Brevet FR2428307A1 — publié le 19800104

L'invention se rapporte aux dispositifs magnétiques destinés aux applications ou un champ magnétique utilisable doit être engendré à une distance importante par rapport à la dimension de la "source" magnétique. Parmi une très grande variété possible de telles applications, on peut citer l'incorporation des sources à un objet dont la localisation pose des problèmes dans certaines condi- tions : par exemple, système immergé dans l'eau, sous une couche de neige ou, de façon générale, non directement accessible. Dans ce type d'application, la source magnétique produit un champ qui permet son repérage à une distance qui, suivant la sensibilite du detecteur, peut atteindre dix ou vingt fois, par exemple, la dimension principale du générateur de flux (lequel comporte nécessairement un circuit due forme générale allongée). Une autre application consiste à produire un champ magnetique qui, se superposant au champ terrestre, provoque, en un point donné, une variation du champ total mesuré en ce point. Les dispositifs magnétiques à courants alternatifs permettent, sans doute, dans ce cas; de separer plus aisément la composante alternative du champ magnétique de la composante continue du champ terrestre ; mais ils necessitent une alimentation en energie qui constitue, dans certains cas, un inconvénient rédhibitoire. Pour cette raison, l'emploi de sources magnétiques à aimants permanents, puissantes et fiables, peut être avantageusement envisage. D'une façon générale, lorsqu'on veut produire un champ ma gnétique dans une zone de l'espace, il est souvent intéressant d'envisager l'emploi d'aimants permanents, parce qu'ils ne requièrent aucun apport d'énergie et qu'ils présentent, par rapport aux circuits utilisant des courants électriques, une fiabilité au moins aussi bonne et, en pratique supérieure, si quelques précautions sont prises. L'un des inconvénients, cependant, de la "source" magnétique à aimants permanents est que le prix des aimants est élevé si on le compare à celui d'un circuit en acier doux avec bobinage ; ce dernier prix doit, il est vrai, être completé par celui de l'ali tentation. L'invention se propose donc de réduire notablement le poids des aimants nécessaire, pour une. application donnée, à la réalisation d'une source magnétique destinée a produire un champ à une distance importante par rapport sa dimension principale. celle se propose en outre de conférer à une telle source toute la fiabilité que l'on peut attendre d'un dispo t a aimants permanents, en particulier, une excellente résistancc aux champs démagnétisants parasites. Suivant l'invention, le premier objectif défini ci-dessus est atteint en faisant comporter au dispositif trois portions mises bout à bout, à savoir une portion centrale constituée par une substance magnétique douce, en sandwich entre deux portions constituées en une substance magnétique dure ayant une induction rémanente élevée. Selon un mode d'exécution préféré, le dispositif a la forme genérale d'un cylindre de section circulaire ou polygonale et chacune des portions extrêmes à une longueur comprise entre 2,5 et 4 fois et, de préférence, entre 3 et 4 fois le diamètre du cercle de même surface que ladite section. Le second objectif défini ci-dessus est atteint, selon un mode d'exécution préféré de l'invention, en faisant comporter au dispositif,en plus des deux portions d'aim nt permanent qui encadrent la portion centrale, deux portions extrêmes contigües aux deux dites portions d'aimant permanent, ces deux portions extrêmes étant constituées en une matière magnétique présentant un cycle d'hystérésis qui, dans une portion qui correspond aux valeurs du champ demagnétisant superieures à la moitié environ du champ coercitif, possède une pente voisine de celle des droites de recul. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaitront clairement à la lumière de la description ci après Au dessin annexé La figure 1 est le schéma de principe d'une source magnétique conforme à un premier mode d'exécution de l'invention ; La figure 2 représente schématiquement une source magnétique conforme à un second mode d'exécution ; et Les figures 3 et 4 servent à expliquer les raisons pour lesquelles la disposition conforme au second mode d'exécution permet d'atteindre le second objectif. A la figure 1, on a représenté un dispositif magnétique de forme cylindrique, à section circulaire ou polygonale, ayant une longueur totale L . On appellera D le diamètre du cercle ayant la même surface que ladite section. Si celle-ci est circulaire, D est évidemment le diamètre de la section. Si elle est, par exemple, carrée, le côté C du carre est lie à D par la relation Le dispositif co-rend une portion centrale I en sandwich entre deux portions 2 et 3 et sa longueur totale L est beaucoup plus grande que D, par exemple seize fois plus grande1 ce nombre n'étant nullement limitatif . En pratique, dans les applications ou une telle source est utilisable, L est toujours nettement supérieure à une dizaine de fois D. La longueur de chacune des portions 2 et 3 est comprise en tre 2,5 et 4 D et de préférence, entre 3 et 4 D. Dans l'exemple con sidéré, on donnera à chacune des portions 2 et 3 une longueur égale à - 3 D, si bien que la portion 1 aura une longueur égale à 10 D. La portion 1 est constituée en une substance magnétique douce. Comme cela est bien connu, une telle substance peut être définie comme ayant un champ coercitif de quelques oersteds et prenant une induction élevée, supérieure à 10 000 gauss, sous l'influence d'un faible champ magnetique, de 3 à 15 oersteds par exemple. A titre d'exemple, on pourra utiliser un acier doux (référence X C 10 suivant les normes françaises). Les portions 2 et 3 sont constituées en une substance magnetique dure ayant une induction rémanente aussi élevée que pos sible, au moins égale à 10 000 gauss. Pratiquement, dans l'état actuel de la technologie, il s'agira d'un alliage anisotrope à base de fer, de nickel et de cobalt, telle que l'Alnico Y ou le Ticonal 600. Ces substances ont une induction rémanente de l'ordre de 12.500 à 13.500 gauss et un champ coercitif de l'ordre de 600 à 700 oersteds. Leur prix au kilog etant une cinquantaine de fois plus élevé que celui d'un alliage magnétique doux, on voit que, par rap port à celui d'un aimant permanent homogène de même longueur, le prix du dispositif est de l'ordre de deux à trois fois plus faible. Son poids reste du même ordre de grandeur. Or on a constaté que le champ engendré à grande distance par un tel dispositif est sensiblement le même que celui d'un aimant permanent homogène de même longueur. Ce résultat peut s'expliquer par les considérations theo riques ci-après;mais, étant de nature expérimentale, il ne dépend pas de leur validité. On explique de façon classique le fonctionnement d'un ai mant permanent cylindrique allongé en l'assimilant à un dipôle ma gnétique et, d'une façon lus precise, à une suite de dipôles ma gnetiques. En effet, si lton représente les masses magnétiques fic fictives qui fournissent, à l'extérieur de l'aimant, les mêmes champs que celui-ci et qui sont, comme l'enseignent les théories modernes du magnétisme, de simples intermédiaires de calcul, la distribution de masses magnétiques équivalente à l'aimant, comporte des masses terminales localises aux extrémites et des masses en volume,localisées au vosinage des extrémités pour l'essentiel, puisque leur densite est, au signe près, égale à la variation de l'intensité d'aimantation dans une tranche de l'aimant délimitée par deux plans pa allèles entre eux et normaux à son axe longitudinal de symétrie. Si l'on étudie la variation de l'induction dans l'aimant entre l'une de ses faces terminales et son plan transversal médian, il apparaît que, partant d'une valeur qui caractérise la face terminale, l'induction croit quand on se déplace dans la direction du plan médian. Pour un diamètre D, à une distance de la face terminale, mesurée le long de l'axe, de l'ordre de 3 à 4 D, on constate que l'induction cesse de croitre et que sa valeur est pratiquement égale à l'induction rémanente de la substance magnétique utilisée.Ainsi, pour un aimant dont la longueur vaudrait, par exemple, seize fois le diamètre, on constate que l'induction varie, au voisinage de chaque extrémité, dans une zone de longueur sensiblement egale à L et qu'elle est en revanche constante dans toute la partie central5, du dispositif, dans une zone de longueur sensiblement égale à L. il n'y a donc aucune modification notable du champ à distance si l'on remplace, dans cette zone centrale, la matière magne- tique dure de l'aimant par une matière magnétique douce. Dans le mode d'exécution de la figure 2, les portions 1, 2 et 3 ont les mies longueurs que dans celui de la figure 1, mais chacune des portions 2 et 3 est elle-même constituée de deux portions, constituées d'alliages magnétiques durs de nuances différentes, 2021 et 30-31 respectivement. En outre, l'ensemble des portions magnétiques est entouré d'une enveloppe protectrice a magnétique 4, par exemple, constituée par une tôle d'acier inoxydable et un remplissage de matière plastique en mousse. Les portions 21 et 31 qui encadrent la portion centrale 1, sont constituées en une matière magnétique dure à induction rémanente elevée, identique à celle qui constitue les portions 2 et 3 dans le mode d'exécution de la figure 1, tandis que les portions terminales 20 et 30 sont constituées en une matière magnétique dure telle que, pour des valeurs élevées du champ démagnétisant, la pente du cycle d'hystérésis soit voisine de celle des droites de recul. A titre d'exemple, une telle substance est constituée par du Ticonal 1500. L'induction rémanente est de l'ordre de 8 500 gauss et le champ coercitif, d'environ 1 500 oersteds. L'induction rémanente pouvant varier entre 8 000 et 10 000 gauss. Les différentes portions auront, par exemple, les longueurs suivantes : 1,5 D pour chacune des portions 20, 21, 30, 31 et 10 D pour la portion 1. Les rapports de longueur entre les deux portions 20 et 21 (ou 30 et 31) ne sont nullement critiques. Toutefois, il est souhaitable, pour des raisons qui seront expliquées ci-après, que la longueur des portions intermédiaires 21 et 31 soit telle que les valeurs du champ démagnétisant restent, dans ces portions, inférieures a la moitié du champ coercitif de la matière qui les constitue. On pourrait être amené, pour adapter les sections des portions telles que 20 - 21 au flux, à relier ces portions par une pièce en substance magnétique douce. On a constaté que ce choix de deux alliages magnétiques durs ayant les nuances indiquées ci-dessus pour constituer chacun des deux aimants 2 et 3 réduit considérablement les effets démagnétisants des champs magnétiques parasites parallèles a l'axe de sy métrite longitudinal du dispositif, sans pour cela reduire le champ engendre à l'extérieur par la source. Ce résultat expérimental peut s'expliquer par les considérations théoriques suivantes ; mais il ne dépend évidemment pas de leur validité. On sait qu'une substance magnétique dure résiste bien à l'effet de champs parasites parallèles à l'axe de l'aimant lorsque, pour un élément de volume considéré, le cycle d'hystérésis a une pente voisine de celle du cycle de recul, ce dernier étant assimilable à une droite. En se reportant a la figure 3, si au point P d'un élément de volume l'induction est Bp et le champ démagnétisant Hp, l'appli cation d'un champ démagnétisant parasite supplémentaireA ho fait descendre le point de fonctionnement le long du cycle principal d'hystérésis, de P en P'.En P' l'induction est Bp, et le champ démagnétisant total est égal à Hp + Hp Si le champ parasite est supprimé, le point de fonctionnement représentatif de l'état magnétique de l'élément de volume con sidéré remonte sur la droite dn rerl≈de P@ en un @@@@@ @@@@ une théorie simplifiée indique que P"' SE trouve à l'intersection de la droite de recul issue de P' et de la droite qui joint l'origine Les coordonnées du diagramme au point p L'induction en P", apres disparition du champ magnétique parasite, est Bp", valeur inférieure à Bp. La difference entre ces deux valeurs Bp et Bp est d'autant plus grande que la pente du cycle d'hystérésis diffère davantage celle de la droite de recul. Pour une substance à induction rémanente elevée telle que l'Alnico V ou le Ticonal 600 mentionnés ci-dessus, la pente des droites de recul est de l'ordre de 4/1 pour l'ensemble du cycle d' hystérésis. Cette valeur est du même ordre que la pente du cycle d'hysterésis dans la région définie par les valeurs du champ demagnéti- sant comprises entre zéro et Hc/2, Hc étant le champ coercitif. Par contre, pour les valeurs du champ démagnétisant supérieures à Hc/2, la pente du cycle d'hystérésis augmente et devient considérablement supérieure à celle de la dro-ite de recul. il résulte des considérations précédentes qu'une stjb.iance magnétique de ce type résiste bien aux effets des champs démagné- sants parasites lorsqu'elle est utilisée dans la partie haute du cycle d'hystérésis (c'est-à-dire, à droite de Hc/2, figure 3) et non dans la partie basse ( gauche de Hc/2, figure 3). A la figure 4, on a représenté les cycles d'hystérésis des substances constituant respectivement les portions 20 et 21 du dispositif de la figure 2. On voit que, pour le cycle d'hystérésis (20), la pente est voisine de celle des droites de recul même pour des valeurs du champ démagnétisant supérieures a Hc/2. Dans ces conditions, les champs parasites demagnétisants, parallèles à l'axe du dispositif, n'entraineront pas, dans les régions terminales 20 et 30 de celui-ci, d'effets démagnétisants sensibles. Il ne serait pas judicieux d'employer également une telle substance pour les régions 21 et 31, car son induction rémanente est plus faible que celle des autres nuances précisées ci-dessus et il s'ensuivrait un affaiblissement du champ extérieur produit. Les champs magnétiques parasites perpendiculaires à la direction d'anisotropie des aimants, c'est-à-dire normaux à l'axe longitudinal du dispositif, ont un effet qui ne peut pas être prévu en considérant le cycle principal d'hystérésis de la substance, puisque celui-ci est défini en supposant que l'on se place paralle- lement à la direction d'anisotropie. Cependant la résistance, à ce type d'effets parasites, des substances a aimants anisotropes, est très grande. L'un des moyens les plus surs pour éviter une demagnétisation sensible est tout simplement de prévoir que l'on ne puisse approcher le générateur d'effets parasites de l'aimant permanent a une distance trop faible, ce qui revient à placer, autour des aimants proprement dits une paroi, ou des éléments discontinus équivalents, empêchant d'approcher des aimants permanents à une distance inferieure à un certain seuil que l'on se fixe. L'enveloppe de protection 4 répond à cet objectif. L'épaisseur de cette énveloppe peut être de l'ordre de D/4 ou DIS autour de la surface latérale du cylindre, et de D/2 sur chacune de ses faces terminales. Il doit être bien compris que les longueurs relatives des différentes portions constitutives des dispositifs des figures 1 et 2 ne sont pas critiques. Toutefois, si l'on s'écarte sensiblement des longueurs limites indiqués pour les portions 2 et 3 (ou 20-21 et 30-31), soit l'effet de reductioh du coût recherché n'est plus obtenu, soit le champ extérieur engendre pour un encombrement et un poids donnés du dispositif se trouve réduit de manière excessive. il est entendu par ailleurs, que la forme du dispositif peut varier, sans s'ecarter de l'esprit de l'invention; il peut être constitue par un cylindre creux ou même avoir un profil curviligne. Lorsque l'effet démagnétisant de champs magnétiques parasites parallèles à la direction d'anisotropie n'est pas a crainre, le mode d'exécution de la figure 1 pourra être utilisé. Dans le cas contraire, on utilisera celui de la figure 2. On n'a indiqué, dans la description qui précède, aucune dimension en valeur absolue. On sait, en effet, que la multiplication des dimensions par une homothétie de rapport donné n'a d'autre effet que de multiplier par ce rapport la distance à laquelle le champ a une valeur donnée REVENDICATIONS 1- Dispositif magnétique à aimants permanents destiné à engendrer un champ magnétique utilisable à une distance plusieurs fois supérieure à sa dimension principale et comportant, à cet effet, deux pôles magnétiques separés par une distance plusieurs fois supérieure à ladite dimension principale, caractérisé en ce qu'il comporte trois portions mises bout à bout, a savoir une portion centrale constituée par une substance magnétique douce, en sandwich entre deux portions constituées en une substance magnétique dure ayant une induction rémanente superieure à 10.000. 2- Dispositif magnétique selon la revendication 1, carac terse en ce qu'il comporte en outre deux portions extrêmes constituées elles-mêmes en une matière magnétique dure présentant un cycle d'hystérésis qui, dans une portion qui correspond aux valeurs du champ démagnétisant supérieures a la moitie environ de son champ coercitif, a une pente voisine de celle des droites de recul. 3- Dispositif magnétique selon la revendication 1 ou 2, ayant la forme générale d'un cylindre de section circulaire ou polygonale, caractérise en ce que lesdites portions en substance magnetique dure ont, de chaque côte de la portion centrale, une longueur totale comprise entre 2,5 et 4 fois le diamètre du cercle de même surface que ladite section. 4- Dispositif magnétique selon la revendication Wou 2, ayant la forme générale d'un cylindre de section circulaire ou polygonale, caractérisé en ce que lesdites portions en substance magnétique dure ont, de chaque côté de la portion centrale, une longueur totale comprise entre 3 et 4 fois le diamètre du cercle de même surface que ladite section. 5- Dispositif magnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la substance magnétique dure constitutive des deux portions qui encadrent la portion centrale a une induction rémanente au moins égale à12 500 gauss. 6- Dispositif magnétique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la substance magnétique dure constitutive des deux dites portions extrêmes a une induction remanente comprise entre 8 000 et 10 000 gauss et un champ coercitif au moins de l'ordre de 15 000 oersteds. 7- Dispositif magnétique selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que par une enveloppe magnétique disposée autour de l'ensemble desdites portions et ayant une épaisseur de l'ordre du quart ou du cinquième dudit diametre à la périphérie du dispositif et de l'ordre de la moitié dudit diamètre sur ses faces terminales.