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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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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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Traçabilité et incertitude des mesures magnétiques
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2. Aimants permanents
2.1 Contexte
Une approche naturelle de la mesure des caractéristiques des aimants permanents consiste à déterminer le moment magnétique d'un échantillon au travers de la force qui provient de son interaction avec un champ de topologie connue.
Si l'on plonge un aimant, de moment magnétique m, en forme d'aiguille sur un pivot ou suspendue à un fil, dans un champ magnétique uniforme H, il prend une orientation qui résulte de l'équilibre du moment du couple τ = m × μ 0 H appliqué par le champ avec le couple opposé par un ressort ou le fil de torsion. En laissant l'échantillon osciller, nous avons un pendule dont la fréquence de résonance est directement liée à m et au moment d'inertie du pendule. Si l'échantillon est placé dans un champ non uniforme, il est sujet à une force F = ∇ (m · μ 0 H), dont la mesure dans un gradient de champ déterminé donne la valeur du moment magnétique.
Quelles que soient la sensibilité et la précision, les méthodes de force, qui étaient principalement employées au XIX e siècle, nécessitent des appareils relativement délicats et lents, ce qui fait qu'elles ne sont pas souvent utilisées pour la mesure de l'hystérésis, même si elles ont connu un regain d'intérêt dans le cas du magnétomètre à gradient de champ de force alternatif (Alternative Gradient Force Magnetometer, AGFM). Cet instrument est basé sur le principe de la production d'une force alternative induite par un gradient de champ alternatif superposé au champ continu. L'échantillon est fixé au bout d'une tige dont les oscillations sont amenées à la résonance mécanique, par un choix approprié de fréquences d'excitation et qui se trouvent amplifiées par le facteur de qualité du système résonant.
Dans ce paragraphe 2, nous allons faire une synthèse des méthodes inductives de caractérisation des cycles d'hystérésis des matériaux durs et de leurs paramètres. Il faut distinguer la méthode fluxmétrique – qui est employée principalement dans...
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Aimants permanents
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).
ANNEXES
###
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).
DUFEU...
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