Guide des épaisseurs de laminage CRGO : 0,23 mm vs 0,27 mm vs 0,30 mm

Si vous ne voulez qu'un raccourci pratique : 0,23 mm pour réduire les pertes et les étiquettes, 0,27 mm pour le travail de tous les jours, 0,30 mm pour le choix axé sur les coûts et la production. La bonne réponse pour vous est généralement cachée dans les chiffres de capitalisation des pertes, la capacité de l'usine et l'importance que votre client accorde à l'efficacité, et non dans les appellations commerciales de l'acier.

Pourquoi ces trois épaisseurs sont-elles toujours présentes dans les spécifications ?

Les aciers électriques modernes à grains orientés sont produits dans un petit nombre d'épaisseurs nominales : 0,18, 0,23, 0,27, 0,30 et 0,35 mm dans la plupart des catalogues. Dans la pratique, les transformateurs de puissance et de distribution se contentent de 0,23, 0,27 et 0,30 mm comme options standard, vendues sous les appellations familières M3, M4 et M5.

Vous savez déjà pourquoi il existe des tôles plus fines. La perte par courants de Foucault s'échelonne grossièrement avec l'épaisseur au carré à une densité de flux donnée, de sorte que la réduction de l'épaisseur de 0,30 mm à 0,23 mm n'est pas une simple retouche cosmétique. En même temps, tous ceux qui ont essayé de découper, d'empiler et de serrer des Hi-B de 0,23 mm sur une ligne fatiguée savent que ce n'est pas une performance gratuite.

La vraie question n'est donc pas de savoir lequel est le meilleur. C'est "quel compromis est le moins gênant pour ce projet".

Qu'est-ce qui change réellement lorsque l'on passe de 0,30 à 0,27 puis à 0,23 mm ?

Prenons un ensemble de données représentatif de l'économie conventionnelle GOES. Un fournisseur de tôles à grains orientés indique que les pertes typiques du noyau à 1,7 T et 50 Hz sont de l'ordre de 0,9 W/kg pour M3 0,23 mm, de 1,12 W/kg pour M4 0,27 mm et de 1,3 W/kg pour M5 0,30 mm. Ces chiffres ne sont pas universels, mais ils donnent une bonne idée de ce à quoi ressemblent les bobines "normales" aujourd'hui.

Ce seul tableau permet déjà de dégager les grandes lignes du projet.

En passant de 0,30 mm à 0,27 mm, les pertes diminuent d'environ 14 % pour une même densité de flux. En passant à 0,23 mm, on obtient une réduction des pertes de l'ordre de 30 % par rapport à 0,30 mm. Cette tendance est confirmée par des travaux universitaires qui comparent des aciers orientés de 0,18, 0,23, 0,27 et 0,30 mm et constatent des différences notables dans les pertes du noyau et le courant de magnétisation, même dans cette plage étroite.

Des études par éléments finis et des essais sur des prototypes de transformateurs révèlent la même chose : les pertes dans le noyau varient de manière significative en fonction de l'épaisseur du feuilletage et de la qualité du matériau, entre les jeux de 0,23, 0,27, 0,30 et 0,35 mm. Les chiffres sont donc réels et ne sont pas le fruit de l'optimisme d'une brochure.

Bien entendu, dès que vous réduisez l'épaisseur, vous payez ailleurs. Plus de laminations pour la même section nette, plus de couches d'isolation, plus de temps de coupe, plus de risques de bavures et de variations d'épaisseur pour créer des lacunes locales et des pertes supplémentaires. Les rapports de terrain et les notes de processus des fabricants ne cessent de se plaindre du fait que de petites variations d'épaisseur ou des angles imprécis entraînent déjà des pertes et du bruit.

Il s'agit donc d'un triple échange : perte, fabricabilité et coût.

0,23 vs 0,27 vs 0,30 mm en un coup d'œil

Voici une comparaison compacte utilisant des données commerciales typiques et ce que la plupart des usines voient sur le terrain. Les valeurs des pertes sont indicatives et ne constituent pas des garanties, mais les ratios sont représentatifs.

Il s'agit du résumé physique. Le reste de l'article traite du moment où ces chiffres modifient réellement votre dessin.

Quand 0,23 mm gagne sa place dans votre nomenclature

Vous justifiez généralement 0,23 mm lorsque l'une des trois conditions suivantes est remplie.

Premièrement, lorsque la perte à vide est fortement monétisée. De nombreux appels d'offres de services publics et de programmes d'efficacité énergétique fixent essentiellement un prix pour chaque watt de perte au niveau du cœur par le biais de formules de capitalisation des pertes. Si le facteur de capitalisation des pertes est élevé, la valeur actuelle d'une réduction de vingt ou trente pour cent de la perte à vide est souvent supérieure au coût supplémentaire de l'acier et du traitement. Le calcul n'est pas élégant, mais il est généralement décisif.

Deuxièmement, lorsque vous recherchez la compacité. Des tôles plus fines vous permettent de tolérer une densité de flux un peu plus élevée pour le même objectif de perte dans de nombreuses qualités, ce qui signifie une section transversale plus petite pour la même puissance de transformateur. Cela permet de rétrécir la cuve, de réduire le volume d'huile et parfois d'enlever un ou deux centimètres à chaque dimension. Pour les transformateurs de distribution urbains, les unités montées sur socle ou les énergies renouvelables où l'encombrement est limité, c'est tangible.

Troisièmement, lorsqu'il s'agit de lutter contre les limites de bruit. Plusieurs usines proposent des produits de 0,23 et 0,27 mm affinés par domaine en utilisant des traitements mécaniques ou des rainures gravées pour réduire la magnétostriction et la perte de fer sans affecter gravement les autres propriétés. Des séries de produits à faible bruit d'une épaisseur d'environ 0,23 mm sont largement commercialisées pour les transformateurs soumis à des clauses strictes en matière de niveau sonore. Si votre budget bruit est déjà serré, la combinaison de joints en escalier, d'un bon serrage et d'un Hi-B de 0,23 mm est un moyen simple d'acheter de la marge.

Le prix à payer se situe du côté de l'usine. Le CRGO plus fin est plus sensible aux dommages dus à la manutention et au pliage, et la fenêtre de traitement pour la coupe, l'empilage et le recuit se rétrécit à mesure que l'épaisseur tombe à 0,23 mm ou moins. Les notes de l'industrie insistent sur le fait que ces feuilles ne doivent pas être pliées brusquement et qu'une variation d'épaisseur, même minime, au sein d'une bande entraîne des problèmes d'empilage et de pertes finales.

Vous échangez des objectifs de conception plus faciles à atteindre contre un contrôle de production plus exigeant.

Quand 0,27 mm semble être la valeur par défaut raisonnable

Ce n'est pas pour rien que de nombreux fabricants décrivent le 0,27 mm M4 comme le point d'équilibre entre l'efficacité et le coût. Si vous regardez le tableau des pertes précédent, 0,27 mm récupère la plupart des avantages de l'amincissement par rapport à 0,30 mm, tout en évitant les pires difficultés de production qu'entraîne 0,23 mm.

Dans un transformateur de distribution typique de 50 ou 60 Hz, le passage de 0,30 à 0,27 mm permet souvent d'économiser de l'ordre de dix à quinze pour cent de perte de noyau pour la même densité de flux. Cela se traduit par un chemin plus propre vers les classes d'efficacité de niveau moyen sans changement important de la philosophie de conception. Il est rarement nécessaire de redessiner toute la fenêtre du noyau ; il suffit de pousser le flux un peu plus haut ou d'accepter des pertes plus faibles pour la même induction.

Dans l'atelier, l'acier de 0,27 mm se comporte toujours comme l'acier habituel. Le facteur d'empilage est légèrement inférieur à celui de 0,30 mm, mais pas de façon spectaculaire, et la résistance à la flexion et la durabilité des arêtes sont plus faciles à gérer qu'avec 0,23 mm. Pour les usines qui utilisent un mélange d'empilage automatisé et manuel, cette marge mécanique est plus importante qu'il n'y paraît sur le papier.

En résumé, si votre client attend une efficacité décente mais pas extrême et que votre usine est réglée sur des bobines M4, 0,27 mm est généralement la solution la moins risquée.

Quand 0,30 mm a encore du sens

Il est tentant de penser que 0,30 mm est "vieux" et devrait être abandonné, mais il y a des situations où il est encore rationnel.

Premièrement, là où les coûts énergétiques capitalisés sont faibles. Certains réseaux industriels ou régionaux n'accordent pas encore un prix élevé à chaque watt supplémentaire de perte à vide. Si le facteur de capitalisation des pertes est modeste et que les tarifs sont bas, le temps de retour sur investissement pour passer à 0,27 ou 0,23 mm peut dépasser le confort du propriétaire de l'actif.

Deuxièmement, lorsque votre conception fonctionne avec une densité de flux conservatrice. Les chiffres relatifs aux pertes dans le noyau indiqués dans les catalogues, tels que 1,3 W/kg à 1,7 T pour 0,30 mm, supposent une induction relativement élevée. Si vous travaillez à 1,5 T ou moins, et que les pertes de charge dominent, l'importance relative de la réduction des pertes dans le noyau diminue.

Troisièmement, dans certaines unités à MVA élevé, le flux de matériau et la complexité de l'enroulement dominent l'aspect économique. Un laminage légèrement plus épais permet d'obtenir un facteur d'empilage un peu plus élevé et pardonne davantage les petites erreurs d'assemblage. Cela peut l'emporter sur l'avantage d'une perte pure dans une usine réelle avec un contrôle de qualité fini.

Le 0,30 mm n'est donc pas réservé aux dessins anciens. Il est encore utile lorsque vous échangez délibérément un peu de perte de fer supplémentaire contre de la robustesse et de la simplicité.

Un rapide contrôle de santé avec des chiffres approximatifs

Prenons un exemple très simple pour encadrer les ordres de grandeur. Supposons qu'un noyau de transformateur utilise environ 400 kg de CRGO. C'est l'ordre de grandeur d'une unité de distribution de taille moyenne, mais la méthode importe plus que la valeur exacte.

En utilisant les chiffres indicatifs précédents, 0,30 mm M5 à 1,7 T pourrait donner environ 1,3 W/kg ; 0,27 mm M4 pourrait donner environ 1,12 W/kg ; 0,23 mm M3 environ 0,9 W/kg.

À densité de flux égale, cela signifie

Le noyau de 0,30 mm brûle environ 520 W de perte à vide. Le noyau de 0,27 mm brûle environ 448 W. Le noyau de 0,23 mm brûle environ 360 W.

Ainsi, passer de 0,30 à 0,27 mm permet d'économiser environ 72 W, et passer de 0,30 à 0,23 mm permet d'économiser environ 160 W.

Un transformateur qui fonctionne toute la journée, tous les jours, consomme 8 760 heures d'énergie à vide par an. Ces différences se traduisent par des économies d'énergie d'environ 631 kWh et 1 402 kWh par an par rapport à la conception de 0,30 mm.

Si le propriétaire évalue l'énergie à, disons, 0,10 unité monétaire par kWh, l'option 0,27 mm permet d'économiser environ 63 unités par an, et l'option 0,23 mm environ 140 unités par an. Sur un horizon de 10 ans, même en ignorant l'actualisation, cela représente des centaines, voire plus d'un millier d'unités de valeur. Les différences de prix de l'acier entre les bobines de 0,23, 0,27 et 0,30 mm, telles qu'elles ressortent des offres commerciales, sont souvent bien inférieures à ce montant par transformateur.

Les projets réels impliquent davantage de termes : flux exact, cycle de fonctionnement, pertes de charge, limites de température. Néanmoins, une vérification très approximative comme celle-ci confirme généralement que 0,23 mm semble intéressant lorsque le prix de l'énergie est élevé.

Autres leviers parfois plus importants que l'épaisseur

L'épaisseur n'est pas la seule poignée que vous pouvez tirer, et parfois ce n'est pas la première que vous devriez déplacer.

Le raffinement des domaines et le traitement Hi-B peuvent réduire considérablement les pertes à la même épaisseur en brisant les domaines magnétiques à l'aide de rainures mécaniques ou de motifs gravés. Les produits JGSD de JFE, par exemple, utilisent des rainures linéaires sur des tôles de 0,23 et 0,27 mm pour réduire la perte de fer sans nuire fortement à la magnétostriction. Les usines d'Asie et d'Europe proposent des variantes similaires à "faible perte" qui peuvent vous rapprocher d'un objectif sans modifier l'épaisseur du laminage.

Les détails géométriques ne cessent également de surprendre les concepteurs. Les joints en nappe, un meilleur contrôle des angles d'onglet et des tolérances plus strictes sur la taille de la stratification et les bavures réduisent à la fois les pertes dans le noyau et le bruit acoustique. Des notes récentes des fabricants de noyaux soulignent que même de petits écarts dans la taille de la stratification ou l'épaisseur des bavures créent des espaces inégaux et augmentent le bruit et les pertes.

La variation de l'épaisseur du matériau sur une bande, les angles de coupe mal choisis et un mauvais serrage réduisent facilement à néant le gain théorique obtenu en passant de 0,30 à 0,27 mm. C'est pourquoi certaines usines investissent d'abord dans de meilleurs processus de déroulage, de coupe, de recuit de détente et d'empilage avant de passer agressivement aux qualités Hi-B de 0,23 mm.

Une bonne question à se poser avant de changer de jauge est donc de savoir si votre ligne existante offre réellement les performances prévues par les fiches techniques.

Comment réfléchir à l'épaisseur en fonction du classement et de l'application

Vous aurez vos propres règles empiriques, mais le modèle ci-dessous correspond à ce que de nombreuses équipes de conception finissent par utiliser une fois que les feuilles de calcul et les appels aux fournisseurs sont terminés.

Pour les petits transformateurs de distribution, où les limites réglementaires de perte et les étiquettes énergétiques sont strictes, et où les unités restent sous tension pendant des décennies, 0,23 mm tend à dominer. Le coût de la perte de noyau sur la durée de vie est si important que même une amélioration modeste justifie un soin supplémentaire apporté aux matériaux et aux processus.

Pour le milieu de gamme, de quelques centaines de kVA à quelques MVA dans les réseaux typiques de 11 ou 33 kV, 0,27 mm est souvent la norme pratique. Elle vous permet de répondre à la plupart des appels d'offres et de respecter les niveaux d'efficacité de type BEE ou Ecodesign, tout en maintenant le flux de travail de l'usine proche des schémas traditionnels.

Pour les grands transformateurs de puissance, les transformateurs industriels spéciaux ou les projets sur des marchés où la tarification et la réglementation de l'énergie sont moins agressives, 0,27 et 0,30 mm coexistent. On trouve du 0,27 mm lorsque les clients demandent explicitement un rendement élevé, et du 0,30 mm lorsque les équipes de conception donnent la priorité aux processus éprouvés, aux marges mécaniques et au coût unitaire plutôt qu'à de faibles gains en termes de perte à vide.

Il ne s'agit pas d'une carte rigide. C'est un moyen de réduire le temps de discussion au sein de votre propre équipe.

Chaîne d'approvisionnement et contraintes pratiques qui déterminent tranquillement le choix

La disponibilité des matériaux reste importante. Les fournisseurs mondiaux stockent différentes combinaisons de nuances et d'épaisseurs, et proposent souvent des ensembles standard tels que M3 0,23 mm, M4 0,27 mm et M5 0,30 mm avec des quantités minimales de commande et des gammes de largeurs adaptées aux fabricants de transformateurs. Si votre volume est modeste, vous constaterez peut-être que les vraies qualités supérieures de 0,23 mm ne sont économiques qu'en lots plus importants, alors que les qualités de 0,27 et 0,30 mm sont plus souples.

Certains catalogues mettent également en évidence des bandes de tolérance d'épaisseur différentes pour la gamme 0,23-0,27 mm par rapport à 0,30-0,35 mm. Il ne s'agit pas seulement d'une ligne de qualité sur le papier. Un contrôle plus strict de l'épaisseur influence directement le comportement de l'empilage et les pertes finales du noyau.

Enfin, l'outillage existant peut vous limiter subtilement. Les lignes de coupe à longueur, l'outillage à pas et les fours de recuit étaient souvent dimensionnés en fonction d'une gamme particulière de largeurs et d'épaisseurs. Le passage de 0,30 à 0,27 mm est généralement sûr. Le passage à 0,23 mm révèle parfois des faiblesses en matière d'aplatissement, de coupe et d'empilage qui n'étaient pas évidentes auparavant.

Par conséquent, si vous rédigez un cahier des charges pour plusieurs fournisseurs, il vaut la peine de leur demander franchement quelles sont les épaisseurs qu'ils peuvent réellement traiter dans le volume requis, et pas seulement ce qui figure dans la brochure.

La mise au point pour votre prochain examen de la conception

Si l'on fait abstraction du marketing, le choix entre les laminés CRGO de 0,23, 0,27 et 0,30 mm est essentiellement une question de flux de trésorerie, de stabilité du processus et de risque.

Lorsque le client paie pour chaque watt économisé et que vous faites confiance au contrôle de votre usine, 0,23 mm a beaucoup de sens. Il réduit considérablement la perte de noyau, réduit le bruit et l'encombrement, et répond aux attentes modernes en matière de haut rendement.

Lorsque l'on recherche une bonne efficacité sans compliquer la vie de l'atelier, 0,27 mm est un point central très sûr. C'est précisément pour cette raison que de nombreux services publics et équipementiers normalisent discrètement autour de ce point.

Lorsque votre priorité est une fabrication prévisible, un fonctionnement conservateur et un coût initial minimal dans un environnement réglementaire indulgent, le 0,30 mm a toujours sa place.

Choisissez l'épaisseur de laminage qui correspond non seulement à votre conception magnétique, mais aussi à vos processus, à vos fournisseurs et à l'horizon temporel de votre client. L'acier lui-même ne représente que la moitié de l'histoire ; la façon dont vous le coupez, l'empilez et le serrez détermine si l'avantage théorique quittera jamais la fiche technique.