Explication détaillée de la tôle d'acier au silicium pour transformateur !

On sait qu'un transformateur fonctionne toujours en courant alternatif et que les pertes de puissance ne se limitent pas à la résistance de la bobine, mais concernent également le noyau de fer sous l'effet de la magnétisation induite par le courant alternatif. Ces pertes dans le noyau de fer sont généralement appelées « pertes fer ». Elles sont dues à deux phénomènes : les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault.

Les pertes par hystérésis correspondent aux pertes fer dues au phénomène d'hystérésis lors de l'aimantation du noyau de fer. L'importance de ces pertes est proportionnelle à la surface délimitée par la boucle d'hystérésis du matériau. La boucle d'hystérésis de l'acier au silicium étant étroite, les pertes par hystérésis du noyau de fer du transformateur sont faibles, ce qui permet de réduire considérablement le dégagement de chaleur.

L'acier au silicium présentant les avantages mentionnés ci-dessus, pourquoi ne pas utiliser une pièce entière comme noyau de fer, tout en la transformant en paillettes ? En effet, le noyau en copeaux permet de réduire un autre type de pertes fer : les pertes par courants de Foucault.

Lorsqu'un transformateur fonctionne, un courant alternatif circule dans la bobine, et le flux magnétique qu'il produit est, par conséquent, alternatif. Cette variation de flux magnétique induit un courant dans le noyau de fer. Ce courant induit circule dans le plan perpendiculaire à la direction du flux magnétique ; on l'appelle donc courant de Foucault.

Les pertes par courants de Foucault contribuent également à l'échauffement du noyau. Afin de réduire ces pertes, le noyau de fer du transformateur est constitué de feuilles d'acier au silicium isolées les unes des autres, de sorte que le courant de Foucault traverse une section réduite dans une boucle étroite et allongée, augmentant ainsi la résistance sur son trajet. Parallèlement, la présence de silicium dans l'acier au silicium accroît la résistivité du matériau, ce qui contribue également à réduire les courants de Foucault.

Pour le noyau de fer d'un transformateur, on utilise généralement une tôle d'acier au silicium laminée à froid d'une épaisseur de 0,35 mm. Selon les dimensions du noyau souhaité, cette tôle est découpée en une longue bande, puis les deux parties sont assemblées par recouvrement en forme de « jour » ou de « bouche ». Théoriquement, pour réduire les courants de Foucault, plus l'épaisseur de la tôle d'acier au silicium est faible et plus l'espacement entre les tôles est réduit, meilleurs sont les résultats. Ceci permet non seulement de limiter les pertes par courants de Foucault et l'échauffement, mais aussi d'économiser la quantité de tôle d'acier au silicium utilisée.

Cependant, la fabrication de noyaux de transformateurs en tôle d'acier au silicium présente des avantages non seulement liés aux facteurs mentionnés précédemment, mais aussi à une augmentation significative du temps de travail et une réduction de la section efficace du noyau. Par conséquent, l'utilisation de tôles d'acier au silicium pour la fabrication de noyaux de transformateurs nécessite une analyse approfondie du contexte, une évaluation des avantages et des inconvénients, ainsi qu'un choix judicieux des dimensions.

Les transformateurs sont fabriqués selon le principe de l'induction électromagnétique. Ils comportent deux enroulements, un enroulement primaire et un enroulement secondaire, bobinés autour d'un noyau fermé. Lorsque l'enroulement primaire est soumis à la tension d'alimentation alternative, un courant alternatif circule dans le noyau de fer, induisant un potentiel magnétique. Sous l'action de ce potentiel, un flux magnétique alternatif est généré dans le noyau de fer.

Quant à savoir pourquoi la tension peut être augmentée ou diminuée, la loi de Lenz l'explique. Le flux magnétique généré par le courant induit s'oppose toujours à la variation du flux magnétique circulaire. Lorsque le flux magnétique initial augmente, le flux magnétique généré par le courant induit lui est opposé ; autrement dit, le flux magnétique induit par l'enroulement secondaire est opposé au flux magnétique principal produit par l'enroulement primaire, ce qui provoque l'apparition d'une tension alternative de faible amplitude dans l'enroulement secondaire. Par conséquent, le noyau de fer constitue l'élément du circuit magnétique du transformateur.

tôle d'acier au silicium

La tôle d'acier au silicium à usage électrique est communément appelée tôle d'acier au silicium. Comme son nom l'indique, il s'agit d'un acier au silicium électrique dont la teneur en silicium varie de 0,8 % à 4,8 %, obtenu par laminage à chaud et à froid. Son épaisseur est généralement inférieure à 1 mm, d'où l'appellation de tôle mince. Au sens large, la tôle d'acier au silicium appartient à la catégorie des tôles et constitue une branche à part entière en raison de ses applications spécifiques. Dotée d'excellentes propriétés électromagnétiques, la tôle d'acier au silicium à usage électrique est un matériau magnétique indispensable et important dans les secteurs de l'énergie électrique, des télécommunications et de l'instrumentation.

(1) Classification des tôles d'acier au silicium

A. Les tôles d'acier au silicium se divisent en deux catégories selon leur teneur en silicium : à faible teneur et à haute teneur. Les tôles à faible teneur contiennent moins de 2,8 % de silicium et présentent une certaine résistance mécanique. Elles sont principalement utilisées dans la fabrication de moteurs (acier au silicium pour moteurs) et de noyaux de transformateurs (acier au silicium pour transformateurs). En pratique, la distinction entre les deux est moins nette et les tôles à haute teneur en silicium sont souvent utilisées pour la fabrication de moteurs de grande taille.

B. Selon les procédés de production et de transformation, on distingue deux types de tôles laminées : à chaud et à froid. Le laminage à froid se divise lui-même en deux catégories : non orienté et orienté. Les tôles laminées à froid présentent une épaisseur uniforme, une excellente qualité de surface et des propriétés magnétiques élevées. C’est pourquoi, avec le développement industriel, les tôles laminées à chaud tendent à être progressivement remplacées par des tôles laminées à froid (on parle alors de « remplacer la chaleur par le froid »).

(2) Indice de performance de la tôle d'acier au silicium

A. Faible perte de fer. Indicateur de qualité primordial, tous les pays du monde classent les produits en fonction de la perte de fer. Plus la perte de fer est faible, plus le grade et la qualité sont élevés.

B, forte intensité d'induction magnétique. Sous un même champ magnétique, on peut obtenir une tôle d'acier au silicium présentant une induction magnétique plus élevée. Le volume et le poids du noyau de fer du moteur ou du transformateur ainsi fabriqué sont relativement faibles, ce qui permet d'économiser de la tôle d'acier au silicium, du fil de cuivre et des matériaux isolants.

C, le coefficient d'empilement est élevé. La surface de la tôle d'acier au silicium est lisse, plane et d'épaisseur uniforme, ce qui améliore le coefficient d'empilement du noyau de fer.

D. Bonne aptitude au poinçonnage. Ceci est encore plus important pour la fabrication de petits noyaux de moteurs miniatures.

E. La surface présente une bonne adhérence et une bonne soudabilité au film isolant.

F. Vieillissement magnétique G. La tôle d'acier au silicium sera livrée après recuit et décapage.

(1) Tôle d'acier au silicium laminée à chaud pour usage électrique (GB5212-85) : La tôle d'acier au silicium laminée à chaud pour usage électrique est fabriquée à partir d'un alliage magnétique doux de ferrosilicium à faibles pertes de carbone et est laminée à chaud pour obtenir une épaisseur inférieure à 1 mm. On l'appelle également tôle d'acier au silicium laminée à chaud. Les tôles d'acier au silicium laminées à chaud se classent en deux catégories selon leur teneur en silicium : les tôles à faible teneur en silicium (Si ≤ 2,8 %) et les tôles à haute teneur en silicium (Si ≤ 4,8 %).

(2) La tôle d'acier au silicium laminée à froid (GB2521-88) est fabriquée à partir d'acier au silicium contenant de 0,8 % à 4,8 % de silicium et est laminée à froid. On distingue deux types de tôles d'acier au silicium laminées à froid : les bandes d'acier sans grain et les bandes d'acier à grain orienté. La bande d'acier électrique laminée à froid se caractérise par une surface lisse, une épaisseur uniforme, un coefficient d'empilement élevé, une bonne aptitude au poinçonnage et une induction magnétique supérieure ainsi que des pertes fer inférieures à celles de la bande d'acier électrique laminée à chaud. L'utilisation de bandes laminées à froid au lieu de bandes laminées à chaud pour la fabrication de moteurs ou de transformateurs permet de réduire leur poids et leur volume de 0 % à 25 %.

L'utilisation de feuillards orientés laminés à froid offre de meilleures performances. En remplacement des feuillards laminés à chaud ou de qualité inférieure, elle permet de réduire la consommation d'énergie du transformateur de 45 à 50 % et d'améliorer sa fiabilité. Ces feuillards sont utilisés dans la fabrication de moteurs et de transformateurs. Généralement, les feuillards orientés laminés à froid servent à la fabrication de noyaux de moteurs ou de transformateurs de soudage, etc. Ils sont également utilisés comme noyaux de fer pour les transformateurs de puissance, les transformateurs d'impulsions, les amplificateurs magnétiques, etc. Caractéristiques et dimensions des tôles d'acier : épaisseur de 0,35, 0,50 ou 0,65 mm, largeur de 800 à 1 000 mm et longueur jusqu'à 2 m.

(3) Tôle d'acier au silicium laminée à chaud pour appareils électroménagers (GBH46002-90) La nuance de cette tôle est désignée par JDR (domestique), D (électrique) et R (laminage à chaud). Le chiffre après JDR correspond à la perte fer multipliée par 100, et celui après la barre horizontale à l'épaisseur de la tôle (mm) multipliée par 100. Les exigences en matière de performances électromagnétiques sont légèrement moins strictes, la perte fer minimale (P15/50) étant de 5,40 W/kg. Généralement livrée non lavée. Elle est utilisée dans la fabrication de moteurs différentiels pour divers appareils électroménagers tels que ventilateurs, lave-linge, aspirateurs, hottes aspirantes, etc.