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Auteur(s)
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Mouloud FELIACHI : Professeur des universités, université de Nantes, - Institut universitaire de technologie de Saint-Nazaire
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Lire l’articleINTRODUCTION
Lorsqu'une pièce ferromagnétique est soumise à un champ magnétique, elle tend à se déplacer de manière à réduire la longueur du circuit magnétique. La réluctance du circuit se trouve ainsi diminuée. C'est ce principe qui est à la base du fonctionnement des convertisseurs électromécaniques et les électroaimants n'échappent pas à cette règle. L'électroaimant est schématiquement constitué de deux pièces en matériau ferromagnétique, l'une fixe et l'autre mobile (l'armature), et d'une bobine créant le champ magnétique (figure 1).
La partie fixe comporte un bobinage parcouru par un courant continu, alternatif ou transitoire. Ce courant produit un champ magnétique dans le noyau, l’armature et l’entrefer. L’interaction du champ avec la matière ferromagnétique constituant l’armature conduit à l’apparition d’une force magnétique qui tend à déplacer cette armature.
L'électroaimant est l’élément de base des systèmes électromécaniques. Son utilisation est largement répandue : électroaimant porteur, électroaimant de commande, etc. Les principaux avantages des électroaimants par rapport aux technologies concurrentes (hydraulique, pneumatique) sont liés à un coût de réalisation peu élevé, un temps de réponse faible et l'absence de pollution de l'environnement lors de leur fonctionnement. Des considérations d'économie d'énergie doivent également être signalées. L'électroaimant, dont le circuit magnétique est fermé (armature au collage), consomme, dans certaines configurations, une puissance extrêmement faible tout en produisant un effort important. Cette sobriété est particulièrement recherchée dans la sécurité incendie, par exemple.
Le choix de l'électroaimant adapté à la fonction voulue, décrite par le cahier des charges, passe par l’utilisation de modèles fiables de conception et de simulation du fonctionnement de l’électroaimant.
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4. Modélisation
Pour concevoir de manière optimale un électroaimant, il est nécessaire de faire appel à un outil de modélisation. Cette modélisation passe généralement par la résolution numérique (éléments finis par exemple) des équations des champs décrivant les phénomènes physiques et leur couplage. Les logiciels s’appuyant sur ce type de méthodes sont généralement dotés d’outils servant à faciliter l’introduction des données et l’exploitation des résultats.
4.1 Du modèle mathématique au logiciel de conception
Un système à induction électromagnétique (électroaimant) peut être schématiquement représenté par un ensemble de trois objets : l’inducteur (conducteur en cuivre), la charge (matériau conducteur et/ou magnétique) et l’espace environnant (isolant électrique, etc.) (figure 11).
L’étude d’un tel système nécessite l’utilisation d’un modèle de représentation ou de modélisation (analytique, numérique). Elle peut être mise en œuvre à partir d’une approche de type « paramètres localisés » ou « paramètres répartis ». Dans le premier cas, le système est représenté sous forme de circuits (électrique, magnétique) et est décrit par des équations différentielles dont la solution permet de calculer des grandeurs globales (tension, courant, puissance, force, etc.). Cette approche exige la connaissance des paramètres globaux du circuit (résistance, inductance, etc.). C’est cette approche qui a été utilisée précédemment. Dans le deuxième cas, le modèle nécessite la connaissance de la géométrie et des propriétés des matériaux (perméabilité magnétique, conductivité électrique, etc.) et leur évolution en fonction des champs (électrique, magnétique, thermique, etc.).
Dans ce cas, les phénomènes physiques (électromagnétiques, mécaniques, etc.) sont décrits par des équations aux dérivées partielles (EDP) non linéaires (saturation magnétique) et évolutives. La résolution de ces équations permet d’obtenir la distribution des champs. La connaissance de ces champs conduit, outre à une évaluation précise des paramètres globaux (résistance,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MOHELLEBI (H.), LATRECHE (M.E.), FELIACHI (M.) - Coupled axisymmetric analytical and finite element analysis for induction devices having moving parts - . IEEE Trans. on Magnetics, 34, n 5, 3308-3310 (sept. 1998).
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(2) - BENDJIMA (B.), SRAIRI (K.), FELIACHI (M.) - A coupled model for analyzing dynamical behaviours of an electromagnetic forming system - . IEEE Trans. on Magnetics, 33, n 2, 1638-1641 (mars 1997).
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(3) - SRAIRI (K.), FELIACHI (M.) - Numerical coupling models for analyzing dynamic behaviours of electromagnetic actuators - . IEEE Trans. on Magnetics, 34, n 5, 3608-3611 (sept. 1998).
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(4) - JUFFER (M.) - Électromécaniques. Traité d’Électricité, d’Électronique et d’Électrotechnique - . École polytechnique fédérale de Lausanne, Dunod, Éditions Georgi (1979).
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(5) - FOURNET (G.) - Électromagnétisme - . D 1 020, traité Génie électrique (1993).
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