Matériaux magnétiques doux cristallins - Choix des matériaux

Les moteurs, alternateurs, actionneurs électromagnétiques, composants magnétiques passifs, capteurs magnétiques ont tous en commun le besoin de disposer de champ magnétique suffisant (donc une énergie minimale) dans un espace réduit pour, soit transformer un signal (capteur, inductance), soit atténuer ce champ (filtrage, blindage), soit transformer l'énergie électrique en énergie mécanique – ou inversement – (moteur, alternateur, actionneur), soit encore transformer l'énergie électrique (transformateur).

Dans nombre d'applications, la caractéristique essentielle est de convertir une puissance la plus élevée possible dans un volume réduit, qu'il s'agisse d'un moteur de montre, d'un transformateur de distribution d'énergie ou d'un turboalternateur de centrale électrique. Pour échanger, transformer une énergie électromagnétique importante par unité de volume, il faut :

• soit produire un flux magnétique $\varphi$ important (f = BS où S section de passage du flux, B induction magnétique) ;

• soit produire des variations importantes de $\varphi$ , ce qui revient à fonctionner à des fréquences de travail plus élevées ;

• et finalement, dans nombre d'applications ces deux effets sont conjugués.

Aux basses fréquences telles que 50 ou 60 Hz, on se situe à proximité du 1^er cas et dans tous les types de machines électromagnétiques, le flux f est créé, soit par des boucles de courant (bobinages), soit par des aimants. Qu'il s'agisse de transformer l'énergie électrique en mécanique ou inversement (moteur, alternateur, actionneurs…) ou de modifier l'énergie électromagnétique elle-même (transformateur, inducteurs, capteurs, blindage, filtre…) dans les systèmes, le flux magnétique est l'élément central de transformation de l'énergie ; de plus, sauf cas particuliers d'application (accouplement magnétique passif par exemple), l'utilisation de plus en plus fréquente d'aimants ne dispense pas de devoir transférer l'énergie par des conducteurs électriques (machines synchrones, relais polarisés, machines à courant continu, actionneurs à aimants…). Aussi, pour atteindre des valeurs importantes de flux magnétique f, on privilégie de loin une induction de travail B élevée avant d'envisager d'accroître la taille de la machine S.

On utilise en pratique au minimum 0,2 à 0,3 T d'induction de travail dans les applications basse à moyenne fréquence, ce qui correspond à la recherche de matériau magnétique pouvant s'aimanter jusqu'à au moins 0,4 T (polarisation àsaturation J_s ) comme les ferrites base MnZn (J_s = 0,3 à 0,7 T) en électronique

de puissance ou les fer-nickel haute perméabilité (0,7 à 0,8 T minimum) qu'il s'agisse d'applications milli-électrotechnique (relais haute sensibilité, capteurs, moteurs horlogers…) ou moyenne-haute fréquence (dépôt de couches minces à épaisse pour les capteurs ou inductance intégrés au plus près du semi-conducteur). Mais ces niveaux d'induction restent faibles comme on le voit, et le transfert d'énergie est ici principalement amené par le fonctionnement en moyennes fréquences (à l'exception de la milli-électrotechnique) de ces composants (cas n^o 2).

Pour atteindre des flux magnétiques élevés à basse fréquence (considérant ici que la problématique de la diffusion magnétique est a priori réglée par un choix judicieux du matériau magnétique : voir par exemple [D 2 121]) il faut se rapprocher de matériau ferromagnétique, grand porteur de moments magnétiques (donc à aimantation à saturation J_s élevée) tels que le fer, le cobalt et dans une moindre mesure le nickel, ainsi que leurs alliages (cristallins, nanocristallins ou amorphes). La recherche de J_s élevée n'est souvent pas la seule exigence et le choix du matériau découle alors du compromis à faire, du type d'application envisagé.

Ainsi, la montée en fréquence dans une visée de densification de puissance fait passer le choix en matériau de ceux à J_s élevé vers ceux à induction B de travail élevée à moyenne fréquence : les matériaux cristallins « massifs » sont alors progressivement moins pertinents et remplacés par des matériaux plus adaptés tels que les poudres compactées, les amorphes hypertrempés en bandes ultra-minces, les ferrites.

Mais lorsque la transformation d'énergie est secondaire comme lorsqu'il s'agit de fonctions de régulation de flux magnétique, de température, de transformation de signaux, de mesure de courant… alors le matériau utilisé peut devoir fonctionner à très basses inductions (par exemple à moins de J_s /100 : domaine de Rayleigh) comme dans les transformateurs de modem, les blindages à très hautes performances, les récipients de cuisson par induction à température autostabilisée, les compteurs d'énergie, etc. Le niveau d'induction B de travail n'est donc pas nécessairement le 1^er critère de choix : il est souvent conjugué à une recherche d'induction fréquentielle ou à d'autres grandeurs physiques de 1^er plan ou encore être une grandeur de 2^e plan, selon le domaine d'applications visé. Ce dossier s'articule autour de différents compromis de cahier des charges applicatifs, sur la base d'exemples fréquemment rencontrés.