Caractérisation des composants magnétiques

Les éléments magnétiques, tels que les inductances ou les transformateurs, ont des propriétés caractéristiques qui dépendent du matériau magnétique formant le noyau à l’intérieur de la bobine. Lorsque le courant circule dans une bobine d’inductance ou de transformateur, il crée un champ magnétique. La capacité du matériau du noyau à retenir le champ magnétique, appelée sa perméabilité, détermine l’intensité du champ, appelée sa force magnétisante. La force de magnétisation produit alors un flux magnétique dans le noyau de l’inductance. Dans les inductances et les transformateurs, la relation entre la force d’aimantation et la densité de flux est définie comme le flux magnétique à travers une section transversale et peut être analysée à l’aide d’une courbe B-H. La courbe B-H décrit le matériau du noyau et identifie sa limite de saturation magnétique. Cela se produit lorsque le courant supplémentaire à travers les enroulements n’augmente plus le flux magnétique. Cette vidéo illustre la mesure des courbes BH pour les inductances et les transformateurs et la caractérisation du matériau du noyau et des enroulements de l’inductance.

Une courbe B-H montre la relation entre la densité de flux magnétique, B, et l’intensité du champ magnétique, H. Initialement, à mesure que l’intensité du champ magnétique augmente, la densité de flux augmente également jusqu’à une certaine valeur maximale. Après ce point, toute augmentation de l’intensité du champ magnétique n’entraîne aucune augmentation significative de la densité de flux magnétique et le matériau est considéré comme saturé. Les matériaux magnétiques réels présentent une hystérésis car le matériau est alternativement magnétisé dans les directions positive et négative. Cela implique que lorsque l’intensité du champ magnétique est réduite à zéro, un certain magnétisme résiduel demeure. L’aire à l’intérieur de la courbe B-H est proportionnelle à la perte d’énergie car le matériau est magnétisé dans les directions positive et négative. Un matériau avec une perte d’hystérésis plus faible, comme l’acier, est couramment utilisé dans les noyaux de transformateur en raison de cette propriété. La courbe B-H peut également être utilisée pour décrire la perméabilité d’un matériau, calculée comme le rapport entre la densité de flux magnétique et l’intensité du champ magnétique. Elle est souvent liée à la perméabilité de l’espace libre et est donc appelée perméabilité relative. Les matériaux à très faible susceptibilité magnétique, comme le bois, ont une faible perméabilité relative. Alors que les matériaux à haute susceptibilité magnétique, comme le fer, ont une perméabilité relative élevée. Pour créer une courbe B-H, il faut d’abord déterminer la densité de flux, B. Pour cela, le taux de variation du flux est mesuré, qui est relatif à la tension aux bornes de la bobine à l’aide de la loi de Faraday. Celui-ci peut être identifié à l’aide d’un simple circuit RC en parallèle avec la bobine. Pour de plus amples renseignements sur ces calculs, veuillez consulter le protocole texte. L’intensité du champ magnétique, ou H, peut être déterminée à l’aide de la loi d’Ampère et de variables mesurables, du courant dans la bobine, du nombre de tours d’enroulement et de la longueur moyenne du noyau. La courbe B-H d’un matériau peut être estimée à partir de mesures du courant et de l’intégrale temporelle de la tension aux bornes de l’élément. Lorsque le nombre de tours et les dimensions des éléments sont également connus, ceux-ci peuvent être mis à l’échelle en quantités réelles. Voyons maintenant comment mesurer la perméabilité relative et calculer les courbes B-H.

Dans ces expériences, trois composants magnétiques sont mesurés, un petit inducteur avec un noyau en ferrite, un inducteur noir plus grand avec un nombre de tours inconnu et un transformateur de 60 Hz. Commencez par le petit inducteur avec les dimensions indiquées et un nombre de tours d’enroulement de 75. Tout d’abord, mesurez l’inductance de l’inductance à 120 et 1 000 Hz à l’aide d’un compteur LCR. Deuxièmement, construisez le circuit comme indiqué, en maintenant la sortie du générateur de fonctions à 50 ohms et le câble du connecteur BNC déconnecté. Ensuite, connectez les sondes de tension différentielle et de courant et vérifiez qu’il n’y a pas de décalages. Réglez la sonde différentielle sur 120e pour une meilleure résolution. Enfin, réglez la sonde de courant sur 100 millivolts par ampère sur la sonde et 1x sur l’oscilloscope. Et notez ces facteurs d’échelle pour des calculs ultérieurs. Réglez la sortie du générateur de fonctions sur une forme d’onde sinusoïdale soto de 1 000 Hz avec un pic de 10 volts. Mesurez VC et I, connectez le générateur de fonctions et vérifiez que toutes les connexions de circuit sont comme indiqué. Ensuite, enregistrez le courant et la tension mesurés. Enfin, changez le format d’affichage de l’oscilloscope de yt à xy pour afficher la courbe B-H. Ajustez les boutons de réglage vertical du canal un et du canal deux jusqu’à ce que la courbe s’adapte à l’écran de l’oscilloscope. Ensuite, stabilisez la courbe en définissant l’option de persistance pour l’affichage. Et puis, faites une capture d’écran de la courbe. Enfin, ajustez la fréquence du générateur de fonctions à 120 Hz et reprenez la capture d’écran de la courbe B-H après avoir ajusté les paramètres de la courbe si nécessaire. Enfin, débranchez le générateur de fonctions et retirez l’inductance. Gardez le reste du circuit intact.

Pour déterminer le nombre de tours de l’inductance la plus grande, nous allons d’abord mesurer sa courbe B-H. Afin de simplifier les calculs, supposons que le noyau est un noyau entièrement aérien. Tout d’abord, mesurez l’inductance de l’inductance à 120 et 1 000 Hz à l’aide du LCR-mètre. Ensuite, placez l’inductance dans le circuit RC. Mesurez la courbe B-H pour le plus grand inducteur en utilisant la même procédure que celle décrite pour le petit inducteur. Observez et enregistrez le courant et la tension mesurés. Affichez la courbe B-H. Réglez la fréquence du générateur de fonctions à 120 Hz et ajustez les paramètres de courbe si nécessaire.

Les transformateurs monophasés sont constitués de deux enroulements couplés par un noyau magnétique. Ici, la courbe B-H pour un transformateur 60 Hz est mesurée. À l’aide du compteur LCR, mesurez l’inductance de l’enroulement latéral de 115 volts à 120 Hz. Ensuite, assemblez le circuit en connectant AC1 et N du variac au côté primaire du transformateur via le circuit de la carte de prototypage à l’aide de câbles bananes. Ajustez les facteurs d’échelle et les paramètres du générateur de fonctions comme décrit précédemment. Avec le variac à 90 pour cent, mesurez le courant et la tension. Ensuite, affichez et enregistrez la courbe B-H.

Si le nombre de tours de la bobine, la longueur moyenne du noyau et la section transversale sont connus, l’inductance de la bobine est mesurée directement et la perméabilité relative peut être calculée. Alternativement, une courbe B-H mesurée peut être utilisée pour déterminer la perméabilité relative d’un élément, puis calculer le nombre de tours dans la bobine. Dans la région linéaire de la courbe B-H, la perméabilité relative peut être déterminée à partir de la pente. En utilisant la perméabilité relative, et étant donné que l’inductance et les dimensions du noyau sont connues, le nombre de tours peut être facilement calculé à l’aide de la relation suivante.

Les inductances et autres dispositifs électromagnétiques, comme les transformateurs, sont courants dans de nombreux systèmes électriques, électroniques et mécaniques. Le réseau électrique fournit de l’électricité aux consommateurs en distribuant de l’électricité à haute tension sur de longues distances via des lignes de transmission. Des tensions élevées sont nécessaires sur de longues distances pour compenser les pertes d’énergie. Les transformateurs sont utilisés le long des lignes électriques pour abaisser les tensions de transmission plus élevées aux niveaux inférieurs nécessaires aux stations de distribution et pour l’approvisionnement de l’utilisateur final. Les transformateurs transfèrent l’énergie par induction électromagnétique, ce qui permet de réduire de manière contrôlée les tensions alternatives. Ils sont généralement conçus avec des noyaux en acier en raison du point de saturation magnétique élevé de l’acier. L’aimant du stator induit un champ magnétique en rotation dans le rotor, ce qui fait tourner le rotor. En effet, le stator est l’enroulement primaire d’un transformateur, et la cage d’écureuil, l’enroulement secondaire. Les moteurs à induction à courant alternatif sont utilisés dans une grande variété d’applications. Le moteur se compose d’un aimant enroulé stationnaire externe et du noyau ferromagnétique interne du rotor. Typiquement, un arrangement cylindrique de barres conductrices formant la cage de l’écureuil.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la caractérisation des composants magnétiques. Vous devriez maintenant comprendre comment mesurer les courbes B-H des inductances et des transformateurs, tout en identifiant les facteurs de conception inconnus, tels que la perméabilité relative et le nombre de tours. Merci d’avoir regardé.