La conception de vos aimants peut s'avérer une tâche insurmontable si vous ne disposez pas des bonnes informations. Peu importe le type d'aimant que vous souhaitez concevoir, il est essentiel de prendre en compte les formes possibles, les matériaux, les caractéristiques de performance magnétique et les utilisations, entre autres.
Une fois que vous aurez compris ces 4 principes de conception d'aimants, le processus sera simple et transparent.
Étape 1 : Connaître le design ou la forme de l'aimant
Tout d'abord, vous devez connaître la forme de l'aimant que vous souhaitez. Dans la plupart des cas, ce sont les applications qui déterminent la forme de l'aimant.
Bien sûr, il y a ceux que nous considérons comme "standard" et d'autres qui sont conçus sur mesure. Lorsque vous avez des idées de conception d'aimants, tenez compte des éléments suivants :
| Design de la forme de l'aimant | Importance/caractéristiques |
| Aimants cylindriques |
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| Barres magnétiques |
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| Aimant en fer à cheval |
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| Anneaux magnétiques |
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| Aimants en forme de disque |
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| Aimants sphériques |
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Types d'aimants - photo gracieusement fournie : Vecteezy
Bien que ces formes soient parmi les plus courantes, vous pouvez également choisir des options personnalisées pour la conception de votre projet. Toutefois, le fait de travailler avec des formes standard rendra l'ensemble du processus de conception de l'aimant plus simple et plus facile.
Étape 2 : Choix du matériau de l'aimant
Quelles que soient vos idées de conception d'aimants, il est essentiel de connaître le matériau magnétique approprié. Voici quelques matériaux magnétiques populaires pour vos aimants personnalisés :
| Matériau de l'aimant | Caractéristiques des matériaux magnétiques |
| NdFeB (néodyme-fer-bore) |
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| SmCo (Samarium-cobalt) |
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| Ferrite ou céramique |
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| Alnico (aluminium-nickel-cobalt) |
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En fonction des exigences spécifiques, l'ingénieur chargé de la conception de l'aimant conseillera le matériau magnétique approprié.
Tous ces matériaux magnétiques varient en termes de force magnétique, de force d'aimantation, de température de fonctionnement et de densité de flux magnétique, entre autres variables critiques.
Vous choisirez donc ces variables en fonction de vos besoins en matière de conception d'aimants personnalisés. Elles détermineront la manière d'utiliser les aimants.
N'oubliez pas qu'ils sont disponibles dans différentes qualités de matériaux pour des applications spécialisées.
Résumé des matériaux magnétiques - Photo courtoisie : Science Direct
Plus de ressources:
- Aimants en néodyme - Source : Dailymag Dailymag
- Aimants en ferrite - Source : Dailymag Dailymag
- Aimants Alnico - Source : Dailymag Dailymag
- Aimants en terre rare - Source : Dailymag Dailymag
- Aimants SmCo - Source : Dailymag Dailymag
Étape 3 : Comprendre les paramètres magnétiques
La fabrication d'un aimant nécessite une compréhension et une analyse approfondies des différents paramètres magnétiques. En d'autres termes, vous devez évaluer toutes les conditions environnementales et tous les paramètres de travail prévus.
Pour concevoir vos aimants, vous devez tenir compte des variables clés suivantes :
1. Analyse par éléments finis (FEA)
L'analyse par éléments finis est un critère de modélisation qui vous aide à concevoir un aimant adéquat. Diverses simulations permettent d'analyser les aimants :
- Densité de flux
- Couple
- Forces magnétiques
Ces logiciels de conception magnétique vous aideront à développer des informations sur.. :
- Chemins de flux
- Potentiel magnétique vectoriel
- Densité de flux
En général, une collaboration étroite avec les ingénieurs chargés de la conception de l'aimant vous permettra d'obtenir des paramètres précis lors du processus de simulation.
2. Comprendre les caractéristiques de la courbe B-H
Cette courbe magnétique illustre la relation entre :
- Densité de flux magnétique ; est généralement désignée par B;
- La force magnétisante est désignée par H.
En ce qui concerne le principe du guide de conception de l'aimant, vous devez évaluer la courbe B-H/la boucle d'hystérésis.
Grâce à la courbe B-H, il est plus facile de caractériser les différents matériaux magnétiques. Vous apprendrez tous les aspects fondamentaux du processus de conception des aimants. Il s'agit d'une démonstration en boucle fermée :
- Phase de saturation de l'aimant
- Phase de démagnétisation
- Saturation de l'aimant (donc démagnétisation inverse)
- Phase de démagnétisation
Théoriquement, vous pouvez en faire l'expérience sous l'influence d'une force extérieure. Ce phénomène est illustré dans le plan cartésien ci-dessous pour la courbe B-H :
Boucle d'hystérésis - photo courtoisie : Electrical Academia
En général, les 2nd Le quadrant du plan cartésien de la courbe B-H est toujours très critique. En général, il représente des situations pratiques où l'on peut utiliser un aimant. La courbe est généralement appelée courbe de démagnétisation.
Par conséquent, à moins de soumettre l'aimant à des conditions de travail uniques, dans la plupart des cas, les caractéristiques de travail resteront dans la courbe de démagnétisation.
Tout en analysant la courbe de la boucle d'hystérésis/B-H (voir la courbe ci-dessus), il convient de noter ce qui suit :
Points où la courbe croise les axes B-H
En général, nous avons :
- L'induction résiduelle (Br)
- La force coercitive (Hc)
Vous pouvez caractériser l'induction résiduelle par
- Magnétisation nulle
- La courbe d'hystérésis rencontre l'axe des y (axe B)
- Flux maximal
D'autre part, la force coercitive se caractérise par :
- Le matériau magnétique peut résister à un champ magnétique externe
- La démagnétisation due au champ magnétique externe est nulle.
En outre, vous devez tenir compte des éléments suivants B et H étant maximale. Il est également appelé BHmax. C'est le point où le produit de B et H est maximal.
En tant que principe de base pour la conception d'un aimant, un petit volume d'aimant implique toujours le produit de BHmax est élevé.
Pour calculer la B :
Lors de l'analyse du flux total de l'aimant, il faut tenir compte de ce qui suit :
- Flux résultant du champ magnétisant
- La capacité du matériau magnétique à produire un flux plus important dépend de l'alignement des domaines.
Après avoir conçu vos aimants, idéalement, les caractéristiques seront dans les 2nd quadrant de la courbe de la boucle d'hystérésis.
La figure ci-dessus montre que la valeur de H est négative alors que celle de B est positive.
Pour la conception de votre aimant personnalisé, il est important de tenir compte des éléments suivants :
- Force coercitive intrinsèque, c'est-à-dire lorsque la courbe coupe l'axe horizontal (axe H)
- Une force coercitive intrinsèque élevée est le signe d'un matériau magnétique stable.
- Les courbes normales conviennent à la conception d'aimants permanents et d'aimants statiques. En supposant que les champs magnétiques externes soient nuls.
- Utilisez les courbes intrinsèques et les courbes normales lors de la conception d'aimants soumis à une force magnétique externe.
3. Calculs importants pour la conception des aimants
Il existe de nombreux logiciel de simulation d'aimants pour le processus de conception. Bien entendu, ils dépendent tous d'une certaine modélisation mathématique pour obtenir les conceptions et les exigences possibles en matière d'aimants.
Dans cette section, nous allons explorer quelques équations fondamentales qui vous aideront à concevoir les aimants.
Calcul : Longueur de l'aimant, surface du pôle et coefficient de perméance
Examinons ces équations de courtoisie de Magnetshop.com :
Equation de l'aimant - Courtesy : Magnet Shop
En supposant qu'il n'y ait pas de bobine pour exciter l'aimant, vous pouvez déterminer la longueur et les pôles à l'aide des équations (1) et (2) ci-dessus. En outre, si vous souhaitez déterminer le coefficient de perméance, vous devez utiliser l'équation (3). Vous obtiendrez l'équation (3) en combinant les équations (1) et (2) ci-dessus.
Voici la signification des abréviations ou des symboles dans les équations pour les caractéristiques de conception de votre aimant :
| Abréviation ou symbole | Signification |
| Bm | Densité de flux (au point de fonctionnement) |
| Hm | Une force d'aimantation (au point de fonctionnement) |
| Ag | Surface d'une lame d'air |
| Lg | Longueur de l'entrefer |
| Bg | Densité de flux de l'espace |
| Am | Surface du pôle magnétique |
| Lm | Longueur de l'aimant |
| µ | Perméabilité |
| k | Une constante pour la réluctance et les fuites éventuelles |
| Pci | le coefficient de perméance intrinsèque (Bi/H) |
| Pc | coefficient de perméance normale (B/H) |
Bien que les calculs soient basés sur un aimant fonctionnant à 2nd quadrant de la courbe B-H, nous donnons à H un nombre positif.
Il faut mettre les choses en perspective :
Il s'agit d'un principe fondamental que vous devez garder à l'esprit lorsque vous concevez des aimants. Voici 4 exemples de designs d'aimants :
| Exemples de dessins d'aimants | Principales caractéristiques |
| Alnico 5 | - Densité de flux élevée qui donne de bons résultats dans les dispositifs électromécaniques
- Elle est faiblement coercitive |
| Alnico 8 | - Une force de magnétisation élevée implique une petite longueur
- Faible densité de flux, d'où la nécessité d'une grande surface d'aimant. |
| Aimants en terre rare | - La densité du flux dépend de la force de magnétisation - de valeurs moyennes à des valeurs extrêmement élevées.
- La longueur de l'aimant peut être courte avec un petit volume |
| Aimants en céramique ou en ferrite | - Très faible densité de flux
- Un aimant a une grande surface de face polaire. |
Calcul de la densité du flux magnétique
La variable clé du calcul de la densité du flux magnétique est :
- Différentes formes et configurations d'aimants
- Ligne centrale aimantée
Vous pouvez utiliser cette formule fournie par magnetshop.com.
En supposant que vous conceviez des aimants dont la courbe de démagnétisation normale est une ligne droite, avec une distance disons, XUtilisez ces formules :
Pour les aimants cylindriques
Aimant cylindrique
Modèles d'aimants rectangulaires
Rectangle Aimant Flux Densité
Modèles d'aimants en forme d'anneau
Densité de flux de l'aimant annulaire
En dehors de ces modèles d'aimants, il existe certaines situations dans lesquelles vous pouvez être confronté à des cas particuliers :
- Conception d'aimants face à face
- Conception de l'aimant en forme de joug
Calcul de la force d'attraction d'un aimant
Dans la plupart des cas, vous pouvez utiliser la formule :
Où ?
- F - force (livres)
- B - densité de flux (kilogauss)
- A - surface des poteaux (pouces carrés)
Parfois, vous pouvez estimer la force à l'aide de la formule :
Dans ce cas, vous aurez :
- Br - densité de flux résiduel
- A - surface des poteaux (pouces carrés)
- Lm - longueur de l'aimant
En bref, la conception d'aimants personnalisés exige de nombreux calculs. C'est le seul moyen de contrôler tous les paramètres vitaux qui affectent la force de l'aimant pour n'importe quelle conception.
4. Rechercher la stabilité dans la conception de l'aimant permanent
Les différentes formes d'aimants ont des seuils de stabilité variables. En général, au cours du processus de fabrication de l'aimant, la magnétisation aligne les pôles dans une direction spécifique.
Une fois que cela se produit, ils sont "verrouillés" dans cette position. Cependant, un certain phénomène peut interférer avec le fonctionnement normal de l'aimant.
Dans le pire des cas, ils peuvent provoquer une démagnétisation.
Là encore, un guide de conception des aimants prévoit que l'aimant doit conserver ses performances magnétiques répétées. On parle alors de stabilité de l'aimant.
Aimants de magnétisation
C'est pourquoi, même lorsque vous concevez des aimants, vous devez prêter attention à ce qui suit :
Durée d'utilisation prévue de l'aimant
Les électro-aimants restent magnétiques tant qu'ils sont alimentés (disponibilité d'un courant électrique).
Cependant, les aimants permanents conservent leur force magnétique pendant longtemps.
Mais là encore, après la fabrication des aimants et les magnétisations ultérieures, ils ont tendance à perdre un certain pourcentage de leur force magnétique. Toutefois, cette perte est très faible et ne peut pas affecter le fonctionnement normal de l'aimant.
Dans la plupart des cas, l'aimant peut avoir des domaines instables. C'est à l'intérieur de ces domaines que se produisent les pertes. C'est ce qu'on appelle le fluage magnétique.
Une fois le nombre de domaines instables réduit, votre aimant conservera l'effet magnétique net pendant très longtemps.
Pour certains aimants tels que le samarium-cobalt, la perte peut être comprise entre 0% et 3% après près de 10 ans.
Effets de la température sur l'aimant
La température ambiante à laquelle vous avez l'intention d'utiliser l'aimant est également très importante. En général, les effets de la température sur les propriétés magnétiques peuvent être réversibles ou irréversibles.
Toutefois, en ce qui concerne les pertes irréversibles, certaines peuvent être récupérées, d'autres non. Voilà qui semble intéressant - vous en apprendrez plus à ce sujet dans quelques instants.
| Matériau magnétique | Température de Curie (ºC) | Température maximale (ºC) |
| Aimants ferritiques ou céramiques | 460 | 300 |
| Néodyme | 310 | 150 |
| Samarium cobalt | 750 | 300 |
| Alnico | 860 | 540 |
Il ressort clairement de ces informations que si les aimants personnalisés sont destinés à des applications à haute température, il convient de choisir l'Alnico. Pour les applications à basse température, optez pour les aimants en néodyme. Toutefois, vous devez tenir compte d'autres facteurs tels que la résistance à la corrosion, la force magnétique, la facilité d'usinage, etc.
La température n'est qu'une variable parmi d'autres.
Toujours dans le tableau ci-dessus, les température maximale se réfère à une plage dans laquelle vous pouvez faire fonctionner l'aimant. La température de travail recommandée.
Le Température de Curie est le point où l'aimant est complètement démagnétisé.
Comparons maintenant les différentes conditions de température :
| Classification des situations de température dans les aimants | Effets de la température sur les aimants |
| Pertes réversibles |
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| Les pertes sont irréversibles, mais il est possible de récupérer les biens. |
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| Pertes irréversibles et irrécouvrables |
|
Dans ces conditions, comment cela contribue-t-il à la conception d'un aimant stable ?
- La démagnétisation peut contribuer à la stabilité de l'aimant. En d'autres termes, vous exposerez l'aimant à des températures élevées et le processus doit être contrôlé.
- Il permet de stabiliser le magnétisme, car les domaines magnétiques à faible engagement perdent leur magnétisme.
- Dans les aimants stabilisés, la variation du flux est faible.
Analyser les effets des champs magnétiques externes
Là encore, il s'agit de comprendre où vous utiliserez l'aimant. N'oubliez pas que les champs magnétiques externes répulsifs peuvent provoquer une démagnétisation.
Vous devez donc connaître la force coercitive de l'aimant. Dans la plupart des cas, les aimants en terres rares sont difficiles à démagnétiser par un champ magnétique externe.
Types de champs magnétiques - Source : Science Facts
Effets du rayonnement sur les aimants
Les aimants tels que Sm2Co17 résistent mieux aux radiations que les aimants en néodyme. Toutefois, certains aimants se démagnétisent lorsqu'ils sont exposés à une quantité importante de radiations.
Impact mécanique sur les aimants
L'impact mécanique peut être dû à des vibrations, des chocs ou des contraintes. Là encore, vous devez comprendre les applications spécifiques ou l'endroit où vous avez l'intention d'utiliser l'aimant personnalisé.
Bien que les aimants modernes puissent résister à une quantité importante de chocs, il existe des aimants intrinsèquement fragiles.
Par exemple ;
- Les chocs thermiques peuvent endommager les aimants en samarium-cobalt et en ferrite.
- Les chocs mécaniques peuvent briser les aimants en samarium-cobalt en raison de leur fragilité.
Étape 4 : Comprendre l'aimant de la fabrication
10 Processus de fabrication des aimants - Photo courtoisie : SMD Magnetics
La fabrication de l'aimant est également un facteur important à prendre en compte lors du processus de conception de l'aimant.
Nous avons un guide complet ici sur Différentes façons de fabriquer des aimants. N'oubliez pas qu'un processus de fabrication ne peut convenir qu'à des modèles d'aimants spécifiques.
Résumons quelques processus importants de fabrication des aimants :
| Technique de fabrication des aimants | Types d'aimants |
| Aimants de frittage |
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| Aimants moulés par injection |
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| Aimants de collage sous pression |
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| Moulage d'aimants |
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| Aimants extrudés |
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| Calandrage fabrication d'aimants |
|
C'est pourquoi, tout en choisissant le design de vos aimants, il est important de spécifier le processus de fabrication recommandé.
La fabrication doit couvrir tous les processus, de la sélection des matériaux à la magnétisation et aux tests de qualité.
N'oubliez pas que lorsqu'il s'agit d'évaluer le processus de fabrication de l'aimant, vous devez prendre en compte d'autres facteurs tels que
- Opérations d'usinage - Elles peuvent impliquer le meulage, le découpage ou le perçage afin d'obtenir certains états de surface.
- Revêtement - certains aimants peuvent nécessiter un revêtement pour une protection supplémentaire. Il s'agit de protéger l'aimant contre les environnements corrosifs susceptibles de le faire rouiller. Par exemple, les aimants en néodyme ne sont pas résistants à la corrosion. Ils doivent donc être revêtus.
- Assemblage magnétique - vous pouvez utiliser de l'adhésif ou des attaches pour assembler des aimants dans diverses applications.
Test de qualité de l'aimant après la conception et la fabrication
Les tests de qualité permettent de déterminer si la conception de l'aimant est bonne ou non. Il existe de nombreuses façons de vérifier la qualité d'un aimant. Les tests de qualité les plus courants sont les suivants
- Courbes B-H
- Détermination du flux total
- Mesure de la densité du flux
- Réalisation de tests de pull-up
Étape 5 : Préciser l'utilisation des aimants personnalisés
Il existe différentes formes d'aimants pour diverses applications. N'oubliez pas que la forme de l'aimant, le type de matériau et les caractéristiques de performance déterminent les applications spécifiques de l'aimant.
En général, les aimants disponibles remplissent quatre fonctions fondamentales :
| La fonction d'un aimant | Exemples d'applications |
| Énergie mécanique à énergie mécanique |
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| De l'énergie mécanique à l'énergie électrique |
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| Conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique |
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| Conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique |
|
En outre, dans certains cas, les aimants peuvent remplir des fonctions spéciales :
- Résistance de la magnéto
- Résonance magnétique
- Effet Hall
Ces quatre étapes vous permettent de concevoir et de fabriquer facilement des aimants. Peu importe que vous conceviez des aimants de levage ou des aimants de détection. Les principes fondamentaux restent les mêmes.
Conclusion
Comme vous pouvez le constater, la conception d'aimants est un processus rigoureux. Il faut connaître le type de matériau, comprendre les paramètres de fonctionnement de l'aimant, choisir un processus de fabrication approprié et mettre en place des tests de qualité adéquats.
Plus de ressources:
Conception d'aimants - Source : MagnetShop
Principe de conception des aimants - Source : Intemag
Matériau magnétique - Source : JCBOSEUST
Principe de conception des aimants - Source : ICPTIAEA
Calculs pour la conception d'aimants - Source : Word Wide Science
Calculateurs d'aimants en ligne - Source : MagnetShop
Guide de conception des circuits magnétiques - Source : TDK
Considérations relatives à la conception des aimants permanents - Source : Magnetic Mag
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