Magnétique Composantes: Comprendre les matériaux et le design
Les composants magnétiques jouent un rôle essentiel dans les appareils électroniques de puissance, permettant le contrôle, le transfert et le conditionnement de l'énergie électrique. Les concepteurs recherchent continuellement de nouveaux matériaux, topologies et processus pour améliorer les performances. Pour concevoir efficacement des inductances et des transformateurs, il est essentiel de comprendre les subtilités des matériaux magnétiques et les technologies associées. Dans cet article, nous approfondissons les principes fondamentaux des matériaux magnétiques, leur classification, leurs matériaux de base et leurs formes.
Matériaux magnétiques et leurs classifications
Les matériaux magnétiques englobent les éléments naturellement attirés par les aimants et capables de devenir eux-mêmes des aimants lorsqu'ils sont magnétisés. Cinq principaux types d'aimants permanents sont utilisés : ferrite, alnico, caoutchouc flexible et aimants de terres rares tels que le cobalt et le néodyme. Étonnamment, chaque type présente des caractéristiques distinctes.
Comprendre la classification des matériaux magnétiques est crucial. Ils se répartissent en deux catégories : les matériaux magnétiquement durs et les matériaux magnétiquement doux. Les matériaux magnétiquement durs peuvent être magnétisés par un champ magnétique puissant et conserver leur magnétisme indéfiniment. En revanche, les matériaux magnétiquement doux peuvent être facilement magnétisés, mais seulement temporairement.
La réponse matérielle à un champ magnétique varie en fonction de la structure atomique, principalement déterminée par le nombre d'électrons non appariés dans chaque atome. La plupart des matériaux appartiennent à l'une des trois catégories suivantes : ferromagnétique, diamagnétique ou paramagnétique.
- Les matériaux ferromagnétiques, comme le fer, le cobalt et le nickel, possèdent quelques électrons non appariés, générant un faible champ magnétique net.
- Les matériaux diamagnétiques repoussent les champs magnétiques appliqués de l’extérieur et ne génèrent pas les leurs.
- Les matériaux paramagnétiques présentent une légère attirance pour les champs magnétiques mais sont généralement considérés comme non magnétiques.
Matériaux de base
Le choix des matériaux magnétiques pour des composants spécifiques dépend de leur fonctionnalité prévue. Comprendre la classification mentionnée précédemment donne un aperçu de la large gamme de matériaux magnétiques disponibles. Généralement, les noyaux nécessitent une perméabilité relative élevée.
Les matériaux durs sont généralement utilisés pour les aimants permanents, tandis que les matériaux souples sont utilisés pour les inducteurs et les transformateurs.
Formes de noyau
Le choix de la forme du noyau dépend de la conception du composant électronique de puissance et du matériau du noyau choisi. Différentes formes de noyau sont disponibles dans le commerce, ce qui rend la décision difficile.
Le tableau I propose une comparaison de différentes formes de noyau et de leurs caractéristiques pour prendre des décisions de conception éclairées.
En acquérant une compréhension complète des matériaux magnétiques, de leurs classifications, des matériaux de noyau et des formes de noyau, les concepteurs peuvent faire des choix éclairés lors de la création de composants magnétiques efficaces et fonctionnels pour les systèmes électroniques de puissance.
Tableau I : Comparaison des différentes formes de noyau et de leurs caractéristiques
- Noyau de pot : coût de noyau élevé, faible coût d'enroulement, faible coût de bobine, assemblage simple, mauvaise dissipation thermique, excellent blindage/criblage, faible flux de fuite.
- Noyau E : faible coût de base, faible coût d'enroulement, faible coût de bobine, assemblage simple, excellente dissipation thermique, mauvais blindage/criblage, puissance de transmission/volume unitaire élevé.
- Noyau EC : coût de noyau moyen, coût de bobinage faible, coût de canette moyen, assemblage moyen, bonne dissipation thermique, mauvais blindage/blindage, pied central rond pour un enroulement plus facile.
- Noyau en U : coût de noyau élevé, coût d'enroulement moyen, coût de bobine élevé, assemblage moyen, bonne dissipation thermique, mauvais blindage, préféré pour les applications haute tension.
- Tores (noyaux en anneau) : coût de noyau très faible, dissipation thermique élevée, aucun coût de bobine, aucun assemblage, bon blindage/blindage, préféré dans les transformateurs de courant.
- RM Core : coût de noyau moyen, faible coût d'enroulement, coût de bobine moyen, assemblage moyen, bonne dissipation thermique, bon blindage/criblage.