Classification des matériaux magnétiques
1.1.1 Classification selon la structure interne et ses caractéristiques dans un champ magnétique extérieur
Selon l'intensité de leur magnétisme dans un champ magnétique externe, les matériaux sont classés en substances antiprotiques, paramagnétiques, ferromagnétiques, antiferromagnétiques et subferromagnétiques. La plupart des matériaux sont antiprotiques ou paramagnétiques, réagissant faiblement au champ magnétique extérieur ; les substances ferromagnétiques et subferromagnétiques sont fortement magnétiques, et on entend généralement par matériau magnétique celui qui présente une forte propriété magnétique.
(1) Matériaux ferromagnétiques
Les matériaux ferromagnétiques désignent les matériaux qui, sous l'effet d'un champ magnétique externe, présentent une intensité de magnétisation marquée et une direction de magnétisation bien définie. Ces matériaux comprennent des métaux tels que le fer, le cobalt et le nickel, ainsi que des matériaux synthétiques comme les ferrites et le néodyme-fer-bore. Les matériaux ferromagnétiques possèdent une forte magnétisation et une bonne stabilité, mais sont sensibles à la magnétisation et présentent des pertes par hystérésis importantes.
(2) Matériaux antimagnétiques
Les matériaux antimagnétiques sont des matériaux qui, sous l'effet d'un champ magnétique externe, ne présentent ni une intensité de magnétisation significative ni une direction de magnétisation bien définie. Ces matériaux incluent des métaux tels que le cuivre, l'argent et l'or, ainsi que des alliages comme l'aluminium, le fer et le magnésium. Les matériaux antimagnétiques possèdent une faible magnétisation et une bonne stabilité, mais ils sont difficiles à magnétiser.
(3) Matériaux supraconducteurs
Les matériaux supra-magnétiques sont des matériaux qui présentent une intensité de magnétisation et une direction de magnétisation nettes sous l'effet d'un champ magnétique externe. Ils comprennent des métaux tels que le fer, le nickel et le chrome, ainsi que des matériaux synthétiques comme l'oxyde de fer ou l'oxyde de chrome. Ces matériaux possèdent une forte magnétisation, mais une faible stabilité, et sont sensibles aux variations de température et au champ magnétique.
1.1.2 Classification selon les propriétés magnétiques
Selon leurs propriétés magnétiques, on distingue les matériaux magnétiques doux, les matériaux magnétiques durs et les matériaux magnétiques rectangulaires.
(1) Matériaux magnétiques durs
Les matériaux magnétiques durs, également appelés matériaux magnétiques permanents, sont des matériaux qui conservent une forte intensité de flux magnétique résiduelle après avoir été aimantés par un champ magnétique externe, et qui restent magnétiques même après l'arrêt du champ externe. Ces matériaux se caractérisent par une forte coercitivité, une haute intensité magnétique résiduelle, une grande énergie magnétique, une courbe hystérétique large, une densité de flux magnétique résiduel élevée et une excellente stabilité. Les matériaux magnétiques durs comprennent principalement les matériaux magnétiques durs à base de terres rares, les matériaux magnétiques métalliques et les matériaux magnétiques durs en ferrite. Actuellement, les aimants au néodyme-fer-bore (NdFeB) et les aimants en ferrite sont les plus largement utilisés. Les matériaux magnétiques au néodyme-fer-bore sont des alliages composés de néodyme, d'oxyde de fer et d'autres éléments, aussi appelés « acier magnétique ». Ils constituent le dernier résultat du développement des matériaux magnétiques permanents à base de terres rares. Le NdFeB possède une très forte énergie magnétique, une forte coercitivité et une densité énergétique élevée. Les aimants en ferrite sont fabriqués par métallurgie des poudres, présentent une faible intensité de flux magnétique résiduelle et une faible perméabilité rétroactive. Toutefois, ils offrent une forte coercitivité et une excellente résistance à la désaimantation.
(2) Matériaux magnétiques doux
Les matériaux magnétiques doux ont principalement pour fonction de conduire le magnétisme, ainsi que la conversion et la transmission d'énergie électromagnétique. Ils doivent présenter une perméabilité magnétique élevée, une forte intensité de flux magnétique, un hystérésis étroite et de faibles pertes magnétiques. Comparés aux matériaux magnétiques durs, ils offrent une coercitivité plus faible et une hystérésis plus étroite. Les matériaux magnétiques doux comprennent principalement du fer pur, des aciers au carbone, des alliages nickel-fer, des céramiques magnétiques, des alliages amorphes, ainsi que des matériaux magnétiques doux nanocristallins. Actuellement, les applications courantes incluent les noyaux en poudre magnétique et les noyaux en fer bobinés. Parmi les noyaux en poudre magnétique figurent notamment les noyaux en poudre de fer, les noyaux en poudre fer-silicium-aluminium, les noyaux à haut flux magnétique, les noyaux en poudre d'alliage permalloy et les noyaux en ferrite. Quant aux noyaux bobinés, ils comprennent principalement des plaques d'acier silicium, des alliages permalloy, ainsi que des alliages amorphes et nanocristallins.
1.1.3 Introduction à la classification des noyaux magnétiques à poudre
Le noyau en poudre magnétique est un matériau magnétique doux obtenu par compression d'une mélange de particules ferromagnétiques et d'un milieu isolant. En raison de la très petite taille des particules ferromagnétiques, séparées par une couche isolante non magnétique, le matériau permet d'isoler les courants de Foucault, ce qui le rend adapté à des fréquences élevées. Par ailleurs, l'effet d'espace entre les particules entraîne une faible perméabilité magnétique et des caractéristiques de perméabilité constantes. De plus, grâce à la petite taille des particules, l'effet de peau ne se produit pratiquement pas, ce qui rend la variation de la perméabilité magnétique avec la fréquence relativement stable. Les propriétés magnétiques et électriques du noyau en poudre dépendent principalement de la perméabilité magnétique du matériau en poudre, de la taille et de la forme des particules, du coefficient de remplissage, de la teneur en milieu isolant, de la pression de mise en forme et du procédé de traitement thermique. Les noyaux en poudre magnétique couramment utilisés comprennent trois types : les noyaux en poudre de fer, les noyaux en poudre de permalloy et les noyaux en poudre de fer-silicium-aluminium.
(1) Cœur en poudre de fer
Le noyau en poudre de fer couramment utilisé est composé de poudre ferromagnétique à base de carbone et de poudre ferromagnétique résineuse à base de carbone, ce qui en fait le modèle le moins coûteux parmi les noyaux en poudre. Sa valeur d'induction magnétique saturée est d'environ 1,4 T, avec une perméabilité magnétique comprise entre 22 et 100 ; la stabilité de la perméabilité initiale varie bien avec la fréquence ; il présente de bonnes performances en cas de superposition en courant continu ; cependant, les pertes sont importantes à haute fréquence.
(2) Cœur en poudre d'alliage de permalloy
Les noyaux en poudre de mélange permalloy comprennent principalement les noyaux en poudre d'aluminium permalloy (MPP) et les noyaux à haut flux magnétique. La valeur de l'induction magnétique saturée du MPP est d'environ 7500 GS ; la perméabilité magnétique varie entre 14 et 550, ce qui en fait les noyaux en poudre présentant les pertes les plus faibles et une excellente stabilité thermique. Les noyaux à haut flux magnétique ont une induction magnétique saturée d'environ 15000 GS ; leur perméabilité magnétique se situe entre 14 et 160, offrant ainsi la plus haute induction magnétique parmi les noyaux en poudre, une capacité élevée au décalage continu, ainsi qu'un volume réduit.
(3) Cœur en poudre de fer, silicium et aluminium
Le noyau en poudre de fer, silicium et aluminium remplace principalement les noyaux en poudre de fer, avec un taux de perte 80 % inférieur. Il peut être utilisé à des fréquences supérieures à 8 kHz, présente une saturation magnétique d'environ 1,05 T, une perméabilité magnétique comprise entre 26 et 125, un coefficient de magnétorétraction proche de zéro, et ne génère aucun bruit lors du fonctionnement à différentes fréquences. Il offre également une meilleure capacité de tension continue (DC) que le MPP, ce qui confère un excellent rapport qualité-prix.