Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
Au cours de mes années passées dans l'industrie de l'acier électrique, j'ai pu constater que le choix du bon matériau pouvait faire la différence entre un projet et son échec. La différence essentielle entre l'acier électrique à grains orientés et l'acier électrique à grains non orientés est fondamentale, mais elle est souvent source de confusion. Cet article tente de clarifier les choses et de vous donner une explication simple et pratique de ces deux matériaux spéciaux. Nous examinerons leurs caractéristiques particulières, leur mode de fabrication et les endroits où ils fonctionnent le mieux. À la fin de l'article, vous serez sûr de choisir l'acier électrique idéal pour votre travail, ce qui vous permettra d'obtenir les meilleures performances et la meilleure efficacité.
D'après mon expérience, la plus grande différence entre l'acier électrique à grains orientés (GO) et l'acier électrique à grains non orientés (NGO) réside dans la façon dont ils sont construits à l'intérieur, et cela affecte la façon dont ils agissent avec les aimants. Pensez-y comme suit : l'acier électrique à grains orientés présente une structure de grains très ordonnée, avec de minuscules cristaux alignés dans une seule direction. Cet alignement, obtenu grâce à un processus de fabrication spécial, crée un chemin facile à suivre pour l'énergie magnétique. Par conséquent, l'acier électrique à grains orientés présente d'excellentes capacités magnétiques, mais uniquement dans cette direction. C'est un peu comme si l'on avait une autoroute pour le magnétisme : le trafic y est très fluide, mais uniquement sur les voies marquées.
En revanche, l'acier électrique non orienté vers le grain, souvent appelé NGO, présente une structure de grain aléatoire. Cela signifie que ses capacités magnétiques sont les mêmes dans toutes les directions sur la tôle plate. Pour reprendre notre exemple de la route, l'acier NGO est comme un bon réseau urbain, où la circulation peut se faire dans toutes les directions, mais peut-être pas aussi rapidement que sur une autoroute. Cette qualité uniforme est un avantage clé dans les utilisations où le champ magnétique change constamment de direction. La principale différence n'est donc pas un simple détail ; elle détermine les meilleures utilisations de chaque matériau, ce qui est un point très important pour tout ingénieur ou concepteur.
Cette nette différence dans la structure du grain a une incidence directe sur leur efficacité dans les applications électriques. La forte qualité unidirectionnelle de l'acier électrique à grains orientés en fait le matériau idéal pour les transformateurs de puissance et les transformateurs de distribution, où l'énergie magnétique a un chemin régulier et connu. En revanche, les mêmes capacités magnétiques dans toutes les directions de l'acier électrique à grains non orientés en font le meilleur choix pour les machines dont les pièces tournent, comme les moteurs électriques et les générateurs, où le champ magnétique est toujours en mouvement. Il est essentiel de choisir le bon acier pour obtenir l'efficacité et les performances souhaitées dans ces tâches difficiles.
Ayant participé à la fabrication des deux types d'acier électrique, je peux vous dire que la fabrication de l'acier électrique à grains orientés est beaucoup plus compliquée et précise que celle de l'acier à grains non orientés. La fabrication de l'acier électrique à grains orientés implique une série d'étapes soigneusement gérées, notamment le laminage à chaud, le recuit, le laminage à froid et un dernier chauffage à haute température. Ce processus détaillé est conçu pour favoriser la croissance d'une structure cristalline spéciale, connue sous le nom de texture Goss, qui confère au matériau ses étonnantes capacités magnétiques dans le sens du laminage. Ce processus pour GOES vise à créer cette "autoroute" magnétique dont j'ai parlé précédemment.
Le processus de production des ONGES, tout en nécessitant un contrôle minutieux, est plus simple. Il consiste généralement à fondre l'acier, à le former en plaques, puis à le laminer à chaud et à froid jusqu'à l'épaisseur finale. Une étape de chauffage appelée recuit fait également partie du processus pour libérer les tensions accumulées et améliorer la structure des grains, mais l'objectif est de créer un motif aléatoire des grains. Cela permet d'obtenir les mêmes capacités magnétiques dans toutes les directions. La fabrication plus simple du NGOES est l'une des raisons pour lesquelles il est généralement moins cher que le type à grains orientés.
La dernière étape de chauffage est très importante pour les deux types, mais elle a des objectifs différents. Pour GOES, un recuit à haute température est nécessaire pour obtenir un processus permettant la formation d'un motif de grain adéquat. Ce processus nécessite des conditions d'air et de chaleur très précises. Pour le NGOES, le recuit final est effectué à une température plus basse afin d'obtenir une nouvelle structure avec une certaine taille de grain, qui est un facteur clé de ses capacités magnétiques. La compréhension de ces différences de production permet de comprendre pourquoi ces deux produits sidérurgiques ont des caractéristiques et des prix si différents.
J'ai toujours trouvé intéressant le rôle que joue le silicium dans l'acier électrique. En fait, tout acier électrique est un type d'acier au silicium. L'ajout de silicium au fer, généralement dans des quantités comprises entre 0,5% et 4,8%, confère au matériau ses capacités magnétiques particulières. La principale raison de l'ajout de silicium est de rendre plus difficile la circulation de l'électricité à travers l'acier. C'est important car cela réduit les courants de Foucault, qui sont des flux électriques indésirables créés dans le noyau d'un transformateur ou d'un moteur par un champ magnétique changeant. En réduisant ces courants, nous diminuons considérablement la perte d'énergie sous forme de chaleur, ce qui se traduit par une meilleure efficacité.
La quantité de silicium joue également un rôle important dans l'amélioration de la perméabilité magnétique du matériau, c'est-à-dire sa capacité à favoriser la formation d'un champ magnétique en son sein. Une perméabilité magnétique élevée permet à l'énergie magnétique d'être concentrée et de bien traverser le cœur d'un appareil électrique, ce qui est nécessaire pour qu'il fonctionne correctement. L'ajout de silicium permet également de réduire ce que l'on appelle la perte par hystérésis, un autre type de perte d'énergie qui se produit lorsque le champ magnétique change de direction à plusieurs reprises. En réalité, le silicium est l'ingrédient magique qui transforme l'acier ordinaire en un matériau très performant pour de nombreuses utilisations électriques.
Il est important de savoir que la quantité de silicium ajoutée est un savant équilibre. Une plus grande quantité de silicium améliore les capacités magnétiques et réduit les pertes de noyau, mais elle rend également l'acier plus dur et plus susceptible de se briser. Cela peut rendre la fabrication plus difficile, en particulier lors du laminage. C'est pourquoi on trouve différentes qualités d'acier au silicium avec différentes quantités de silicium, chacune étant destinée à des usages particuliers. Par exemple, les aciers non orientés vers le grain contiennent généralement entre 2% et 3,5% de silicium, tandis que les aciers orientés vers le grain en contiennent souvent davantage, entre 3% et 4,5%, afin d'obtenir les meilleures performances dans les transformateurs.
En tant que personne travaillant beaucoup avec l'acier électrique, je pense qu'il est très important de comprendre les pertes dans le noyau lors de la conception ou de la vérification d'un moteur électrique. En termes simples, la perte dans le noyau, également appelée perte dans le fer, est l'énergie perdue sous forme de chaleur à l'intérieur du noyau du moteur lorsqu'il fonctionne. Cette perte est le résultat normal de la variation du champ magnétique nécessaire au fonctionnement du moteur. La réduction de ces pertes est l'un des principaux objectifs de la conception des moteurs, car elle conduit directement à un meilleur rendement, à des températures de fonctionnement plus basses et, en fin de compte, à un moteur sur lequel vous pouvez compter et qui vous permet d'économiser de l'argent.
Il y a deux parties principales à la perte de noyau : la perte par hystérésis et la perte par courants de Foucault. La perte par hystérésis est due à l'énergie nécessaire pour magnétiser et démagnétiser le matériau du noyau à chaque cycle de changement de courant. Il s'agit en quelque sorte d'une friction magnétique. Les caractéristiques de l'acier au silicium, telles que sa structure granulaire et son matériau, jouent un rôle important dans l'ampleur des pertes. Les pertes par courants de Foucault, quant à elles, sont causées par de petits courants en boucle créés à l'intérieur du matériau du noyau par le champ magnétique changeant. Ce sont ces pertes que l'ajout de silicium à l'acier permet de réduire.
Pour lutter encore davantage contre les pertes par courants de Foucault, les noyaux des moteurs électriques ne sont pas fabriqués à partir d'une pièce d'acier solide. Ils sont plutôt constitués de fines feuilles, ou couches, d'acier électrique empilées les unes sur les autres. Chaque feuille est recouverte d'un matériau qui arrête l'électricité pour empêcher les courants de Foucault de circuler entre elles. C'est pourquoi l'acier électrique est souvent appelé acier laminé. L'épaisseur de ces tôles et la qualité du revêtement sont deux éléments clés pour réduire les pertes de noyau. Le choix de la bonne qualité d'acier électrique à grains non orientés, avec ses caractéristiques de faible perte de noyau, est donc une étape fondamentale dans la conception d'un moteur électrique à haut rendement.
Lorsqu'on me demande de citer les principales différences de propriétés magnétiques entre l'acier électrique à grains orientés et l'acier électrique à grains non orientés, je reviens toujours aux notions de directionnel et d'uniforme. L'acier électrique à grains orientés est anisotrope, ce qui signifie que ses capacités magnétiques sont fortes dans une direction. Il présente une perméabilité magnétique extrêmement élevée et une perte de noyau très faible dans le sens du grain, c'est-à-dire dans le sens du laminage lors de la fabrication. Cependant, il ne fonctionne pas aussi bien dans d'autres directions. Cela en fait un matériau spécial, parfait pour les utilisations où l'énergie magnétique suit une trajectoire régulière et rectiligne.
En revanche, l'acier électrique à grains non orientés est isotrope, ce qui signifie qu'il possède les mêmes capacités magnétiques dans toutes les directions sur la tôle plate. Bien que sa meilleure performance magnétique dans une direction n'égale pas celle de GOES dans sa meilleure direction, cette constance dans toutes les directions est sa principale force. Cette performance uniforme est nécessaire pour les utilisations où l'énergie magnétique est en rotation, comme dans les moteurs électriques et les générateurs. Le choix entre ces deux matériaux dépend donc de la façon dont le champ magnétique fonctionne dans votre utilisation spécifique.
Pour donner quelques chiffres, la perméabilité magnétique de l'acier à grains orientés dans sa meilleure direction peut être plusieurs fois supérieure à celle de l'acier non orienté. Cela nous permet de concevoir des transformateurs plus petits et plus efficaces. D'autre part, si vous utilisez des tôles magnétiques à grains orientés dans une machine avec un champ magnétique tournant, vous obtiendrez des pertes de noyau beaucoup plus importantes et des performances moindres que si vous utilisiez des tôles magnétiques à grains orientés. La densité du flux magnétique, ou l'intensité du champ magnétique que le matériau peut supporter, est une autre capacité importante pour laquelle les tôles magnétiques à grains orientés ont généralement un avantage dans leur direction spécifique.
En pratique, il est difficile de faire la différence entre l'acier électrique à grains orientés et l'acier électrique à grains non orientés simplement en regardant, car il s'agit dans les deux cas de feuilles d'acier minces. Mais il existe quelques signes et tests clés que j'ai utilisés. Le moyen le plus sûr de les distinguer est de consulter la fiche technique du fabricant. Ces fiches techniques indiquent clairement la qualité de l'acier et s'il s'agit d'un acier à grains orientés (souvent étiqueté GO ou CRGO pour cold-rolled grain-oriented) ou non orientés (NGO ou CRNGO).
Si vous ne pouvez pas obtenir les spécifications, un test plus pratique consiste à observer leur comportement avec des aimants. Un test simple que j'ai utilisé consiste à utiliser une petite boussole. Si vous placez une boussole près d'une feuille d'acier à grains orientés, vous constaterez que l'attraction magnétique est beaucoup plus forte dans le sens du laminage que dans le sens latéral. C'est le résultat direct de ses capacités magnétiques unidirectionnelles. Avec de l'acier non orienté vers le grain, l'attraction sera pratiquement la même, quelle que soit la façon dont vous tournez la tôle près de la boussole.
Une autre méthode, plus technique, consiste à mesurer les capacités magnétiques du matériau, comme sa perméabilité ou sa perte de noyau, dans différentes directions. Cela nécessite bien sûr des outils spéciaux. En regardant, le revêtement de surface peut parfois donner des indications. L'acier électrique à grains orientés présente souvent un certain type de revêtement, comme une couche de base en forstérite (silicate de magnésium), qui fait partie du processus d'obtention des capacités magnétiques. Mais cette méthode n'est pas parfaite, car les revêtements peuvent être différents. En fin de compte, pour toute utilisation importante, l'utilisation des documents du fabricant est le moyen le plus sûr de s'assurer que vous utilisez le bon matériau.
D'après mon expérience, pour la plupart des moteurs électriques, l'acier électrique à grains non orientés est le choix le plus évident. La raison en est la différence principale entre leurs capacités magnétiques. Les moteurs électriques utilisent un champ magnétique tournant pour créer une force de rotation et un mouvement. Cela signifie que la direction de l'énergie magnétique à l'intérieur du noyau du moteur change constamment. L'acier à grains non orientés, qui possède les mêmes capacités magnétiques dans toutes les directions, est parfait pour cette situation changeante. Il offre des performances stables quelle que soit la direction du champ magnétique, ce qui est nécessaire pour que le moteur fonctionne bien et sans à-coups.
L'utilisation d'acier à grains orientés dans un moteur électrique standard est généralement un mauvais choix. S'il possède de meilleures capacités magnétiques dans une direction, il ne fonctionne pas aussi bien dans d'autres directions. Dans un champ magnétique en rotation, cela entraînerait un travail inégal, plus de secousses et des pertes de noyau beaucoup plus élevées à mesure que le champ magnétique s'éloigne de la direction préférée du grain de l'acier. En fin de compte, le moteur serait moins efficace et moins fiable. Les performances constantes et globales de l'acier NGO en font la norme de l'industrie pour les moteurs.
Cependant, il peut y avoir des conceptions de moteurs très spéciales ou inhabituelles où le trajet de l'énergie magnétique se fait principalement dans une seule direction. Dans ces rares cas, il est possible qu'un concepteur envisage d'utiliser de l'acier à grains orientés. Mais pour la grande majorité des moteurs électriques standard à courant alternatif et à courant continu, qu'il s'agisse de petits appareils ménagers ou de grosses machines industrielles, l'acier électrique à grains non orientés est le bon et le meilleur matériau à utiliser. Le choix de la bonne qualité d'acier NGO, avec l'épaisseur et les caractéristiques de perte de noyau que vous souhaitez, aura un effet important sur les performances finales et l'efficacité du moteur.
D'après ce que j'ai pu observer sur le marché au fil des ans, il existe une différence de prix nette et constante entre l'acier électrique à grains orientés et l'acier électrique à grains non orientés. En règle générale, l'acier électrique à grains orientés est le plus cher des deux. Ce prix plus élevé est la conséquence directe de son processus de fabrication plus compliqué et plus gourmand en énergie. Comme je l'ai dit, l'obtention du grain exact nécessaire pour le système GOES implique un plus grand nombre d'étapes soigneusement contrôlées, ce qui augmente le coût total de fabrication.
Le coût supplémentaire de l'acier à grains orientés peut varier en fonction de la demande du marché, du coût des matières premières et de la qualité spécifique de l'acier. Toutefois, il est assez courant que les tôles magnétiques à grains orientés soient beaucoup plus chères que les tôles magnétiques à grains non orientés. Par exemple, au début de l'année 2024, le coût supplémentaire de l'acier magnétique par rapport à l'acier laminé à froid non magnétique était supérieur à 70%, avec des prix NGO historiquement élevés, affectés par le marché de l'acier GO. Cela montre que si les ONG sont généralement l'option la moins chère, les changements du marché peuvent entraîner de grandes différences de prix.
Bien que le coût initial de l'acier non orienté grain soit inférieur, il est important de penser au coût total sur la durée de votre projet. Pour un transformateur électrique, le coût initial plus élevé de l'acier à grains orientés est souvent rentable en raison de sa meilleure efficacité et de la réduction des pertes dans le noyau au cours de la durée de vie du transformateur. Les économies d'énergie peuvent être très importantes, ce qui en fait un choix plus économique au fil du temps. Pour la plupart des moteurs, les avantages en termes de performances de l'acier non orienté vers le grain, ainsi que son prix inférieur, en font la solution la plus pratique et la plus économique.
Dans mon travail, la recherche d'une réduction des pertes dans le noyau est toujours en cours, et le choix de l'acier électrique est un élément clé de ce travail. Le choix du bon type et de la bonne qualité d'acier est l'un des meilleurs moyens de réduire le gaspillage d'énergie dans les transformateurs et les moteurs. Pour les transformateurs, l'utilisation d'un acier électrique à grains orientés est extrêmement importante pour réduire les pertes de noyau. Sa structure granulaire unique facilite le passage de l'énergie magnétique, ce qui réduit considérablement les pertes par hystérésis. En outre, la quantité élevée de silicium et les feuilles minces de l'acier électrique à grains orientés contribuent à arrêter les courants de Foucault. Le résultat est un transformateur qui fonctionne avec une bien meilleure efficacité, ce qui permet d'économiser de l'énergie et de réduire les coûts d'exploitation tout au long de sa durée de vie. L'utilisation de grades avancés de CRGO peut réduire les pertes de noyau jusqu'à 74% par rapport aux grades standard plus anciens.
Pour les moteurs électriques et les autres machines comportant des pièces en rotation, la clé de la réduction des pertes de noyau consiste à choisir la bonne qualité d'acier électrique à grains non orientés. Étant donné que le champ magnétique change toujours de direction, les mêmes capacités magnétiques de l'acier des ONG sont nécessaires pour réduire les pertes par hystérésis et par courants de Foucault. Des tôles d'acier NGO plus minces avec des valeurs de perte de noyau plus faibles donneront naturellement un moteur plus efficace. Les fabricants proposent une large gamme de nuances d'acier ONG, ce qui permet aux concepteurs de trouver le bon équilibre entre les performances et le coût pour leur travail spécifique. Un choix judicieux peut entraîner une baisse importante de la température de fonctionnement du moteur et une augmentation de son rendement total.
L'effet du choix du bon acier ne se limite pas au fonctionnement immédiat de l'appareil. En réduisant les pertes de noyau, nous contribuons également à l'objectif plus large d'économie d'énergie et de réduction de l'impact des machines électriques sur l'environnement. Moins d'énergie gaspillée signifie moins d'électricité à produire. Ainsi, prendre le temps de comprendre les caractéristiques de l'acier électrique à grains orientés et non orientés et faire un choix intelligent n'est pas seulement une bonne pratique d'ingénierie ; c'est un pas vers un avenir qui peut durer.
Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
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