Percer les secrets de la courbe B-H : Perte par hystérésis dans les moteurs à courant continu

"Courbe B-H", "courbe de magnétisation" et "perte par hystérésis", ces termes semblent compliqués, mais la compréhension de ces idées est extrêmement essentielle si vous vous occupez de n'importe quel type de moteur, en particulier d'un moteur à combustion interne. Moteur à courant continu. Ce court article s'adresse à vous si vous vous êtes déjà demandé ce que signifient ces courbes et pourquoi elles sont importantes. Nous allons examiner la célèbre courbe B-H, voir exactement comment elle indique les propriétés magnétiques d'un matériau et apprendre pourquoi la perte par hystérésis peut être une véritable perte d'énergie dans votre moteur.

Qu'est-ce que la courbe B-H dont je continue à lire des articles sur la magnétisation ?

Il s'agit d'une carte qui illustre le comportement d'un matériau magnétique lorsque l'on tente de le transformer en aimant. Le "H" sur cette courbe représente la force de magnétisation (ou l'intensité du champ magnétique). Il s'agit de l'effort que vous exercez, par exemple sur une bobine de fil traversée par un courant électrique, pour produire un champ électromagnétique. Le "B" sur la courbe B-H représente la densité du flux magnétique. Il indique exactement l'intensité du champ électromagnétique à l'intérieur du matériau magnétique lui-même. Cette courbe d'aimantation est essentielle pour reconnaître le magnétisme. La courbe B-H représente donc cette connexion. Lorsque vous augmentez la force de magnétisation (H), la densité du flux magnétique (B) dans le matériau est magnétisée et augmente également. Ce premier contour est souvent appelé courbe de magnétisation initiale. La pente de ce contour nous renseigne sur la perméabilité du matériau, c'est-à-dire sur la facilité avec laquelle il permet l'établissement d'un flux magnétique. Une bonne courbe B-H nous aide à sélectionner le bon matériau ferromagnétique pour des éléments tels qu'un électro-aimant ou des pièces d'un moteur. La courbe B-H est fondamentale pour reconnaître la magnétisation. Cette courbe B-H n'est pas une simple ligne pour de nombreux produits. La façon dont l'aimantation se produit et se défait ensuite est particulière, et c'est là qu'intervient le concept de boucle. Nous examinons souvent cette courbe B-H lorsque nous développons des moteurs électriques et des moteurs à courant alternatif. noyaux de transformateurs. La courbe B-H révèle les propriétés magnétiques du produit, comme l'acier au silicium. C'est une courbe importante pour les ingénieurs.

Pourquoi mon produit magnétique ne suit-il pas une trajectoire rectiligne sur la courbe B-H ?

C'est là qu'intervient la partie "hystérésis" de la perte d'hystérésis. L'hystérésis signifie "être à la traîne". L'aimantation du matériau n'adhère pas parfaitement à la pression d'aimantation lorsqu'elle change. La courbe B-H révèle ce décalage. Lorsque vous augmentez la force d'aimantation dans le sens positif, la densité du flux magnétique augmente le long d'une courbe. Mais lorsque vous réduisez la force d'aimantation à zéro, la densité de flux magnétique ne revient pas à zéro le long de la même courbe. Le matériau est magnétisé et conserve une partie de sa magnétisation. Cette "mémoire" est une caractéristique cruciale révélée par la courbe B-H. Cet effet de retard sert principalement à reconnaître la courbe B-H et les propriétés résidentielles d'un matériau. Ce retard est dû à de minuscules emplacements à l'intérieur du produit ferromagnétique, appelés domaines magnétiques. Imaginez-les comme de petits aimants. Lorsque vous appliquez un champ électromagnétique externe, ces domaines magnétiques s'alignent. Cependant, lorsque vous supprimez le champ électromagnétique, ils ne reviennent pas tous complètement en arrière. Cette résistance à la transformation développe la forme unique de la courbe B-H ou courbe B-H.

Qu'est-ce que la perte par hystérésis ?

Puisque nous connaissons les retards des matériaux magnétiques, qu'est-ce que la perte par hystérésis ? Chaque fois que l'aimantation d'un matériau ferromagnétique passe par ce cycle retardé - être aimanté d'une manière, puis d'une autre, comme dans un circuit CA ou un moteur rotatif - une partie de l'énergie est perdue. Cette énergie perdue se manifeste par un réchauffement du produit magnétique. Il s'agit de la perte par hystérésis. Cette perte dépend du matériau magnétique lui-même. Imaginez que vous pressez et dessinez quelque chose qui a beaucoup de friction. Vous consommeriez de l'énergie et cette énergie se transformerait certainement en chaleur. C'est comparable aux cycles d'aimantation et de désaimantation dans un matériau magnétique. La courbe B-H crée une boucle, et la surface à l'intérieur de cette boucle d'hystérésis magnétique nous indique la quantité de perte par cycle. Une boucle plus grande sur la courbe B-H signifie une perte d'hystérésis encore plus importante. Cette perte par hystérésis est très importante à prendre en compte dans des dispositifs tels que les transformateurs et les machines à courant continu. Cette perte d'hystérésis est une sorte de puissance qui est dissipée sous forme de chaleur dans le produit. C'est l'un des facteurs qui font que les moteurs et les transformateurs sont douillets. Minimiser la perte d'hystérésis est un objectif important pour les ingénieurs afin de rendre les appareils plus efficaces. La perte d'hystérésis peut être une grande affaire si elle n'est pas gérée, en particulier lorsqu'il s'agit d'acier au silicium dans un moteur.

Pouvez-vous me montrer à quoi ressemble une boucle d'hystérésis magnétique ?

La courbe B-H qui montre ce résultat différé est appelée boucle d'hystérésis magnétique (ou boucle d'hystérésis B-H). Cartographions-la. Nous commençons par un matériau ferromagnétique qui n'est pas magnétisé. Lorsque nous utilisons une force de magnétisation (H) dans une direction positive, la densité du flux magnétique (B) augmente. Il s'agit de la courbe de magnétisation initiale. À un moment donné, le matériau est magnétisé au maximum ; il atteint le point de saturation. Maintenant, si nous diminuons la force de magnétisation (H) pour la ramener à zéro, la densité du flux magnétique (B) ne retombe probablement pas à zéro ! La courbe révèle que le produit ferromagnétique possède encore une certaine magnétisation. C'est ce qu'on appelle le magnétisme résiduel ou la rémanence. Pour ramener la densité de flux magnétique à zéro, nous devons appliquer une force d'aimantation dans le sens inverse. La quantité de cette force inverse nécessaire est appelée force coercitive. La boucle d'hystérésis magnétique révèle l'ensemble du processus de magnétisation. Si nous continuons à utiliser la force d'aimantation dans le sens négatif, le matériau atteindra certainement la saturation une fois de plus, mais avec des pôles magnétiques opposés. Ensuite, en ramenant H à zéro et en l'orientant à nouveau dans le sens positif, la boucle d'hystérésis magnétique s'achèvera. Cette courbe, la boucle d'hystérésis magnétique, est une empreinte digitale du produit magnétique, comme l'acier au silicium. La zone de la boucle d'hystérésis magnétique est essentielle. La courbe du noyau ferromagnétique est conforme aux types de cette boucle.

Comment cette perte d'hystérésis affecte-t-elle les performances de mon moteur à courant continu ?

Dans un moteur à courant continu, les composants du matériau ferromagnétique (comme le noyau construit en acier au silicium) voient leur magnétisation changer en permanence lorsque le moteur tourne. Chaque cycle de magnétisation trace cette boucle d'hystérésis magnétique sur la courbe B-H. Et comme nous l'avons découvert, la surface de cette boucle représente la puissance perdue sous forme de chaleur - la perte d'hystérésis. Cette perte d'hystérésis indique que votre moteur a besoin de plus de puissance pour effectuer la même quantité de travail. Cette chaleur indésirable due à la perte d'hystérésis peut poser un problème. Elle peut rendre le moteur moins efficace. Une chaleur excessive peut également endommager l'isolation ou les roulements du moteur au fil du temps. Par conséquent, pour une bonne conception de moteur, en particulier pour les machines à courant continu, nous souhaitons choisir un matériau magnétique qui présente une faible perte d'hystérésis. Cela signifie que nous voulons un matériau ferromagnétique avec une boucle d'hystérésis étroite sur sa courbe B-H. La perte par hystérésis s'accumule. Si un moteur fonctionne pendant une longue période, un petit pourcentage de perte d'hystérésis par cycle peut signifier beaucoup d'énergie perdue et de chaleur supplémentaire. C'est pourquoi l'étude de l'hystérésis et de la courbe B-H est si importante pour l'efficacité des moteurs. Nous souhaitons que la boucle d'hystérésis soit aussi petite que possible.

Tous les produits magnétiques sont-ils identiques ? Qu'en est-il des matériaux magnétiques souples ?

Non, tous les matériaux magnétiques ne coïncident pas ! Ce fut pour moi un grand "aha !". Ils ont des propriétés magnétiques différentes, ce qui signifie que les formes de leurs courbes B-H sont différentes. On parle généralement de deux types principaux : les matériaux magnétiques durs et les matériaux magnétiques doux. Les matériaux magnétiques durs, comme ceux utilisés pour les aimants permanents, ont une large boucle d'hystérésis magnétique. Ils sont difficiles à magnétiser mais, une fois qu'ils le sont, ils restent un aimant solide. Ils ont une forte capacité de rétention et une force coercitive élevée. Les matériaux magnétiques doux, en revanche, sont généralement utilisés pour les noyaux de moteurs et de transformateurs. Ces produits ont des boucles d'hystérésis étroites qui se traduisent par de très faibles pertes d'hystérésis. L'acier au silicium et certains composites magnétiques en sont des exemples. Les matériaux magnétiques doux sont facilement magnétisés et démagnétisés. Cela implique que leur courbe B-H présente une boucle d'hystérésis étroite. C'est une excellente chose, car cela signifie que moins d'énergie est perdue sous forme de chaleur au cours de chaque cycle de magnétisation. Le choix du matériau magnétique, comme l'acier au silicium, affecte directement la perte par hystérésis. Pour les applications où les champs électromagnétiques se transforment, comme dans un circuit CA ou un moteur rotatif, nous choisissons des matériaux magnétiques doux ou des produits ferromagnétiques doux. Ils ont un faible magnétisme résiduel et une faible force coercitive. Cela permet de maintenir la perte d'hystérésis à un niveau bas et les performances à un niveau élevé. L'utilisation de produits magnétiques doux est essentielle pour réduire la perte d'hystérésis.

Que signifie la rétention pour un produit magnétique ?

Rappelez-vous que lorsque nous avons ramené la force de magnétisation (H) à zéro après avoir atteint la saturation, le matériau magnétique est resté magnétisé ? Cette magnétisation résiduelle est appelée magnétisme résiduel ou rémanence. La rémanence est la capacité d'un produit magnétique à conserver ce magnétisme résiduel après l'élimination du champ électromagnétique extérieur. Sur la courbe B-H ou boucle d'hystérésis magnétique, la rétentivité est le point où la courbe traverse l'axe B (où H est nul) après saturation. Une rétentivité élevée indique que le matériau ferromagnétique reste fortement magnétisé après la disparition du champ magnétique externe. C'est excellent pour les aimants permanents, mais moins bon pour les pièces du noyau d'un moteur ou d'un transformateur qui doivent transformer leur magnétisation rapidement et facilement. Une rétentivité élevée dans un matériau de noyau entraînerait une boucle d'hystérésis magnétique plus importante et une perte d'hystérésis beaucoup plus importante. Par conséquent, pour des applications telles que les moteurs électriques, les solénoïdes et les transformateurs, où le produit magnétique est constamment magnétisé et démagnétisé, nous voulons généralement un matériau à faible rétentivité. Cela permet de réduire la taille de la boucle d'hystérésis magnétique, ce qui diminue la perte d'hystérésis. Les propriétés résidentielles d'un produit, comme la rétentivité, sont indiquées sur sa courbe B-H. L'acier au silicium est généralement choisi parce qu'il peut avoir une bonne perméabilité, mais une rétentivité relativement faible pour un matériau magnétique doux.

Comment réduire cette perte par hystérésis dans un moteur ?

Il s'agit d'une question importante pour toute personne qui crée ou manipule un moteur ! Étant donné que la perte d'hystérésis provient de la surface de la boucle d'hystérésis magnétique sur la courbe B-H, le principal moyen de la réduire est de choisir un produit magnétique doté d'une boucle d'hystérésis étroite. Comme nous l'avons dit, les matériaux magnétiques doux sont la solution idéale. L'acier au silicium est une option très typique. Pourquoi l'acier au silicium ? L'ajout de silicium au fer (pour fabriquer de l'acier au silicium) modifie ses propriétés magnétiques. Il augmente la résistivité électrique du matériau, ce qui contribue à réduire une autre sorte de perte appelée perte par courant de Foucault (une histoire pour un autre jour !), mais il contribue également à créer une boucle d'hystérésis étroite, diminuant ainsi la perte par hystérésis. La force coercitive peut être réduite et, pour les matériaux magnétiques doux, un faible magnétisme résiduel est également souhaité. D'autres moyens consistent à faire fonctionner le matériau magnétique à des degrés de densité de flux magnétique optimaux inférieurs, idéalement. La boucle d'hystérésis dépend de la hauteur de la courbe B-H à laquelle on pousse l'aimantation. Une fabrication prudente du noyau ferromagnétique des pièces magnétisées peut également s'avérer utile. Occasionnellement, des traitements thermiques uniques ou l'utilisation de minces tôles d'acier au silicium peut optimiser les foyers magnétiques et réduire les pertes totales, y compris les pertes par hystérésis. Il est essentiel que la boucle d'hystérésis B-H soit aussi petite que possible. La boucle dépend de la nature du matériau magnétique, comme le fer ou l'acier.

Pourquoi la courbe de magnétisation n'est-elle pas constamment linéaire ?

Pour de petites valeurs de la force magnétisante (H), la densité du flux magnétique (B) peut augmenter quelque peu lentement. Ensuite, pour diverses valeurs de H, le contour devient beaucoup plus raide - c'est là que la perméabilité du matériau ferromagnétique est élevée et que la densité du flux magnétique (B) augmente rapidement. Cette partie de la courbe est vraiment fiable pour l'aimantation. Ce comportement non linéaire de la courbe B-H est dû aux noms de domaines magnétiques que nous avons mentionnés. Au départ, seules les surfaces murales des domaines facilement déplaçables changent. Au fur et à mesure que la force de magnétisation augmente, d'autres noms de domaine se redressent, ce qui entraîne une augmentation rapide de l'aimantation. La courbe B-H illustre cette procédure complexe à l'intérieur du matériau ferromagnétique. Si elle était parfaitement directe, la vie serait peut-être moins complexe, mais les constructions distinctes des produits ferromagnétiques tels que l'acier au silicium nous donnent des aimants puissants et des noyaux efficaces, même si leur courbe B-H n'est pas droite. À un moment donné, lorsque la force d'aimantation devient très élevée, la majorité des noms de domaine magnétiques sont alignés et il devient de plus en plus difficile d'augmenter encore la densité du flux magnétique. La courbe d'aimantation s'aplatit alors. Cette courbure et cet aplatissement de la courbe B-H sont caractéristiques des matériaux ferromagnétiques et sont très différents de la façon dont l'air ou les produits non magnétiques répondent à un champ magnétique, qui est linéaire. La courbe d'aimantation est une courbe cruciale.

Que se passe-t-il lorsqu'un produit ferromagnétique atteint la saturation ?

La saturation est une notion cruciale lorsque vous observez une courbe B-H ou une courbe de magnétisation. Imaginez que vous essayez de mettre un nombre croissant d'objets dans un sac de voyage. Au début, c'est facile, mais finalement, le sac se remplit et vous ne pouvez plus rien y mettre, même si vous appuyez fort. La saturation d'un produit ferromagnétique comme l'acier au silicium est similaire. Lorsque vous augmentez la force de magnétisation (H), la densité du flux magnétique (B) à l'intérieur du matériau est attirée et augmente. Néanmoins, il y a une limitation. À un certain moment, presque tous les domaines magnétiques à l'intérieur du produit ferromagnétique se sont alignés sur le champ électromagnétique. Dès lors, même si l'on augmente considérablement la force de magnétisation, la densité du flux magnétique n'augmente pratiquement pas. On dit alors que le matériau est magnétiquement saturé. Il s'agit du point de saturation de la courbe B-H, où la courbe s'aplatit. La densité de flux atteint sa valeur utile optimale, appelée induction de saturation. Il est important de reconnaître la saturation. Si vous concevez un moteur ou un transformateur et que le matériau du noyau arrive trop rapidement à saturation, il ne fonctionnera pas comme prévu. La perméabilité diminue considérablement à la saturation. Cela signifie que la courbe B-H nous indique les limites de fonctionnement d'un matériau magnétique. Lorsqu'un produit ferromagnétique arrive à saturation, sa capacité à renforcer le champ électromagnétique est considérablement réduite. Il est préférable de rester en dessous de ce niveau de saturation pour la plupart des applications où une perméabilité élevée est souhaitée.