple, les ferrites) ;
- l'utilisation de matériaux composés de grains isolés (par exemple, les poudres de fer frittées ou pressées) pour mouler la forme de noyau souhaitée ;
- l'empilage de tôles en acier électrique hautement perméable, isolées entre elles.
- Régions magnétiques non conductrices : une région avec un matériau magnétique assigné (hystérétique ou non) et dans laquelle les courants de Foucault ne sont pas autorisés à circuler. Cette région est bien adaptée à la représentation des noyaux massifs des catégories 1, 2 et 3 ci-dessus.
- Régions magnétiques feuilletées non conductrices : aussi une région avec un matériau magnétique assigné et dans laquelle les courants de Foucault ne peuvent pas circuler, mais avec des spécificités qui simplifient la représentation des noyaux formés d'un empilement de tôles d'acier électrique (catégorie 4 ci-dessus). Notamment, ce type de région tient compte de l'isolation entre les tôles, qui réduit le volume effectif rempli d'acier. Elle peut également tenir compte des effets magnéto-mécaniques liés à la fabrication de l'empilement (par exemple, le poinçonnage des tôles d'acier électrique) qui modifient ultérieurement la propriété magnétique B(H) de la région.
- Régions de type conducteur massif : une région où le matériau assigné a des propriétés magnétiques B(H) et électriques J(E) pour la prise en compte des courants de Foucault pendant la résolution ; la précision est accrue, néanmoins les ressources de calcul nécessaires augmentent. Cette région permet de représenter les noyaux massifs des catégories 1, 2 et 3 ci-dessus, ainsi que les empilements de tôles d'acier (catégorie 4 ci-dessus) dans les projets 3D.
Évaluation des pertes dans les noyaux magnétiques
L'évaluation des pertes fer dans les noyaux magnétiques est d'une importance capitale pour la conception de dispositifs électromagnétiques efficaces. Cependant, ce calcul dépend des relations constitutives non linéaires et hystérétiques B(H) du matériau constituant le noyau.
Une représentation complète de l'hystérésis dans une simulation par éléments finis nécessite une résolution dans le domaine temporel (c'est-à-dire, une application Magnétique Transitoire dans Flux) et des ressources de calcul importantes, ce qui génère des temps de résolution longs. Pour contourner cet inconvénient, des techniques alternatives sont également disponibles dans Flux pour évaluer les pertes dans les noyaux magnétiques, sans tenir compte explicitement de la nature hystérétique de leurs matériaux pendant la résolution.
- Approche à posteriori : un matériau non-hystérétique est assigné à la
région décrivant le noyau. Après résolution, une distribution de champ
supposée suffisamment proche de la distribution réelle dans le noyau
(c'est-à-dire, la distribution qu'aurait été calculée avec la représentation
de l'hystérésis) est obtenue. Ensuite, en post-traitement, des modèles
empiriques ou phénoménologiques sont appliqués aux distributions de champ
obtenues pour estimer les pertes. Flux implémente deux de ces modèles de
pertes :
- une version modifiée du modèle de Bertotti, qui appartient à la famille des modèles de type Steinmetz pour les pertes fer ;
- le modèle Loss Surface, qui s'appuie sur des mesures magnétiques.
- Approche à priori : un matériau mettant en œuvre un modèle
d'hystérésis est assigné à la région décrivant le noyau dans une simulation
Magnétique Transitoire. Flux propose deux modèles de ce type :
- le modèle de Preisach ;
- le modèle de Jiles-Atherton.