Le samarium-cobalt et le néodyme-fer-bore sont tous deux des matériaux métalliques. Du fait de leur excellente conductivité, leur résistivité est très faible. Ceci est problématique pour les machines tournantes telles que les moteurs électriques, car cela engendre des pertes par courants de Foucault, provoquant un échauffement de la machine, notamment des aimants. Par conséquent, les pertes par courants de Foucault dans les machines tournantes doivent être prises en compte par les concepteurs d'aimants et de moteurs. Aujourd'hui, nous allons explorer la nature des pertes par courants de Foucault dans les aimants et les moyens de les éviter.
Pour comprendre et réduire les pertes par courants de Foucault, il faut d'abord comprendre comment elles se produisent. Cela nécessite d'introduire le concept d'effet de peau.
Effet de peau (ou effet de concentration de peau) : lorsqu’un courant alternatif traverse un conducteur, la densité de courant est inégale dans sa section. Plus la fréquence du courant augmente, plus celui-ci se concentre à la surface du conducteur, tandis qu’il diminue à l’intérieur. Ce phénomène est appelé effet de peau. Plus la fréquence est élevée, plus l’effet de peau est marqué.
L'effet de peau est dû aux courants de Foucault. Selon la loi de l'induction électromagnétique, un champ électrique alternatif génère un champ magnétique alternatif. Lorsqu'un courant alternatif traverse un conducteur, un champ magnétique alternatif se crée à l'intérieur et autour de celui-ci, induisant des courants de Foucault disposés en tourbillons.
Plus on se rapproche du centre du conducteur, plus la force électromotrice (FEM) induite par le champ magnétique alternatif à l'intérieur du conducteur est importante. Plus le courant de Foucault est intense, plus il s'oppose fortement au courant principal, ce qui entraîne une densité de courant plus faible près du centre du conducteur et une densité de courant plus élevée près de sa surface.
L'effet de peau s'accentue avec l'augmentation de la fréquence, car la force électromotrice induite y augmente. Lorsqu'un courant haute fréquence traverse un conducteur, on peut supposer qu'il ne circule que dans une couche très mince à la surface de celui-ci. Ceci équivaut à une section transversale réduite du conducteur, diminuant considérablement son rendement.
Pertes par courants de Foucault : Les aimants permanents au samarium-cobalt et au néodyme-fer-bore présentent une très faible résistivité, ce qui engendre des courants de Foucault généralement importants dans les champs électriques alternatifs. Sous l’effet thermique de ces courants, l’aimant s’échauffe et une température excessive peut provoquer une démagnétisation thermique.
L'importance des pertes par courants de Foucault dépend de facteurs tels que la variation du champ magnétique, le mouvement du conducteur, sa géométrie, ainsi que sa perméabilité et sa conductivité. Dans les machines tournantes, une vitesse de rotation élevée (équivalente à une fréquence élevée) et une perméabilité élevée, associées à une résistivité plus faible, entraînent une profondeur de pénétration réduite et des pertes plus importantes. Dans les véhicules électriques, les ascenseurs et d'autres applications, les moteurs à aimants permanents sont généralement commandés par des variateurs de fréquence pour la régulation de vitesse. La présence d'harmoniques d'ordre élevé à la fréquence porteuse accroît également les pertes par courants de Foucault dans l'aimant et provoque une démagnétisation thermique.
Réduction des pertes par courants de Foucault dans les aimants NdFeB frittés par augmentation de la résistivité
Du point de vue de la conception des moteurs, plusieurs méthodes techniques ont été proposées pour réduire les pertes par courants de Foucault dans les machines tournantes utilisant des aimants permanents, telles que les piliers de blindage autour de l'aimant, les aimants segmentés et les aimants à isolation latérale.
Du point de vue de l'aimant lui-même, l'une des méthodes les plus efficaces pour réduire les pertes par courants de Foucault dans les moteurs consiste à utiliser des aimants collés. La présence du liant et sa fraction volumique suffisamment élevée confèrent à la résistivité des aimants collés une valeur 10² à 10⁴ fois supérieure à celle des aimants frittés. Cependant, cela limite considérablement la puissance et la température maximale de fonctionnement du moteur. Par conséquent, la méthode la plus directe consiste à augmenter la résistivité de l'aimant fritté lui-même.
Il existe différentes méthodes pour augmenter la résistivité des aimants frittés, comme l'ajout de poudres à haute résistivité (Al₂O₃, etc.) ou le revêtement de SiO₂. Cependant, ces méthodes modifient, dans une certaine mesure, les propriétés magnétiques de l'aimant fritté. Il est donc nécessaire de trouver un compromis entre résistivité et propriétés magnétiques lors de la conception des aimants.