FR3145059A1 - Ensemble pour générer un champ magnétique surfacique unidirectionnel - Google Patents
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Abstract
Ensemble (E) pour générer un champ magnétique surfacique comprenant une première et une deuxième portion ferromagnétique (6, 6’) superposées selon une direction , ledit ensemble comprenant en outre :
au moins deux aimants permanents dits aimants supérieurs (3, 4, 5) disposés de manière à entourer partiellement la première portion ferromagnétique à l’exception au moins d’une surface de la première portion ferromagnétique dite première surface (S1),au moins deux aimants permanents dits aimants inférieurs (3’, 4’, 5’) disposés de manière à entourer partiellement la deuxième portion ferromagnétique à l’exception au moins d’une surface la deuxième portion ferromagnétique dite deuxième surface (S2), au moins un aimant permanent dit aimant central (2) disposé entre la première et la deuxième portion magnétique de manière à être adjacent à la première surface et à la deuxième surface en définissant une région, dite première région, de la première surface non recouverte par l’aimant central et une région, dite deuxième région, de la deuxième surface non recouverte par l’aimant central, la première région étant en vis à vis de la deuxième région,
une aimantation ( des aimants permanents étant adaptée pour créer ledit champ magnétique surfacique dans une zone (1) comprise entre la première région et la deuxième région de sorte que ledit champ magnétique surfacique soit sensiblement selon la direction avec une orientation prédéterminée.
Description
La présente invention concerne le domaine des structures comprenant des aimants permanents et des éléments ferromagnétiques afin de créer un champ magnétique avec des caractéristiques prédéterminées et contrôlées.
Les aimants permanents sont des matériaux anisotropes ou "orientés" qui ont une direction d’aimantation sous certaines conditions. Dès lors qu’on applique un champ magnétique externe à ces matériaux, les moments magnétiques de leurs électrons (spin et orbital) s’alignent parallèlement à ce champ magnétique : ils deviennent « aimantés ». Ils produisent alors un champ magnétique statique propre. Certains aimants permanents présentent des plans privilégiés de facile aimantation favorisant des directions particulières dans ces plans. Contrairement aux matériaux paramagnétiques, quand on retire le champ magnétique externe, les moments magnétiques des aimants permanents vont avoir tendance à garder leur orientation et donc garder une aimantation (appelée aimantation rémanente) importante. Ainsi, même sans champ magnétique externe, les aimants permanents peuvent produire un champ magnétique statique propre important.
A l’inverse des matériaux ferromagnétiques durs, dans les matériaux paramagnétiques, lorsqu’on retire le champ magnétique externe, les moments magnétiques reprennent alors une orientation désordonnée : ils ne produisent plus de champ magnétique statique propre.
Les matériaux présentant une aimantation rémanente importante sont appelés matériaux ferromagnétiques « durs ». Ces matériaux peuvent présenter en outre un champ coercitif élevé. On appelle « champ coercitif » d'un matériau ferromagnétique, l'intensité du champ magnétique qu'il est nécessaire d'appliquer, à un matériau ayant initialement atteint son aimantation à saturation, pour annuler l'aimantation du matériau.
La distribution de l’aimantation rémanente dépend de l'orientation du matériau, de sa géométrie et d'autres propriétés du matériau. Les aimants permanents sont constitués à la fois de composants paramagnétiques (samarium, néodyme, etc.) et de composants ferromagnétiques (fer, cobalt, etc.). Au cours de la fabrication d’un aimant permanent, une structure cristalline présentant une aimantation intra-domaine orientée spontanément, connue sous le nom d'anisotropie magnétique, est créée.
Les matériaux ferromagnétiques doux sont macroscopiquement isotropes ou non orientés. Lorsqu'ils ne sont plus exposés à un champ magnétique externe, ils ne produisent qu’un faible champ magnétique statique propre car ils possèdent une aimantation rémanente peu importante et un champ coercitif très faible (inférieur à 1000 A/m) comparativement aux matériaux ferromagnétiques durs. Ces matériaux comprennent le fer pur, les alliages courants d'acier à faible teneur en carbone et des matériaux plus exotiques tels que le vanadium permendur qui est composé de fer, de cobalt et de vanadium. Ces matériaux permettent de concentrer et rediriger le flux magnétique provenant d'autres sources telles que les bobines électromagnétiques ou les aimants permanents. Ils sont donc souvent combinés avec ces derniers afin de former des structures permettant de générer des champs magnétiques élevés. (>1 T)
Il est connu de nombreuses structures comprenant des aimants permanents afin de générer un champ magnétique de manière contrôlée, éventuellement combinés à des matériaux ferromagnétiques doux pour concentrer le flux magnétique. La présente ainsi six structures (a) à (f) différentes permettant de générer un champ magnétique sensiblement uniforme dans un volume donné « vide » (c’est-à-dire hors aimant et hors portion ferromagnétique).
Dans la , les aimants permanents sont représentés par des formes non grisées à contour noir alors que les portions grisées à contour noir représentent des éléments en matériaux ferromagnétiques doux. Les flèches pleines noires représentent la direction d’aimantation des aimants permanents et les flèches creuses représentent la direction principale du champ magnétique créé dans le volume.
La structure (e) de la est une configuration type « Halbach » connue de l’art et notamment utilisée pour la remise à zéro magnétique de wafers jusqu'à 200 mm de diamètre avec un champ magnétique d’environ 1 T pour la fabrication des têtes de lecture de spin et mémoire RAM (Random Access Memories). Pour ce type d’application, il est nécessaire d’utiliser de grands aimants cylindriques de type Halbach pesant plusieurs tonnes. Le poids, le volume et le coût d’une telle structure sont contraignants, particulièrement pour les applications ne nécessitant pas de magnétiser un volume aussi important, par exemple la gravure ionique réactive (ouReactive -Ion Etchingen anglais).
A l’heure actuelle, il n’existe aucune solution satisfaisante permettant de générer un champ magnétique surfacique unidirectionnel sans magnétiser un volume important.
L’invention vise à pallier ce problème. A cet effet, un objet de l’invention est un ensemble comprenant une première et une deuxième portion ferromagnétique et une pluralité d’aimants permanents disposés de manière à entourer la première portion ferromagnétique et la deuxième portion ferromagnétique à l’exception au moins d’une première région de la première portion ferromagnétique et d’une deuxième région de la deuxième portion ferromagnétique, la première région étant en vis à vis de la deuxième région. L’aimantation des aimants permanents est adaptée pour créer un champ magnétique surfacique dans une zone comprise entre la première région et la deuxième région de sorte que le champ magnétique surfacique soit sensiblement selon une direction prédéterminée.
Comparativement aux ensembles d’aimants illustrés dans la , la solution de l’invention permet d’économiser du volume d’aimants en magnétisant un volume moins important. La solution de l’invention est donc plus compacte, plus légère et moins couteuse que les solutions de l’art antérieur.
A cet effet, un objet de l’invention est un ensemble pour générer un champ magnétique surfacique comprenant une première et une deuxième portion ferromagnétique superposées selon une direction , ledit ensemble comprenant en outre :
- au moins deux aimants permanents dits aimants supérieurs disposés de manière à entourer partiellement la première portion ferromagnétique à l’exception au moins d’une surface de la première portion ferromagnétique dite première surface,
- au moins deux aimants permanents dits aimants inférieurs disposés de manière à entourer partiellement la deuxième portion ferromagnétique à l’exception au moins d’une surface la deuxième portion ferromagnétique dite deuxième surface,
- au moins un aimant permanent dit aimant central disposé entre la première et la deuxième portion magnétique en définissant une région, dite première région, de la première surface non recouverte par l’aimant central, et une région, dite deuxième région, de la deuxième surface non recouverte par l’aimant central, la première région étant en vis à vis de la deuxième région,
Selon un mode de réalisation, l’aimantation des aimants permanents est telle que ledit champ magnétique surfacique soit selon un plan , avec une direction orthogonale à la direction et dans lequel :
- l’aimantation des aimants supérieurs est telle qu’une aimantation résultant de ladite disposition des aimants supérieurs, dite aimantation supérieure, soit sensiblement selon la direction
- des aimants inférieurs est telle qu’une aimantation résultant de ladite disposition des aimants inférieurs, dite aimantation inférieure, soit sensiblement selon la direction
- ledit au moins un aimant central présente une aimantation, dite aimantation centrale, sensiblement selon la direction
De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation, les aimants supérieurs comprennent :
- un aimant supérieur dit central disposé au-dessus de la première portion ferromagnétique selon la direction
- deux aimants supérieurs nommés respectivement premier et deuxième aimant supérieur latéral, disposés de part et d’autre de la première portion ferromagnétique selon une direction
- un aimant inférieur dit central disposé en dessous de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction
- deux aimants inférieurs nommés respectivement premier et deuxième aimant inférieur latéral, disposés de part et d’autre de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction
le premier et deuxième aimant inférieur latéral présentant une aimantation selon la direction avec une orientation opposée.
De manière encore préférentielle, le premier et deuxième aimant inférieur latéral présentant une aimantation selon la direction avec une orientation opposée.
Selon un mode de réalisation, une dimension de la première portion ferromagnétique selon la direction est inférieure à une dimension dudit aimant supérieur central selon la direction , et dans lequel une dimension de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction est inférieure à une dimension dudit aimant inférieur central selon la direction .
Selon un mode de réalisation, les aimants supérieurs comprennent en outre deux aimants supérieurs nommés respectivement premier et deuxième aimant supérieur latéral additionnel, disposés de part et d’autre de la première portion ferromagnétique selon la direction , le premier et deuxième aimant supérieur latéral additionnel présentant une aimantation selon la direction avec une orientation opposée,
lesdits aimants inférieurs comprenant en outre deux aimants inférieurs nommés respectivement premier et deuxième aimant inférieur latéral additionnel, disposés de part et d’autre de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction ,
le premier aimant inférieur latéral additionnel étant disposé en vis-à-vis du premier aimant supérieur latéral additionnel, et le deuxième aimant inférieur latéral additionnel étant disposé en vis-à-vis du deuxième aimant supérieur latéral additionnel,
le premier et deuxième aimant inférieur latéral additionnel présentant une aimantation selon la direction avec une orientation opposée.
Selon un mode de réalisation, l’ensemble comprend deux aimants permanents dit premier et second aimant supplémentaire, disposés de part et d’autre dudit au moins un aimant central selon la direction , le premier et deuxième aimant supérieur latéral additionnel présentant une aimantation selon la direction avec une orientation opposée à ladite orientation prédéterminée.
Selon un mode de réalisation, le premier et le deuxième aimant supérieur latéral ne sont pas accolés audit aimant supérieur central et dans lequel le premier et le deuxième aimant inférieur latéral ne sont pas accolés audit aimant inférieur central.
Selon un mode de réalisation, l’aimantation des aimants permanents est telle que la somme du flux magnétique supérieure et du flux magnétique inférieure est égale ou sensiblement égale au flux magnétique central.
Selon un mode de réalisation, la première portion ferromagnétique comprend un chanfrein ou un bord arrondi réalisé dans une région opposée à la première surface et dans lequel la deuxième portion ferromagnétique comprend un chanfrein ou un bord arrondi réalisé dans une région opposée à la deuxième surface
Selon un mode de réalisation, les aimants permanents et la première et la deuxième portion ferromagnétique sont disposés de sorte à ce que l’ensemble présente une symétrie planaire selon un plan présentant une normale selon la direction .
Selon un mode de réalisation, une aimantation et un agencement des aimants permanents sont adaptés pour qu’une intensité dudit champ magnétique surfacique dans ladite zone entre la première région et la deuxième région soit supérieure ou égale à 1 T.
Selon un mode de réalisation, les aimants permanents sont des aimants au néodyme, par exemple des aimants NdFeB ou PrNdB, l’ensemble comprenant en outre un système de refroidissement adapté pour diminuer une température des aimants permanents, une aimantation et un agencement des aimants permanents et ledit système de refroidissement étant adapté pour qu’une intensité dudit champ magnétique surfacique dans ladite zone comprise entre la première région et la deuxième région soit supérieure ou égale à 1.5 T.
Selon un mode de réalisation, tous les aimants permanents présentent sensiblement les mêmes dimensions, la même aimantation, la même densité magnétique, la même masse, même matériau, et la même qualité.
Un autre objet de l’invention est un système comprenant une pluralité d’ensembles selon l’invention empilés selon la direction .
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle et les références identiques désignent des éléments identiques.
Dans la suite du document, par « aimant(s) permanent(s) » on entend des matériaux ferromagnétiques durs qui présentent une anisotropie de manière à présenter un axe d’aimantation préféré. Dès lors qu’un champ magnétique externe leur a été appliqué, ces matériaux deviennent aimantés et produisent un champ magnétique et continuent de produire ce champ magnétique même lorsque le champ magnétique externe n’est plus appliqué.
Dans la suite du document, par « orientation d’aimantation » on entend l’orientation de la direction d’aimantation préférée d’un aimant permanent.
On appellera « une orientation d’aimantation » une direction d’aimantation selon la direction de l’axe avec une orientation positive par rapport à l’axe et on appellera « une orientation d’aimantation » une direction d’alimentation selon la direction de l’axe avec une orientation négative.
De manière plus générale, on dira qu’une aimantation ou un champ est « orienté selon la direction » pour dire que l’aimantation ou le champ présente une direction selon la direction de l’axe avec une orientation positive. Lorsqu’aucun signe n’est précisé pour une direction, aucune orientation n’est précisée : une « direction » correspond à une direction selon la direction de l’axe .
Par « sensiblement selon une direction prédéterminée », on entend ici et par la suite qu’une grandeur vectorielle présente une direction parallèle à la direction prédéterminée à .
Les figures 2A et 2B illustrent schématiquement une coupe UU’ selon un plan et une coupe VV’ selon un plan respectivement d’un ensemble E selon un mode de réalisation préféré de l’invention pour générer un champ magnétique surfacique sensiblement selon une direction prédéterminée - selon la direction dans l’exemple des figures 2A et 2B-.
La figure 2C illustre schématiquement une vue de perspective d’une partie de l’ensemble E selon le mode de réalisation des figures 2A et 2B. Les coupes UU’ et VV’ sont représentées sur la figure 2C. Le repère forme un repère orthonormé.
Dans la figure 2C, seule la portion supérieure de l’ensemble E est représentée pour faciliter la visualisation et compte tenu du fait que, selon le mode de réalisation illustré, l’ensemble présente une symétrie planaire selon le plan . Comme cela sera détaillé plus loin, la caractéristique selon laquelle l’ensemble E présente une symétrie planaire est optionnelle, mais avantageuse d’un point de vue magnétique.
Dans la , à titre d’exemple non limitatif, les différents éléments représentés sont à l’échelle (réalisable à partir d’une seule géométrie d’aimant). De plus, les lignes de champ magnétique générées par l’ensemble E sont représentées dans la . Tous les résultats présentant des lignes de champ ou des calculs d’intensité de champ magnétique sont des résultats de simulations générées par des logiciels de calcul d’éléments finis, par exemple FEMM ou Comsol.
Dans sa forme la plus générale, l’ensemble E de l’invention comprend une première et une deuxième portion ferromagnétique 6, 6’ superposées selon une direction et au moins cinq aimants permanents disposés de manière à entourer partiellement la première portion ferromagnétique 6 et la deuxième portion ferromagnétique 6’. L’aimantation des aimants permanents est adaptée pour créer un champ magnétique surfacique dans une zone 1 comprise entre une première région R1 et une deuxième région R2 des portions ferromagnétiques non recouvertes par des aimants permanents de sorte que le champ magnétique surfacique soit sensiblement selon une direction prédéterminée.
Plus précisément, l’ensemble de l’invention comprend au moins deux aimants permanents dits aimants supérieurs disposés de manière à entourer partiellement la première portion ferromagnétique 6 à l’exception au moins d’une surface de la première portion ferromagnétique dite première surface S1. On note l’aimantation résultant de la disposition des aimants supérieurs, appelée aimantation supérieure.
De plus, l’ensemble E comprend au moins deux aimants permanents dits aimants inférieurs disposés de manière à entourer partiellement la deuxième portion ferromagnétique 6’ à l’exception au moins d’une surface la deuxième portion ferromagnétique dite deuxième surface S2. On note l’aimantation résultant de la disposition des aimants inférieurs, dite aimantation inférieure.
Enfin, l’ensemble comprend au moins un aimant permanent dit aimant central 2 disposé entre la première et la deuxième portion magnétique 6, 6’. L’aimant central 2 (ou les aimants centraux 2 le cas échéant) est disposé de manière à être adjacent à la première surface et à la deuxième surface en définissant la première région R1 de la première surface S1 non recouverte par l’aimant central 2 et la deuxième région R2 de la deuxième surface S2 non recouverte par l’aimant central 2. Dans l’ensemble, la première région R1 est en vis à vis de la deuxième région R2, de manière à définir la zone 1. On note l’aimantation résultant de la disposition du ou des aimants centraux, dite aimantation centrale.
Dans le mode de réalisation des figures 2A à 2C, à titre d’exemple non limitatif, l’ensemble comprend cinq aimants supérieurs :
- un aimant supérieur dit central 3 disposé au-dessus de la première portion ferromagnétique 6 selon la direction
- deux aimants supérieurs 4 et 5, nommés respectivement premier et deuxième aimant supérieur latéral, disposés de part et d’autre de la première portion ferromagnétique selon la direction
- deux aimants supérieurs 4A et 5A nommés respectivement premier et deuxième aimant supérieur latéral additionnel, disposés de part et d’autre de la première portion ferromagnétique selon la direction
Dans le mode de réalisation des figures 2A à 2C, à titre d’exemple non limitatif, l’ensemble comprend cinq aimants inférieurs :
- un aimant inférieur dit central 3’ disposé en dessous de la deuxième portion ferromagnétique 6’ selon la direction
- deux aimants inférieurs 4’ et 5’, nommés respectivement premier et deuxième aimant inférieur latéral, disposés de part et d’autre de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction
- deux aimants inférieurs 4A’ et 5A’ nommés respectivement premier et deuxième aimant inférieur latéral additionnel, disposés de part et d’autre de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction
Dans le mode de réalisation des figures 2A à 2C, à titre d’exemple non limitatif, l’ensemble comprend un aimant central 2 présentant une aimantation .
Chacun des aimants permanents mentionnés dans la présente description peut être un aimant unique ou être formé d’une pluralité d’aimants « élémentaires ».
Les aimants permanents de l’invention présentent chacun une aimantation adaptée pour créer le champ magnétique surfacique dans la zone 1 comprise entre la première région R1 et la deuxième région R2 de sorte que le champ magnétique surfacique soit sensiblement selon la direction avec une orientation prédéterminée. Autrement dit, de par leur disposition par rapport aux portions ferromagnétiques 6, 6’ et leur aimantation, les aimants permanents concentrent le flux magnétique au travers des régions R1 et R2 afin de créer le champ surfacique unidirectionnel dans la zone 1.
Il est entendu que le résultat précité est susceptible d’être obtenu par de nombreuses dispositions et permutation des aimants permanents sans sortir du cadre de l’invention tant qu’ils vérifient les conditions précitées.
Ainsi, à titre d’exemple non limitatif, de par leur disposition et leur aimantation, les aimants permanents du mode de réalisation des figures 2A à 2C génèrent un champ magnétique surfacique selon un plan yz avec une orientation +y dans la zone 1.
Pour cela, l’aimant supérieur central 3 présente une aimantation selon la direction , le premier et le deuxième aimant supérieur latéral 4 et 5 présentent une aimantation respectivement selon la direction avec une orientation opposée. De plus, les aimants supérieurs latéraux additionnels 4A et 5A présentent chacun une aimantation selon la direction avec une orientation opposée. Les aimantations des aimants supérieurs sont telles que l’aimantation supérieure est orientée . De plus, l’aimant central 2 présente une aimantation selon la direction de sorte que l’aimantation centrale soit orientée - . Enfin, l’aimant inférieur central 3’ présente une aimantation selon la direction et le premier et le deuxième aimant inférieur latéral 4’ et 5’ présentent une aimantation respectivement selon la direction avec une orientation opposée. De plus, les aimants inférieurs latéraux additionnels A’ et 5A’ présentent chacun une aimantation selon la direction avec une orientation opposée. Les aimantations des aimants inférieurs sont telles que l’aimantation inférieure soit orientée .
De manière plus générale, pour obtenir un champ magnétique surfacique dans un plan dans la zone 1 et orienté sensiblement selon la direction , il faut que :
- l’aimantation des aimants supérieurs soit telle que l’aimantation supérieure
- l’aimantation des aimants inférieurs soit telle que l’aimantation inférieure
- l’aimantation du ou des aimants centraux soit telle que l’aimantation centrale
L’ensemble de l’invention sous ses diverses variantes et modes de réalisation permet donc la création d’un champ magnétique surfacique sensiblement unidirectionnel de manière contrôlée. Comparativement aux ensembles d’aimants illustrés dans la , la solution de l’invention nécessite un volume d’aimants moindre en magnétisant un volume moins important que l’art antérieur. La solution de l’invention est donc plus compacte, plus légère et moins couteuse que les solutions de l’art antérieur.
La dimension selon la direction des régions R1, R2 relativement à l’épaisseur en x de la zone 1 (champ surfacique utile) est un paramètre critique de l’invention. En effet, lorsque cette distance est trop grande, alors l’intensité du champ magnétique décroit dans la zone 1 car le flux magnétique sortant des régions R1 et R2 traverse une surface plus grande d’où une efficacité d’utilisation des aimants permanents réduite. A l’inverse, lorsque cette distance est trop faible, le champ magnétique est susceptible de devenir trop intense dans certains points de la zone 1 pouvant entrainer des effets indésirables de démagnétisation d’aimants permanents à proximité de ces points de haute intensité.
Aussi, selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la dimension des régions R1 et R2 selon la direction normale à un plan où est généré le champ magnétique surfacique est adaptée de sorte que qu’une intensité du champ magnétique surfacique dans la zone 1 soit supérieure ou égale à 1 T et préférentiellement inférieure à une intensité entrainant une démagnétisation même partielle des aimants permanents.
De manière préférentielle, les aimants permanents de l’ensemble E sont des aimants au néodyme, par exemple des aimants PrNdB et l’ensemble comprenant un système de refroidissement adapté pour diminuer une température des aimants permanents jusqu’à une température inférieure à 10 K, préférentiellement inférieure ou égale à 4 K. Dans ce mode de réalisation, une aimantation et un agencement des aimants permanents et le système de refroidissement sont adaptés pour qu’une intensité du champ magnétique surfacique soit supérieure ou égale à 1,5 T dans la zone 1.
De manière préférentielle et comme illustré dans la figure 2A, le premier aimant inférieur latéral 4’ présente une aimantation avec une orientation ( dans l’exemple de la figure 2A) opposée par rapport à celle du premier aimant supérieur latéral 4 ( ici). Cela permet de boucler le champ magnétique passant dans les régions R1 et R2. Pour la même raison, de manière préférentielle, le premier aimant inférieur latéral additionnel 4A’ dans la figure 2B présente une aimantation selon la direction avec une orientation opposée par rapport à celle du premier aimant supérieur latéral additionnel 4A.
Les portions ferromagnétiques 6, 6’ sont préférentiellement des matériaux ferromagnétiques doux car ces matériaux permettent de concentrer plus de flux magnétiques que les éléments ferromagnétiques durs. En effet, les matériaux ferromagnétique doux présentent une aimantation de saturation plus importante que les matériaux ferromagnétiques durs ( pour le fer pur). Les portions ferromagnétiques 6, 6’ sont par exemple composées de fer, cobalt, nickel, magnésium, silicium, en alliage de fer-nickel ou de fer-cobalt.
Alternativement, les portions ferromagnétiques 6, 6’ sont des matériaux ferromagnétiques durs, par exemple en alliage d’aluminium (Al), de nickel (Ni) et de cobalt (Co), ou en Néodyme-Fer-Bore (NdFeB) ou encore en Praséodyme-Fer-Bore (PrFeB). Ces matériaux ne sont pas préférés par rapport aux matériaux ferromagnétiques doux car ils présentent une aimantation de saturation plus faible que ces derniers. Cependant, leur aimantation de saturation dépend de leur température. Aussi, selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel les portions ferromagnétiques 6, 6’ sont des matériaux ferromagnétiques durs, l’ensemble comprend en outre un système de refroidissement adapté pour diminuer une température des portions ferromagnétiques 6, 6’ (et éventuellement des aimants permanents) par exemple à une température de 4 K. Ainsi, on augmente la valeur de l’aimantation de saturation des portions 6, 6’ de manière à ce pouvoir atteindre une intensité du champ magnétique surfacique selon la direction dans la zone 1 supérieure à 1,5 T.
A titre d’exemple non limitatif, dans l’exemple des figures 2A à 2C, les portions ferromagnétique 6, 6’ sont des structures à section parallélépipédiques rectangles et les aimants supérieurs, inférieurs et centraux sont disposés de sorte à ce que chaque face des portions ferromagnétiques 6, 6’ soit en regard d’un aimant permanent.
Alternativement, selon un autre mode de réalisation, les portions ferromagnétiques 6, 6’ sont dans une forme différente d’une structure parallélépipédique rectangle, par exemple une structure cylindrique tant que cette forme permet de concentrer le flux magnétique de sorte qu’il sorte par les régions R1 et R2 en générant le champ surfacique unidirectionnel.
Comme évoqué précédemment, dans le mode de réalisation des figures 2A à 2C, les aimants permanents et la première et la deuxième portion ferromagnétique de l’ensemble sont disposés de sorte à ce que l’ensemble présente une symétrie planaire selon le plan . Cette symétrie est optionnelle et permet de former un système comprenant une pluralité d’ensembles empilés selon la direction sans dégradation significative de performance en compensant le flux magnétique créé par l’aimant central 2 par le champ magnétique créé par l’empilement de l’aimant inférieur central 3’ et de l’aimant supérieur central 3 d’un autre ensemble (voir ).
La illustre schématiquement un mode de réalisation particulier de l’ensemble des figures 2A à 2C selon la coupe VV’ représentée dans la .
Dans ce mode de réalisation particulier, l’ensemble comprend en outre deux aimants permanents AS1, AS2 dit premier et second aimant supplémentaire. Les aimants supplémentaires AS1, AS2 sont disposés de part et d’autre de l’aimant central selon la direction (c’est-à-dire de chaque côté extérieur des bords verticaux de la zone 1) et présentent chacun une aimantation selon la même direction que le champ magnétique surfacique, avec une orientation opposée à l’orientation prédéterminée du champ magnétique surfacique généré dans la zone 1.
Les aimants supplémentaires AS1, AS2 présentent un effet principalement sur les bords verticaux de la zone 1 où ils permettent d’éviter que l’intensité du champ magnétique ne décroisse trop. Autrement dit, ces aimants AS1, AS2 visent à rendre l’intensité le champ magnétique généré plus homogène en z dans la zone 1.
Dans le mode de réalisation de la figure 2D, les aimants supplémentaires AS1, AS2 présentent chacun une aimantation orientée selon la direction –y afin de produire l’effet précité.
L’utilisation d’aimants supplémentaires AS1, AS2 est compatible avec tous les modes de réalisation de l’invention.
La illustre schématiquement un mode de réalisation particulier de l’ensemble des figures 2A à 2C selon la coupe UU’ représentée dans la . Les éléments de la sont à l’échelle. Le mode de réalisation de la est une amélioration de la structure de la à 2C permettant de rendre la démagnétisation négligeable, notamment lorsque les aimants permanents sont en FeNdB.
Afin d’éviter des problèmes de démagnétisation partielle locale, la structure de l’ensemble E a été modifiée de la manière suivante par rapport à celle de la :
- les aimants supérieurs et inférieurs ont été décalés de 7 mm dans la direction
- les coins des aimants permanents ont été arrondis
un espacement d’un millimètre environ a été introduit entre les aimants supérieurs et inférieurs. Dans ce mode de réalisation, les aimants permanents sont tous identiques (aussi appelés « aimants élémentaires »). Par « identiques », on entend ici que les aimants permanents présentent sensiblement les mêmes dimensions, la même aimantation, la même densité magnétique, la même masse, même matériau, même qualité modulo les incertitudes liées aux procédés de fabrications standards utilisées par l’homme de l’art. Cela permet une plus grande facilité de conception et de fabrication.
A titre d’exemple non limitatif, les aimants permanents de la figure 3 sont de section carrée de dimension en FeNdB (qualité N48 minimale) à 300 K et l’ensemble E comprend 16 aimants élémentaires :
- quatre aimants centraux 2
- deux aimants supérieurs centraux 3
- deux aimants supérieurs latéraux 4, 5
- deux aimants supérieurs latéraux additionnels 4A, 5A (non visibles sur la
- deux aimants inférieurs centraux 3’
- deux aimants inférieurs latéraux 4’, 5’
- deux aimants inférieurs latéraux additionnels 4A’, 5A’ (non visibles sur la
De plus, les portions ferromagnétiques 6 et 6’ sont deux tôles de fer présentant une section de dimensions dans lesquelles est concentré le flux. Les portions ferromagnétiques 6 et 6’ sont posées directement sur les aimants centraux 2 car un jeu est pénalisant compte tenu du fait que les portions ferromagnétiques 6 et 6’ et les aimants centraux 2 s’attirent toujours.
L’ensemble du mode de réalisation de la figure 3 permet de générer un champ magnétique unidirectionnel moyen de 1.02 T avec un champ H maximal de 1250 kA/m dans une zone de dimension (dans le planxy) à une distance de des aimants centraux 2.
Sur la , on observe une faible démagnétisation partielle de l’aimantation, principalement en face des portions ferromagnétiques 6 et 6’, pour une composante de champ coercitif supérieure à 1100 kA/m et opposée à la direction de l’aimantation pour les aimants inférieurs latéraux 4’, 5’ et supérieurs latéraux 4, 5. De plus, il existe une inclinaison de la direction d’aimantation à proximité des aimants supérieurs centraux 2 et inférieurs centraux 2’.
Rapprocher les aimants supérieurs latéraux des aimants supérieurs centraux (et rapprocher les aimants inférieurs latéraux des aimants inférieurs centraux) n’augmente pas significativement le champ magnétique surfacique tout en augmentant la démagnétisation.
Aussi, de manière préférentielle, dans tous les modes de réalisation de l’invention, le premier et le deuxième aimant supérieur latéral ne sont pas accolés à l’aimant supérieur central et le premier et le deuxième aimant inférieur latéral ne sont pas accolés audit aimant inférieur central. La distance qui sépare ces aimants est adaptée pour limiter la baisse du champ magnétique surfacique tout en minimisant la démagnétisation des aimants inférieurs latéraux et supérieurs latéraux. Il est entendu que cette distance dépend des paramètres des aimants (dimensions, agencement, aimantation, etc) et des paramètres des portions ferromagnétiques 6, 6’. En outre séparer les aimants permet de soutenir mécaniquement la masse de l’ensemble par une structure indépendante des aimants, notamment dans le cas où les forces ne permettent pas le collage, ce qui est particulièrement intéressant lorsqu’une pluralité d’ensembles sont empilés (voir ).
La présence des aimants supérieurs latéraux 4, 5 (respectivement des aimants inférieurs latéraux 4’, 5’) inverse la direction des forces des aimants supérieurs centraux 3 (respectivement des aimants inférieurs centraux 3’). Il y a donc aussi une possibilité de minimiser les forces sur les aimants supérieurs centraux et inférieurs centraux d’un ensemble grâce aux aimants supérieurs latéraux et aux aimants inférieurs latéraux.
Dans le mode de réalisation de la , les extrémités verticales de l’ensemble E sont préférentiellement reliées à une culasse métallique CM en « C » de faible épaisseur (inférieure à 1 mm) permettant de boucler le relicat de flux magnétique.
La figure 4 illustre schématiquement une coupe selon un plan d’un ensemble E selon un mode de réalisation de l’invention. Dans la , à titre d’exemple non limitatif, les différents éléments représentés sont à l’échelle. De plus, les lignes de champ du champ magnétique généré par l’ensemble E sont représentées.
Tout comme dans le mode de réalisation de la , dans le mode de réalisation de la , les aimants permanents sont tous identiques. Il est entendu que cette caractéristique est optionnelle.
A la différence des modes de réalisation précédemment illustrés dans les figures, dans le mode de réalisation de la figure 4, les portions ferromagnétiques 6, 6’ présentent chacune une section triangulaire isocèle selon le plan . Les angles opposées à la région R1 peuvent être supprimés pour limiter le champ démagnétisant.
La portion ferromagnétique 6 présente deux faces supérieures recouvertes par les aimants supérieurs centraux 31 et 32 et une face inférieure S1 partiellement recouverte par les aimants centraux 21 et 22 de manière à définir la région R1.
De même, la portion ferromagnétique 6’ présente deux faces inférieures recouvertes par les aimants inférieurs centraux 31 et 32’ et une face supérieure S2 partiellement recouverte par les aimants centraux 23 et 24 de manière à définir la région R2.
Les aimants centraux présentent chacun une aimantation adaptée pour que l’aimantation centrale présente une orientation .
Ainsi, le champ magnétique surfacique généré dans la zone 1 est orienté selon la direction .
Comparativement au mode de réalisation de la , le mode de réalisation de la permet de réduire le nombre d’aimant permanent.
De manière préférentielle, le mode de réalisation de la figure 4 comprend en outre deux aimants permanents supplémentaire AS1, AS2 disposés de part et d’autre des aimants centraux selon la direction et présentant chacun une aimantation selon la même direction que le champ magnétique surfacique, avec une orientation opposée à l’orientation prédéterminée du champ magnétique surfacique.
De manière préférentielle, le mode de réalisation de la figure 4 comprend en outre deux aimants supérieurs latéraux additionnels 4A et 5A disposés de part et d’autre de la première portion ferromagnétique 6 selon la direction et deux aimants inférieurs latéraux additionnels 4A’ et 5A’ disposés de part et d’autre de la deuxième portion ferromagnétique 6’ selon la direction . Les aimants supérieurs latéraux additionnels 4A et 5A (respectivement inférieurs latéraux additionnels 4A’ et 5A’) présentent chacun une aimantation selon la direction avec une orientation opposée.
La figure 5 illustre schématiquement une coupe selon un plan d’un ensemble E selon une variante du mode de réalisation de la figure 3. Dans cette variante, à titre d’exemple non limitatif, les portions ferromagnétique 6, 6’ sont des structures à section parallélépipédiques selon le plan .
Dans le mode de réalisation de la figure 5, une dimension de la première portion ferromagnétique 6 selon la direction est inférieure à une dimension selon la direction du ou des aimants supérieurs centraux disposés au-dessus de la portion ferromagnétique 6. De même, une dimension de la deuxième portion ferromagnétique 6’ selon la direction est inférieure à une dimension selon la direction du ou des aimants inférieurs centraux disposés en dessous de la portion ferromagnétique 6’. Raccourcir les portions 6 et 6’ du côté horizontal opposé aux régions R1 et R2 par rapport aux aimants 3 et 3’ permet d’augmenter l’intensité du flux magnétique dans la zone 1. Cette caractéristique est optionnelle et est compatible avec tous les modes de réalisation de l’invention.
En outre, dans le mode de réalisation, la première portion ferromagnétique comprend un chanfrein réalisé dans une région opposée à la première surface S1 et la deuxième portion ferromagnétique comprend un chanfrein réalisé dans une région opposée à la deuxième surface S2. Ces chanfreins permettent d’augmenter l’intensité du flux magnétique dans la zone 1 en concentrant plus de flux au travers des régions R1 et R2. Cette caractéristique est optionnelle et est compatible avec tous les modes de réalisation de l’invention.
Comparativement à la , le mode de réalisation de la ne comprend pas le déplacement vers la droite des aimants supérieurs et inférieurs et ne comprend pas des aimants avec des coins arrondis. Aussi, l’ensemble du mode de réalisation de la permet de générer un champ magnétique unidirectionnel moyen de 1,01 T avec H =1590 kA/m dans la zone 1 et la démagnétisation est plus prononcée comparativement au mode de réalisation de la .
Alternativement, la première portion ferromagnétique comprend un bord arrondi réalisé dans une région opposée à la première surface S1 et la deuxième portion ferromagnétique comprend un bord arrondi réalisé dans une région opposée à la deuxième surface S2. Ces bords arrondis permettent de réduire l’intensité du champ démagnétisant pour l’aimant 4 et l’aimant 4’. Cette caractéristique est optionnelle et est compatible avec tous les modes de réalisation de l’invention.
En outre, de manière optionnelle, comme illustré sur la une gorge 7 est usinée selon la directionzdans les portions ferromagnétiques 6, 6’ dans les surfaces en contact avec l’aimant central 2 pour limiter le champ démagnétisant dans les coins de l’aimant 2, coté zone 1.
La figure 6 illustre un système ST comprenant une pluralité d’ensembles E selon l’invention empilés selon la direction . Le système de l’invention permet donc de générer en plusieurs lignes de zones 1 un champ magnétique surfacique unidirectionnel.
De manière préférentielle, l’aimantation des aimants permanents de chaque ensemble E du système ST de la figure 6 est telle que la somme du flux magnétique supérieure et du flux inférieure est égale ou sensiblement égale au flux central. Par « sensiblement égale », on entend ici que la norme de la somme du flux supérieure et du flux inférieure est égale à la norme du flux centrale à La somme du flux supérieure et du flux inférieure présentant une direction identique mais une orientation opposée au flux centrale dans les ensembles E se compensent en moyenne localement. Ainsi, on peut empiler les ensemble E sans dégradation significative de performance en compensant le flux magnétique de fuite créé par l’aimant central 2 par celui créé par l’empilement de l’aimant inférieur central 3’ et de l’aimant supérieur central 3.
De manière préférentielle, afin de boucler le champ aux extrémités verticales du système ST, ce dernier comprend une culasse métallique CM en « C ».
De manière optionnelle, la concentration du flux magnétique dans les portions ferromagnétiques 6, 6’ peut aussi être facilitée au moins provisoirement par un ruban supraconducteur qui écrante le flux magnétique sortant, à la place ou en combinaison d’un ou plusieurs des aimants permanents.
Les structures des ensembles détaillés dans la présente description et les figures sont données à titre d’exemple et ont pour objectif d’illustrer l’invention. Elles ne doivent en aucun cas être considérées comme limitatrices de la portée l’invention. Diverses modifications et variations des structures décrites, des procédés de fabrication, et des applications et utilisations de celles-ci apparaitrons à l'homme du métier sans s'écarter de la portée et de l'esprit de l'invention. Notamment, l’optimisation et/ou la modification de la structure peut être basée sur plusieurs paramètres comprenant : le champ magnétique, son uniformité, les dimensions de la zone 1, le volume d’aimants, la température...
Claims (15)
- Ensemble (E) pour générer un champ magnétique surfacique comprenant une première et une deuxième portion ferromagnétique (6, 6’) superposées selon une direction
- au moins deux aimants permanents dits aimants supérieurs (3, 4, 5, 4A, 5A) disposés de manière à entourer partiellement la première portion ferromagnétique (6) à l’exception au moins d’une surface de la première portion ferromagnétique dite première surface (S1),
- au moins deux aimants permanents dits aimants inférieurs (3’, 4’, 5’, 4A’, 5A’) disposés de manière à entourer partiellement la deuxième portion ferromagnétique à l’exception au moins d’une surface la deuxième portion ferromagnétique dite deuxième surface (S2),
- au moins un aimant permanent dit aimant central (2) disposé entre la première et la deuxième portion magnétique en définissant une région, dite première région (R1), de la première surface non recouverte par l’aimant central, et une région, dite deuxième région (R2), de la deuxième surface non recouverte par l’aimant central, la première région étant en vis à vis de la deuxième région,
- Ensemble selon la revendication 1, dans lequel l’aimantation des aimants permanents est telle que ledit champ magnétique surfacique soit selon un plan
- l’aimantation
- l’aimantation (
- ledit au moins un aimant central (2) présente une aimantation
- l’aimantation
- Ensemble selon la revendication 2, dans lequel lesdits aimants supérieurs comprennent :
- un aimant supérieur dit central (3) disposé au-dessus de la première portion ferromagnétique selon la direction
- deux aimants supérieurs (4, 5), nommés respectivement premier et deuxième aimant supérieur latéral, disposés de part et d’autre de la première portion ferromagnétique selon une direction
- un aimant inférieur dit central (3’) disposé en dessous de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction
- deux aimants inférieurs (4’, 5’), nommés respectivement premier et deuxième aimant inférieur latéral, disposés de part et d’autre de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction
le premier et deuxième aimant inférieur latéral présentant une aimantation ( - un aimant supérieur dit central (3) disposé au-dessus de la première portion ferromagnétique selon la direction
- Ensemble selon la revendication précédente, le premier et deuxième aimant inférieur latéral présentant une aimantation (
- Ensemble selon la revendication 3 ou 4 dans lequel une dimension de la première portion ferromagnétique selon la direction
- Ensemble selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel lesdits aimants supérieurs comprennent en outre deux aimants supérieurs (4A, 5A) nommés respectivement premier et deuxième aimant supérieur latéral additionnel, disposés de part et d’autre de la première portion ferromagnétique selon la direction
lesdits aimants inférieurs comprenant en outre deux aimants inférieurs (4A’, 5A’) nommés respectivement premier et deuxième aimant inférieur latéral additionnel, disposés de part et d’autre de la deuxième portion ferromagnétique selon la direction
le premier aimant inférieur latéral additionnel étant disposé en vis-à-vis du premier aimant supérieur latéral additionnel, et le deuxième aimant inférieur latéral additionnel étant disposé en vis-à-vis du deuxième aimant supérieur latéral additionnel,
le premier et deuxième aimant inférieur latéral additionnel présentant une aimantation selon la direction - Ensemble selon l’une quelconque des revendication 3 à 6, comprenant en outre deux aimants permanents dit premier et second aimant supplémentaire, disposés de part et d’autre dudit au moins un aimant central selon la direction
- Ensemble selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel le premier et le deuxième aimant supérieur latéral ne sont pas accolés audit aimant supérieur central et dans lequel le premier et le deuxième aimant inférieur latéral ne sont pas accolés audit aimant inférieur central.
- Ensemble selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel ladite aimantation des aimants permanents est telle que la somme du flux magnétique supérieure et du flux magnétique inférieure est égale ou sensiblement égale au flux magnétique centrale.
- Ensemble selon l’une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel la première portion ferromagnétique comprend un chanfrein ou un bord arrondi réalisé dans une région opposée à la première surface et dans lequel la deuxième portion ferromagnétique comprend un chanfrein ou un bord arrondi réalisé dans une région opposée à la deuxième surface.
- Ensemble selon l’une quelconque des revendications 2 à 10, dans lequel les aimants permanents et la première et la deuxième portion ferromagnétique sont disposés de sorte à ce que l’ensemble présente une symétrie planaire selon un plan présentant une normale selon la direction
- Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une aimantation et un agencement des aimants permanents sont adaptés pour qu’une intensité dudit champ magnétique surfacique dans ladite zone entre la première région et la deuxième région soit supérieure ou égale à 1 T.
- Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants permanents sont des aimants au néodyme, par exemple des aimants NdFeB ou PrNdB, l’ensemble comprenant en outre un système de refroidissement adapté pour diminuer une température des aimants permanents,
une aimantation et un agencement des aimants permanents et ledit système de refroidissement étant adapté pour qu’une intensité dudit champ magnétique surfacique dans ladite zone comprise entre la première région et la deuxième région soit supérieure ou égale à 1.5 T. - Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel tous les aimants permanents présentent sensiblement les mêmes dimensions, la même aimantation, la même densité magnétique, la même masse, même matériau, et la même qualité.
- Système (ST) comprenant une pluralité d’ensembles selon l’une quelconque des revendications précédentes empilés selon la direction
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|---|---|---|---|
| FR2300318A FR3145059A1 (fr) | 2023-01-12 | 2023-01-12 | Ensemble pour générer un champ magnétique surfacique unidirectionnel |
| JP2025540076A JP2026507407A (ja) | 2023-01-12 | 2024-01-03 | 一方向表面磁界を発生させるためのアセンブリ |
| EP24700127.4A EP4649509A1 (fr) | 2023-01-12 | 2024-01-03 | Ensemble pour generer un champ magnetique surfacique unidirectionnel |
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| US20190170840A1 (en) * | 2016-08-08 | 2019-06-06 | Aspect Imaging Ltd. | Device, system and method for obtaining a magnetic measurement with permanent magnets |
-
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-
2024
- 2024-01-03 EP EP24700127.4A patent/EP4649509A1/fr active Pending
- 2024-01-03 WO PCT/EP2024/050107 patent/WO2024149658A1/fr not_active Ceased
- 2024-01-03 JP JP2025540076A patent/JP2026507407A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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