Comment fonctionnent les noyaux magnétiques?- Zhejiang Enhong Electronics Co., Ltd.

Les noyaux magnétiques sont des composants fondamentaux dans une vaste gamme de dispositifs électriques et électroniques, des transformateurs de puissance et des inductances aux moteurs et capteurs. Dans leur cœur, ces structures apparemment simples sont des merveilles complexes de la science des matériaux et de l'électromagnétisme, conçues pour concentrer et guider efficacement le flux magnétique. Pour comprendre comment ils fonctionnent, nous devons nous plonger dans les principes du magnétisme et les propriétés spécifiques des matériaux utilisés.

Les bases du magnétisme et de la perméabilité magnétique

Le fonctionnement d'un noyau magnétique repose sur le concept de perméabilité magnétique ( $μ$ ), la capacité d'un matériau à soutenir la formation d'un champ magnétique en lui-même. En termes plus simples, c'est une mesure de la facilité avec laquelle les lignes de force magnétiques peuvent passer par un matériau. L'air ou le vide ont une perméabilité magnétique ( $μ_{0}$ ) d'environ $4 π \times 1 0^{- 7}$ H / m (Henries par mètre), qui sert de référence.

Les matériaux ferromagnétiques, tels que le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages, présentent une perméabilité magnétique exceptionnellement élevée - des centres à des milliers de fois plus élevés que celles de l'air. Cette caractéristique unique découle de leur structure atomique, en particulier la présence d'électrons non appariés qui agissent comme de minuscules aimants. Dans ces matériaux, sous l'influence d'un champ magnétique externe, ces aimants atomiques (ou domaines magnétiques ) s'aligner, amplifiant considérablement le champ magnétique global.

Lorsqu'un conducteur transportant un courant électrique est enroulé autour d'un matériau central, il génère un champ magnétique. Si ce matériau central a une perméabilité élevée, il "recueille effectivement" et concentre ces lignes de champ magnétique, les canalisant à travers son corps. Cette concentration de flux est la fonction principale d'un noyau magnétique.

Fonctions et applications clés

La capacité des noyaux magnétiques à concentrer le flux magnétique permet plusieurs fonctions cruciales:

Inductance accrue: Dans une inductance, une bobine de fil crée un champ magnétique. Sans noyau, l'inductance (la capacité de stocker l'énergie dans un champ magnétique) est relativement faible. L'introduction d'un noyau magnétique à haute perméabilité augmente considérablement l'inductance de la bobine, lui permettant de stocker plus d'énergie et de devenir plus efficace pour filtrer, régler et stocker d'énergie. L'inductance ( $L$ ) d'une bobine avec un noyau est directement proportionnel à la perméabilité du noyau et au carré du nombre de virages, et inversement proportionnel à la longueur du chemin magnétique.
Transfert d'énergie efficace (Transformers): Dans un transformateur, deux bobines ou plus sont enroulées autour d'un noyau magnétique commun. Lorsqu'un courant alternatif traverse la bobine primaire, il génère un champ magnétique changeant qui est efficacement guidé à travers le noyau à haute perméabilité. Ce flux magnétique changeant induit ensuite une tension dans la bobine secondaire, permettant un transfert efficace d'énergie électrique entre les circuits, les niveaux de tension étant intensifiés ou baissés. Le noyau minimise flux de fuite (lignes de champ magnétique qui ne relient pas les deux bobines), maximisant ainsi l'efficacité de couplage.
Amélioration du couplage magnétique (moteurs et générateurs): Dans les moteurs et les générateurs, les noyaux magnétiques forment des parties du stator et du rotor, guidant les champs magnétiques qui produisent un couple ou une production d'électricité. Le noyau garantit que les lignes de champ magnétique interagissent efficacement entre les pièces stationnaires et rotatives, conduisant à une conversion d'énergie efficace.

Types de noyaux magnétiques et leurs propriétés

Le choix du matériau du noyau magnétique est critique et dépend fortement de l'application prévue, en particulier la fréquence de fonctionnement et les niveaux de puissance.

Cores de fer doux: Ce sont parmi les types les plus simples et les plus anciens de noyaux magnétiques. Le fer mou est utilisé en raison de sa perméabilité relativement élevée et de sa faible perméabilité rétention (sa capacité à conserver le magnétisme après la suppression du champ externe). Ils se trouvent couramment dans les électromagets où un champ magnétique fort et temporaire est nécessaire.
Corers en acier en silicium (laminations): Pour les applications AC comme les transformateurs de puissance, acier en silicium est le matériau de choix. L'ajout de silicium (généralement 0,5% à 4,5%) augmente la résistivité et réduit pertes de base , spécifiquement Eddy Current Pertes . Pour atténuer davantage les courants de Foucault, qui sont des courants circulants induits dans le noyau par un champ magnétique changeant, ces noyaux sont construits à partir de feuilles minces ou laminations qui sont isolés électriquement les uns des autres. Cela rompt les chemins de courant de Foucault, les forçant à des boucles plus petites et réduisant considérablement leur ampleur. Pertes d'hystérésis , un autre type de perte de noyau provoquée par l'énergie nécessaire pour magnétiser et démagnétiser à plusieurs reprises le noyau, sont également considérés dans la sélection des matériaux; L'acier en silicium a une boucle d'hystérésis relativement étroite, indiquant une perte d'énergie plus faible par cycle.
Core de ferrite: Les ferrites sont des composés en céramique principalement composés d'oxydes de fer mélangés à d'autres éléments métalliques (par exemple, nickel, zinc, manganèse). Contrairement aux noyaux métalliques, les ferrites sont isolateurs , ce qui signifie qu'ils ont une résistivité extrêmement élevée. Cette propriété les rend idéaux pour applications à haute fréquence (Kilohertz à la gamme Gigahertz) où les pertes de courant de Foucault seraient prohibitives dans les noyaux métalliques. Les ferrites sont classées en:
- Ferrites douces: Utilisé dans des applications telles que les transformateurs RF, les inductances et la suppression EMI. Ils ont une faible coercivité (facilement magnétisé et démagnétisé) et des pertes relativement faibles à des fréquences élevées.
- Ferrites dures: Utilisé pour les aimants permanents en raison de leur forte coercitivité et de leur rétention.
Cœurs permalloy: Ce sont des alliages de nickel-fer connus pour leur perméabilité magnétique extrêmement élevée et leur faible coercivité, en particulier à de faibles forces de champ magnétique. Ils sont souvent utilisés dans les capteurs magnétiques sensibles, le blindage magnétique et les transformateurs audio de haute qualité où des performances magnétiques précises sont nécessaires.
Noyaux amorphes et nanocristallins: Ce sont de nouvelles classes de matériaux formés en refroidissant rapidement le métal fondu, empêchant la formation d'une structure cristalline. Ils offrent d'excellentes propriétés magnétiques, y compris une perméabilité très élevée, des pertes de noyau faibles et une densité de flux de saturation élevée, ce qui les rend adaptés à l'électronique de puissance haute fréquence et aux composants inductifs avancés.

Pertes de base: une considération pratique

Bien que les noyaux magnétiques améliorent les performances, elles ne sont pas sans perte. Les principaux types de pertes dans les noyaux magnétiques dans des conditions de courant alternatives sont:

Perte d'hystérésis: Comme mentionné, il s'agit de l'énergie dissipée comme chaleur lorsque les domaines magnétiques du matériau central se réorientent à plusieurs reprises pendant chaque cycle de magnétisation et de démagnétisation. Il est proportionnel à la zone de la boucle d'hystérésis du matériau.
Eddy Current Loss: Ce sont des pertes résistives causées par des courants circulants indésirables induits dans le matériau central lui-même par le champ magnétique changeant. Ils sont minimisés en utilisant des noyaux laminés ou des matériaux à haute résistance comme les ferrites.

Les ingénieurs sélectionnent méticuleusement les matériaux et les conceptions de base pour minimiser ces pertes, garantissant l'efficacité la plus élevée possible pour l'application spécifique.

Noyaux magnétiques sont des composants indispensables qui exploitent les principes de l'électromagnétisme et de la science des matériaux pour contrôler et optimiser les champs magnétiques. Leur capacité à concentrer le flux, à réduire les pertes et à permettre un transfert d'énergie efficace les rend essentiels au fonctionnement d'innombrables systèmes électroniques et électriques qui alimentent notre monde moderne. Il est essentiel de comprendre leur fonctionnement fondamental et les propriétés de différents matériaux de base pour quiconque travaille ou concevant des circuits électriques.