Brevet FR2678736A1 — publié le 19930108

"Dispositif de mesure de l'hystérésis d'échantillons d'aimants permanents" La présente invention concerne un dispositif pour mesurer l'hystérésis d'échantillons d'aimants permanents, comportant un électro- aimant générant un flux magnétique alterné, avec un intervalle de mesure entre deux pièces polaires pour recevoir l'échantillon et deux bobines de mesure juxtaposées dans au moins l'une des pièces polaires, les axes des bobines étant10 perpendiculaires à l'intervalle de mesure. La courbe d'hystérésis de matière magnétique dure ou aimant se détecte de manière connue dans une culasse de mesure et l'échantillon à mesurer est alors placé entre les deux pièces polaires de la culasse.15 Pour déterminer la polarisation par voie inductive, on utilise deux bobines de mesure placées dans la culasse dont l'une est recouverte par l'échantillon à mesurer. Pour détecter le passage à zéro de l'intensité de champ H dans l'entrefer, c'est-à-dire en dehors de20 l'échantillon, on utilise une sonde à effet hall. L'intensité de champ mesurée à l'aide de cette sonde à effet hall, en dehors de l'échantillon, est prise com- me étant égale à l'intensité de champ dans l'échantil- lon. Dans le commerce on connaît un tel disposi- tif de mesure de l'hystérésis d'échantillons d'aimants permanents sous la dénomination "Permagraph" de la So- ciété Magnet Physik Les bobines de mesure de cet ap- pareil connu sont réalisées sous la forme de bobines cylindriques à paroi extrêmement mince pour éviter les parasites dans la forme du champ Pour cela, on accep- te néanmoins que les bobines ne se composent que d'un très petit nombre de spires ce qui se traduit par un très petit signal utile Ce signal ne dépasse que très légèrement le niveau du bruit Dans les procédés d'in- tégration analogique usuels, on élimine le bruit par le procédé Le signal utile doit néanmoins être ampli- fié et pour cela l'amplificateur analogique est soumis à des conditions très strictes, ce qui nécessite glo- balement une électronique très coûteuse Dans le cas d'appareils numériques, il faut tout d'abord détecter pas à pas la tension d'induction par un élément d'é- chantillonnage et de maintien, mettre en mémoire cette mesure puis l'intégrer par le calcul Ce procédé n'est fiable que si le bruit est négligeable par rapport au signal utile ce qui n'est pas le cas pour les appa- reils connus Si on prévoyait un nombre de spires beaucoup plus important pour augmenter le signal uti- le, cela étendrait radialement le volume de l'enroule- ment et provoquerait une distorsion de champ notamment à la transition entre l'échantillon et la pièce polai- re Or, cette distorsion créerait un lien de dépendan- ce entre le résultat de la mesure et l'épaisseur de l'échantillon Cela mettrait en cause l'ensemble du procédé de mesure. Dans la demande de brevet allemand P 41 14 799 5 on a également proposé un dispositif de mesure de l'hystérésis d'échantillons d'aimants permanents correspondant au type défini ci-dessus, et n'utilisant pas de sonde à effet hall Pour déterminer l'hystéré- sis ou la polarisation on utilise uniquement les si- gnaux de mesure fournis par les deux bobines de mesu- re Les problèmes évoqués ci-dessus existent évidem- ment aussi dans ce dispositif mais dans ce document rien n'est dit sur la construction des bobines de me- sure. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un dispo- sitif de mesure correspondant au type défini ci- dessus, caractérisé en ce qu'au moins la bobine de me- sure recouverte par l'échantillon pour la mesure, pré- sente dans la pièce polaire une distance S par rapport à la surface extérieure de cette pièce polaire qui dé- limite l'intervalle de mesure et en ce que la face frontale de la bobine de mesure tournée vers l'inter- valle de mesure passe d'un intervalle annulaire vers l'intervalle de mesure, et dont la largeur radiale de l'intervalle b = (D 2 D 1)/2 (D 2 = diamètre extérieur de l'intervalle annulaire, Dl = diamètre intérieur de l'intervalle annulaire) est inférieure à l'épaisseur de la bobine (d) et correspond au plus à 0,5 mm. Le dispositif selon l'invention offre l'a- vantage que tout en créant un faible dérangement dans la forme du champ dans l'échantillon et dans l'entre- fer, il donne une tension d'induction très élevée, c'est-à-dire un signal utile de grande amplitude En plus d'un signal utile d'amplitude beaucoup plus grand, le montage des bobines de mesure selon l'inven- tion offre également une dépendance beaucoup plus fai- ble par rapport à l'intensité du champ et à l'épais- seur de l'échantillon, par comparaison aux réalisa- tions connues Les moyens mis en oeuvre sont globale- ment plus réduits, car le montage des bobines de mesu- re selon l'invention peut se réaliser avec des moyens relativement réduits et les conditions posées à l'é- lectronique d'exploitation sont beaucoup moins stric- tes. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, pour une forme optimale des bobines de mesure et des volumes nécessaires aux enroulements, il est prévu pour un petit diamètre de bobine et d'intervalle annulaire que la largeur radiale de l'intervalle annu- laire soit limitée selon la relation D 2/D 1 De plus, la distance S entre la bobine de mesure et l'intervalle de mesure est définie par la relation 2 s/(D 3 D 2) z 1,0 dans cette relation D 3 est le diamètre extérieur de la bobine de mesure et le diamètre intérieur de la bobine de mesure correspond au diamètre intérieur de l'inter- valle annulaire Pour optimiser encore plus, on limite la longueur de bobine 1 selon la relation ( 1 + s) / Dl Pour une précision de mesure encore meilleu- re on prévoit entre les deux faces frontales de la bo- bine de mesure et la matière de la pièce polaire, cha- que fois un intervalle axial. Pour réaliser avantageusement sur le plan constructif un intervalle annulaire plus étroit par rapport à l'épaisseur de la bobine, le noyau portant la bobine de mesure se place dans la pièce polaire et notamment peut y être pressé ou fretté De façon avan- tageuse, la zone d'extrémité de la pièce polaire qui porte la bobine de mesure est amovible et comporte un perçage traversant recevant le noyau et la bobine de mesure Le perçage traversant possède un rétrécisse- ment annulaire pour former l'intervalle annulaire et définir l'écartement entre la bobine de mesure et l'intervalle de mesure, et cela à son extrémité située du côté de l'intervalle de mesure Un tel perçage se réalise simplement et il suffit de presser le noyau portant la bobine de mesure montée préalablement, par l'arrière, dans ce perçage. Le montage selon l'invention convient égale- ment pour les deux bobines de mesure qui sont pour l'essentiel identiques De la même manière, l'inven- tion pourrait également s'appliquer à des bobines de mesure composées chaque fois de bobines partielles branchées en série et dont l'une est placée dans une pièce polaire et l'autre dans l'autre pièce polaire en regard Ces deux bobines partielles peuvent également être réalisées avantageusement de manière pratiquement identique pour simplifier la fabrication et l'exploi- tation des signaux de mesure fournis par les deux bo- bines. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté sché- matiquement aux dessins dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un montage expérimental pour mesurer l'hystérésis d'é- chantillons d'aimants permanents. la figure 2 montre la disposition d'une bobine de mesure dans une pièce polaire, à échelle agrandie, comme exemple de réalisation de l'invention. Selon le montage expérimental représenté à la figure 1, une culasse 10 d'un électro-aimant ne montre dans un but de simplification que les deux piè- ces polaires 11, 12 La culasse porte une bobine d'ex- citation 13 alimentée par un dispositif de réglage de champ magnétique 14 Ce dispositif génère un courant d'excitation croissant et décroissant en alternance. La culasse 10 de l'électro-aimant est fermée de maniè- re usuelle par une forme en U, dans la zone non repré- sentée. Entre les pièces polaires 11, 12 il y a un intervalle de mesure 15 destiné à recevoir l'échantil- lon d'aimant 16 à mesurer Les deux surfaces d'extré- mité en regard des pièces polaires 11, 12 sont paral- lèles; l'échantillon d'aimant 16 se loge de manière extrêmement précise dans l'intervalle de mesure 15. Deux bobines de mesure 17, 18 sont noyées -dans les pièces polaires 11, 12 L'axe des bobines de mesure cylindriques 17, 18 est perpendiculaire à l'intervalle de mesure 15 Chacune des bobines de mesure 17, 18 se compose de deux bobines partielles 17 a, 17 b ou 18 a, 18 b respectivement branchées en série Cela n'est pas représenté aux dessins dans un but de simplification. Les bobines partielles 17 a, 17 b de même que les bobi- nes partielles 18 a, 18 b sont disposées en regard l'une de l'autre avec des axes alignés Les bobines de mesu- re 17, 18 sont juxtaposées Les lignes d'alimentation 19, 20 des bobines de mesure 17, 18 passent par des canaux dans les pièces polaires 11, 12 ou la pièce po- laire 12. Pour la mesure, on place l'échantillon d'ai- mant 16 dans l'intervalle 15 pour chevaucher la bobine de mesure 17 réalisée sous la forme de bobine B pour capter la densité de flux B L'autre bobine de mesure 18 détecte une tension d'induction qui n'est pas en- gendrée par l'action de l'échantillon d'aimant 16 La densité de flux B et la polarisation I peuvent être affichées par le dispositif d'affichage 21 après trai- tement des tensions induites détectées A l'aide d'un inverseur 22 on peut fournir au dispositif d'affichage 21 soit la tension induite de la bobine 17 pour affi- cher la densité de flux B ou les tensions induites ad- ditionnées des deux bobines de mesure 17, 18 pour af- ficher la polarisation I L'intensité de champ H est détectée à l'aide d'une sonde à effet hall 23 dans l'intervalle de mesure 15 à côté de l'échantillon d'aimant 16; cette intensité est affichée par un se- cond dispositif d'affichage 24 Les deux dispositifs d'affichage 21, 24 comportent chacun une sortie pour le branchement sur un appareil d'exploitation 25 qui est par exemple une table traçante xy ou encore un calculateur avec un écran vidéo Si l'on modifie le champ magnétique à l'aide du dispositif de réglage de champ 14, entre les pièces polaires 11, 12, automati- quement dans les deux directions, le dispositif d'ex- ploitation 25 fait apparaître une courbe B (H) ou I (H) pour représenter l'hystérésis. Le montage décrit ci-dessus correspond pour l'essentiel à l'état de la technique tel que décrit dans le préambule En opposition à celui-ci, on con- çoit ici les bobines de mesure 17, 18 d'une manière différente, comme cela apparaît dans la vue à échelle agrandie de la figure 2 Les deux zones d'extrémité 26, 27 qui se rejoignent suivant une forme conique pour les pièces polaires 11, 12 sont amovibles La fi- gure 2 montre la bobine partielle 17 b dans la zone d'extrémité 27 de la pièce polaire inférieure 12 Les autres bobines partielles ou bobines de mesure sont réalisées de manière correspondante En principe, on pourrait également réaliser différemment la bobine de mesure 18 Il serait également possible de supprimer les bobines de mesure et de ne prévoir qu'un ensemble unique de bobines de mesure 17, 18 dans l'une des deux pièces polaires 11, 12. La zone d'extrémité amovible 27 de la pièce polaire 12 comporte un perçage traversant 28 perpendi- culaire à l'intervalle de mesure 15 Ce perçage tra- versant 28 possède un diamètre D 3 Toutefois, au ni- veau de l'ouverture située du côté de l'intervalle de mesure, il-y a une partie en saillie 29 annulaire, du côté intérieur et dont l'ouverture correspond à D 2 Un noyau cylindrique 30, réalisé dans le même matériau que la zone d'extrémité 27, comporte un épaulement pour recevoir la bobine partielle 17 b La zone d'ex- trémité du noyau 30, non tournée vers l'intervalle de mesure 15, possède un diamètre D 3 alors que la zone du noyau 30 qui porte la bobine partielle 17 b possède un diamètre intérieur correspondant au diamètre Dl de la bobine partielle 17 b Cette zone de plus faible diamè- tre Dl dépasse de la longueur S la bobine partielle 7 b; la dimension axiale de la partie en saillie 29 correspond également à la longueur s Lors de la mise en place du noyau cylindrique 30 portant la bobine partielle 7 b dans le perçage traversant 28 on obtient ainsi un intervalle annulaire 31 entre la bobine de mesure 15 et la bobine partielle 17 b Cet intervalle annulaire 31 a une largeur b = (D 2 D 1)/2 et une lon- gueur axiale égale à s Le noyau 30 est à cet effet pressé dans le perçage traversant 28 En principe, on peut également le souder ou le braser. Le but du montage est de loger autant de spires que possible pour augmenter le signal utile et par ailleurs de ne déranger le profil du champ que de manière aussi réduite que possible par un intervalle très étroit Cela aboutit à une très faible dépendance de l'intensité du champ et de l'épaisseur de l'échan- tillon Pour atteindre ce but de manière optimale, on limite la largeur b à 0,5 mm Dans le cas de bobines de mesure très petites, on limite encore plus par la relation D 2/D 1 Pour la distance S on obtient un dimension- nement optimum selon la relation 2 S / (D 3 D 2) z 1,0. La longueur de bobine 1 est limitée par op- timisation selon la relation suivante (l + s) / Dl Pour former un intervalle annulaire 31 ainsi optimisé, on peut évidemment utiliser également d'au- tres moyens constructifs Ainsi, la bobine de mesure peut également être placée dans la pièce polaire en partant de l'intervalle de mesure et l'intervalle an- nulaire 31 plus étroit par rapport à l'épaisseur de la bobine peut être formé par un anneau placé dans la pièce polaire. En variante de la figure 2, on peut avoir une bobine partielle 17 b plus courte que le volume disponible pour la bobine ou le noyau de l'enroule- ment Pour cela, au niveau des deux faces frontales de la bobine partielle 17 b, on a un volume libre 32 non utilisé, et qui est indiqué par des hachures à la fi- gure 2 Cela permet d'augmenter encore plus la préci- sion de la mesure. La réalisation constructive représentée à la figure 1 s'applique évidemment non seulement à la bo- bine partielle 17 a mais également à la bobine partiel- le 17 b et le cas échéant aux bobines partielles 18 a et 18 b ou encore à des bobines de mesure en une seule partie. R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif pour mesurer l'hystérésis d'échantillons d'aimants permanents, comportant un électro-aimant générant un flux magnétique alterné, avec un intervalle de mesure entre deux pièces polai- res pour recevoir l'échantillon et deux bobines de me- sure juxtaposées dans au moins l'une des pièces polai- res, les axes des bobines étant perpendiculaires à l'intervalle de mesure, dispositif caractérisé en ce qu'au moins la bobine de mesure ( 17 ou 17 a, 17 b) re- couverte par l'échantillon ( 16) pour la mesure, pré- sente dans la pièce polaire ( 11, 12) une distance s par rapport à la surface extérieure de cette pièce po- laire ( 11, 12) qui délimite l'intervalle de mesure ( 15) et en ce que la face frontale de la bobine de me- sure ( 17 a, 17 b, 18 a, 18 b) tournée vers l'intervalle de mesure ( 15) passe d'un intervalle annulaire ( 31) vers l'intervalle de mesure ( 15), et dont la largeur radia- le de l'intervalle b = (D 2 D 1)/2 (D 2 = diamètre ex- térieur de l'intervalle annulaire, Dl = diamètre inté- rieur de l'intervalle annulaire) est inférieure à l'é- paisseur de la bobine (d) et correspond au plus à 0,5 mm. 2) Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que pour de petits diamètres de bobi- nes ou d'intervalles annulaires, la largeur radiale de l'intervalle est limitée par la relation D 2 / Dl 5 1,2. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la dis- tance S est définie par la relation 2 S / (D 3 D 2) z 1,0 il dans laquelle D 3 est le diamètre extérieur de la bobi- ne de mesure ( 17 a, 17 b, 18 a, 18 b) et le diamètre de la bobine de mesure correspond au diamètre intérieur de l'intervalle annulaire. 4-) Dispositif selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la longueur 1 de la bobine est limitée selon la relation suivante ( 1 + s) / Dl S 3,3. ) Dispositif selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'entre les deux faces frontales des bobines de mesure ( 17 a, 17 b, 18 a, 18 b) et la matière de la pièce polaire ( 11, 12), il est prévu respectivement un intervalle libre ( 32), axial. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un noyau ( 30) portant la bobine de mesure se loge dans la pièce polaire ( 12) et peut y être fixé notamment par pressage. ) Dispositif selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce qu'une zone d'extrémité ( 26, 27) de la pièce polaire ( 11, 12) portant la bobine de mesure ( 17 a, 17 b, 18 a, 18 b) est réalisée amovible et comporte un perçage traversant ( 28) recevant le noyau ( 30) et la bobine de mesure, ce perçage ( 28) ayant à son ex- trémité située du côté de l'intervalle de mesure, un rétrécissement annulaire ( 29) pour former l'intervalle annulaire ( 31) et définir la distance S entre la bobi- ne de mesure et l'intervalle de mesure ( 15). ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux bobines de mesure ( 17 a, 17 b ou 18, 18 a, 18 b) sont essentiellement identiques. 9 ') Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que cha- que bobine de mesure ( 17, 18) se compose de deux bobi- nes partielles ( 17 a, 17 b ou 18 a, 18 b) branchées en sé- rie et dont chacune est placée ( 17 a, 18 a) dans une pièce polaire ( 11) et l'autre ( 17 b, 18 b) dans la pièce polaire ( 12) en regard. ) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les bobines partielles ( 17 a, 17 b, 18 a, 18 b) sont essentiellement identiques.