On désigne par circuit magnétique d’un convertisseur d’énergie, l’espace au sein duquel l’énergie est stockée sous forme d’énergie magnétique.
Dans les dispositifs de stockage, ils sont essentiellement utilisés pour le lissage du courant (inductances de lissage ou self), exceptés les dispositifs supraconducteurs qui peuvent stocker l'énergie magnétique sans pertes et qui peuvent être utilisés pour du stockage longue durée.
Dans les convertisseurs électriques, électromécaniques et électrothermiques cette énergie magnétique n’est qu’un intermédiaire entre un circuit qui crée le champ magnétique que l’on nomme généralement l’inducteur constitué par des enroulements enserrant le circuit magnétique et traversés par des courants ou par des aimants contenus dans le circuit magnétique.et un autre circuit électrique souvent nommé induit.
Ce dernier, dans le cas du chauffage par induction est constitué par la pièce à chauffer elle-même.
Dans certains cas, comme l’alimentation à découpage de type fly-back non isolée, l’enroulement est unique et il joue successivement le rôle d’inducteur et d’induit.
Remarque : Le stockage de l’énergie dans un convertisseur peut se faire aussi sous la forme d'un champ électrique, on parle alors de machines électrostatiques, mais ces dernières sont beaucoup moins répandues compte tenu des contraintes magnétiques et électriques maximales admissibles dans les matériaux qui donnent un énorme avantage aux convertisseurs utilisant les champs magnétiquesTraité d’électricité, d’électronique et d’électrotechnique, Volume X, Machines électriques, chapitre 1 : Généralités sur les machines électriques, J. Chatelain, Presses polytechniques romandes, 1983..
Création du flux du champ magnétique dans le circuit magnétique Le circuit magnétique peut-être fixe ou mobile et le champ magnétique peut être constant ou variable dans le temps ce qui, pour chaque cas, crée des contraintes que le concepteur du convertisseur doit prendre en compte. La principale étant que les conducteurs soumis à des champs magnétiques variables sont l’objet de forces électromotrices responsables de l’apparition de courants qui sont, dans certains cas, indésirables.
Flux créé par un aimant permanent Le flux magnétique engendré par un aimant permanent dépend de la qualité de l'aimant, de la forme géométrique du circuit mais aussi du matériau au sein duquel ce flux du champ magnétique est créé.
Aimant fixe L'aimant peut être fixe, c'est par exemple le cas pour les stators des machines à courant continu. Le flux créé par l'aimant est alors constant mais le flux global dans le circuit peut-être modifié par d'autres éléments. Toujours dans le cas des machines à courant continu, on parle de réaction magnétique d'induit.
Aimant mobile L'aimant peut être mobile, le plus souvent en rotation, plus rarement en translation. Dans ce cas le flux est variable au cours du temps.
Flux créé par un enroulement
L'enroulement est réalisé au plus près du circuit magnétique. Le flux magnétique est engendré par le courant qui le traverse. Ce courant peut être constant ou variable, périodique ou non.
C'est parfois un courant asservi à la valeur désirée du flux comme dans les capteurs de courant à effet Hall.
Systèmes mixtes Les deux systèmes précédents sont parfois combinés.
C'est le cas lorsqu'on désire maintenir un flux magnétique parfaitement constant quelles que soient les conditions d'utilisation. Par exemple dans les machines à courant continu dites compensées dans lesquelles on cherche à annuler les effets de la réaction magnétique d'induit par des enroulements nommés enroulements de compensation qui génèrent un champ magnétique antagoniste, de manière à en limiter les fluctuations, faciliter la commutation et améliorer l'efficacité du moteur. Ces enroulements sont généralement alimentés par tout ou partie du courant d’induit lui-même..
Il existe aussi des cas où l'enroulement est utilisé pour modifier les caractéristiques de l'aimant placé dans le circuit magnétique, comme pour certaines machines synchrones à aimants permanents https://hal.science/hal-01065406/file/Besson_HEIG_VD_SGE2014_Resume_v1_14nov2013.pdf.
Énergie et puissance transmise à un circuit magnétique par le circuit inducteur
Cas général Dans les convertisseurs d’énergie électrique, le circuit magnétique est un intermédiaire entre deux circuits électriques.
La manière dont l’énergie est fournie au circuit magnétique dépend de l’alimentation de l’enroulement primaire et de la nature du circuit magnétique : réluctance et comportement des matériaux qui le constitue face au champ magnétique.
Ces paramètres influent sur la quantité d’énergie qu’il peut stocker mais aussi sur la rapidité avec laquelle les échanges d’énergie peuvent s’effectuer.
Soumis à une tension constante , cet enroulement sera traversé par un courant croissant continument selon la relation :
Il stockera au cours du temps une énergie
pour atteindre une énergie maximale qui est définie par l’intensité maximale admissible du courant électrique :
.
On constate donc que si l’énergie maximale stockée est proportionnelle à l’inductance du circuit, la dynamique du système est, quant à elle, inversement proportionnelle à cette inductance.
C’est la raison pour laquelle l’inductance du circuit primaire d’une alimentation de type Fly-back est faible car on cherche à stocker et déstocker l’énergie très rapidement.
Cette énergie dépend du carré de l’intensité du courant mais au-delà d’une certaine valeur de cette intensité, les circuits magnétiques qui comportent des matériaux ferromagnétiques sont saturés
Considérons un enroulement inducteur placé autour d’un circuit magnétique. Le générateur qui alimente cet inducteur le perçoit comme un dipôle qui présente une inductance que l’on supposera constante et on négligera la résistance de l’enroulement.
Circuit magnétique à flux constant Les cas les plus emblématiques sont ceux du stator des machines à courant continu et du rotor des machines synchrones.
Il existe aussi des applications qui nécessitent un champ magnétique qui ne varie qu’occasionnellement et à des fréquences très faibles comme les électroaimants de levage, les verrous magnétiques ou les contacteurs et les relais électromécaniques.
On doit aussi y classer les SMES constitués de bobinages supra conducteurs.
L’énergie stockée dans le circuit magnétique est alors égal à On peut le mettre sous la forme à la condition de considérer que la réluctance du circuit magnétique est indépendant du flux ce qui est rarement le cas, particulièrement lorsqu’on approche de la saturation des matériaux qui constituent le circuit magnétique.
Fonctionnement d’un circuit magnétique à flux forcé Si l’enroulement inducteur est alimenté par un générateur assimilable à un générateur de tension, ce dernier doit délivrer une tension de valeur moyenne nulle. Dans le cas contraire, la loi de Faraday impose un flux qui doit croitre continument, ce qui implique alors que l’intensité du courant ne peut que croitre, ce qui est physiquement impossible, cette dernière étant toujours limitée par les résistances des enroulements et les résistances internes du générateur.
Les inducteurs alimentés par des générateurs de tension le sont donc toujours par des sources de tensions alternatives et le flux qui en résulte est lui même variable au cours du temps.
C’est une précautions importantes à prendre en compte lorsque le circuit magnétique est alimenté par un onduleur de tension ou par l’intermédiaire d’un gradateur, dispositifs qui sont susceptibles, en l’absence de précautions et en raison d’un décalage des commutations, de délivrer une tension alternative comportant une faible composante continue.
Le flux du champ magnétique est alors imposé par la fréquence et la valeur maximale de la tension.
En régime sinusoïdal de tension, qui correspond à l’alimentation de nombreux transformateurs et machines asynchrones reliés au réseau, le flux magnétique est lui-même une fonction sinusoïdale du temps et son amplitude dans le circuit magnétique est donnée par la Formule de Boucherot. L’on désigne souvent ce fonctionnement par le terme de fonctionnement à flux forcé.
Lorsqu’un courant apparait dans l’induit, le secondaire pour un transformateur et le rotor pour un moteur asynchrone, ce dernier tend à faire diminuer la valeur du champ magnétique mais comme le flux est forcé, le champ reste constant au prix d’une augmentation du courant dans l’enroulement inducteur, primaire du transformateur ou stator du moteur asynchrone.
Enfin, le fonctionnement à flux constant entraine l’existence d’un courant inducteur même lorsque l’appareil ne convertit aucune puissance. Ce courant est appelé courant magnétisant. Il dépend de la valeur de la tension et du comportement des matériaux présent dans le circuit magnétique.
Pour des raisons d’efficacité et de rendement, il est souvent préférable que ce courant soit le plus faible possible, le circuit magnétique est alors conçu avec une forme et des matériaux qui permettent d’obtenir l’intensité du champ magnétique la plus élevée possible pour une intensité des courants inducteurs la plus faible possible.
Calcul des caractéristiques d’un circuit magnétique
Réluctance d'un circuit magnétique
Réluctance d'un circuit magnétique homogène Pour un circuit magnétique homogène, c’est-à-dire constitué d'un seul matériau et de section homogène, il existe une relation permettant de calculer sa réluctance en fonction du matériau qui le constitue et de ses dimensions : en H
étant la perméabilité magnétique en , la longueur en mètres, la section en m.
Réluctance équivalente d'un entrefer La réluctance d'un entrefer de faible épaisseur est donnée par , avec : épaisseur de l'entrefer, perméabilité du vide section de l'entrefer
Si l'épaisseur de l'entrefer est grande, il n'est plus possible de considérer que les lignes de champ magnétique restent perpendiculaires à l'entrefer. On doit alors tenir compte de l'épanouissement du champ magnétique c'est-à-dire considérer que la section S est plus grande que celle des pièces métalliques de part et d'autre de l'entrefer.
Réluctance d'un circuit hétérogène
Analogie d'Hopkinson Cette analogie consiste à faire un parallèle entre les circuits électriques et les circuits magnétiques. vignette|Circuit magnétique
Circuits électriques Circuits magnétiques Intensité du courant électrique Flux du champ magnétique dans le circuit Résistance Réluctance Permittivité Perméabilité Force électromotrice Force magnétomotrice ou Loi de Pouillet Loi de Hopkinson
Lois d’association Les lois d'association des réluctances permettent de calculer celle d'un circuit magnétique de forme complexe ou composé de matériaux aux caractéristiques magnétiques différentes. On décompose ce circuit en tronçon homogène, c'est-à-dire de même section et constitué du même matériau.
Association en série : Lorsque deux tronçons homogènes ayant respectivement pour réluctance et se succèdent, la réluctance de l'ensemble est
Association en parallèle : Lorsque deux tronçons homogènes ayant respectivement pour réluctance et sont placés côte à côte, la réluctance de l'ensemble est telle que , soit encore .
À l'aide de ces lois on peut calculer la réluctance du circuit magnétique complexe dans son intégralité.
Réalisation du circuit magnétique
Pour les détails technologiques on se référera à l’article principal noyau magnétique
Forme du circuit magnétique Mis à part le cas des antennes de récepteurs ou d’ émetteurs radio où l’on cherche à émettre un champ électromagnétique vers l’extérieur ou, à l’inverse, produire des tensions induites par les ondes émises dans l’espace, le circuit magnétique est le plus fermé possible de manière à éviter les fuites de champ magnétique vers l’extérieur.