Comment l'orientation des grains affecte l'efficacité des transformateurs dans les tôles CRGO

L'orientation du grain est l'endroit où l'efficacité du transformateur atteint discrètement son plafond. S'il est bien aligné, les transformateurs modernes CRGO permet de réduire les pertes à vide à un niveau inférieur au watt par kilogramme ; si le flux s'écarte de vingt ou trente degrés, une grande partie de cette marge est restituée sous forme de chaleur.

1. L'orientation des grains est votre véritable budget d'efficacité, et pas seulement une spécification matérielle.

La plupart des fiches techniques regroupent l'orientation du grain en deux lignes amicales : B₈ autour de 1,9-2,0 T et des pertes de noyau proches de 0,7-0,9 W/kg à 1,5 T, 50 Hz pour les qualités Hi-B minces. Les textes de conception disent ensuite "maintenir le flux le long de la direction de laminage" et passent à autre chose. Utile, mais très compressé.

Dans la pratique, cette "direction" est la plus grande variable cachée dans votre budget de pertes à vide. Les aciers à grains orientés sont conçus pour que la perméabilité et les pertes soient fortement anisotropes : le flux dans le sens du laminage présente une faible coercivité et une perméabilité élevée ; le flux qui tourne à l'opposé paie une pénalité croissante. Les études modernes sur les aciers électriques montrent toujours un écart évident entre les aciers à grains orientés et les aciers non orientés, mais avec une détérioration progressive des performances à mesure que l'angle d'aimantation s'éloigne du sens de laminage.

Les fabricants de transformateurs le savent, même s'ils le précisent rarement. Lorsqu'ils évaluent la perte du noyau à partir des courbes d'acier, ils appliquent déjà un facteur de "conception" ou de "pondération" pour couvrir les joints, les zones d'angle et les flux hors axe. Ce facteur est en fait votre pénalité pour le respect (ou non) de l'orientation du grain à l'intérieur du noyau assemblé.

2. Que se passe-t-il réellement lorsque l'angle d'aimantation dérive ?

Sur le papier, CRGO est un polycristal avec une texture Goss très nette, {110}〈001〉 principalement liée au sens de laminage. En réalité, chaque grain est un peu différent. Des angles de déviation de quelques degrés sont courants et varient d'un grain à l'autre. Sous un champ magnétisant uniforme dans le sens du laminage, les domaines des grains "les mieux alignés" se déplacent librement ; les domaines des grains mal alignés ont besoin de plus de champ, se retournent de manière moins coopérative et gaspillent plus d'énergie à chaque cycle.

Dès que l'on magnétise à un angle opposé au sens de laminage, on charge davantage ces grains plus durs. Les mesures magnétiques effectuées sur des aciers ultra-minces à grains orientés montrent que la densité du flux de saturation et la perméabilité diminuent régulièrement avec l'angle de magnétisation, avec une forte détérioration au-delà d'environ 20-30 degrés. Les études angulaires classiques sur les aciers à grains orientés conventionnels montrent la même chose : les courbes de perte et de perméabilité sont à peu près symétriques autour du sens de laminage et la perte spécifique de noyau à 1,5 T peut presque doubler entre 0° et environ 60-90°.

C'est pourquoi l'expression "environ 30 degrés" revient sans cesse dans les travaux modernes sur l'anisotropie. Dans cette fourchette, le GO surpasse encore l'acier non orienté en termes de densité de flux et de perte. Au-delà, l'avantage se réduit rapidement et peut effectivement disparaître à des flux ou des fréquences plus élevés.

Pour simplifier la conception, vous pouvez traiter l'angle comme un multiplicateur sur votre fiche technique de l'acier plutôt que comme une note de bas de page.

Impact approximatif de l'angle d'aimantation sur un acier GO typique (1,5 T, 50 Hz)

Le tableau ci-dessous comprime les tendances de plusieurs études sur la dépendance angulaire en une simple vue relative. Il ne remplace pas vos propres mesures d'Epstein ; il s'agit d'une carte approximative de ce que les courbes d'anisotropie publiées impliquent déjà.

Là encore, ces chiffres sont indicatifs. Les nuances, l'épaisseur, l'état de contrainte et le niveau d'induction les font varier, mais la forme de la tendance est persistante.

3. Où les noyaux perdent réellement leur orientation

Sur le dessin, votre noyau triphasé semble parfaitement aligné. Dans la pile, il ne l'est pas.

Les branches droites coupées avec une direction de laminage parallèle au flux sont aussi bonnes que le matériau le sera jamais. Dès que l'on atteint les joints et les coins, le flux doit s'incurver. Même avec des joints en onglet ou en escalier, il existe de petites zones où la direction locale du flux traverse les laminés à 30-60 degrés. C'est là que se cache la pénalité du tableau précédent.

Des travaux récents sur l'anisotropie des noyaux à grains orientés avec des couches décalées d'un angle constant montrent des changements mesurables dans la perte totale du noyau simplement en changeant la façon dont les tôles d'une pile sont désalignées angulairement les unes par rapport aux autres. Des études similaires sur des feuilles de GO Fe-Si confirment que la perte totale est un mélange de perte isotrope par courant de Foucault et d'hystérésis fortement directionnelle, ainsi que de pertes excédentaires, qui varient toutes en fonction de l'angle d'aimantation.

Les logiciels de conception modélisent souvent le GO à l'aide d'un simple tenseur de perméabilité construit à partir de courbes de roulement et de courbes transversales, interpolées de manière elliptique. Cette méthode considère la direction transversale comme la plus défavorable et suppose que tout ce qui se trouve entre les deux se comporte sans problème. Des mesures plus détaillées à des angles multiples montrent que ce raccourci peut donner lieu à des erreurs notables, en particulier à des niveaux de flux plus élevés où l'anisotropie devient plus non linéaire. C'est ce qui ressort de l'écart entre les pertes à vide prévues et mesurées sur les nouvelles conceptions.

Ainsi, toute région du noyau où les lignes de flux ont des trajectoires 2D compliquées - chevauchements de pas, régions de jonction en T, zones d'angle des noyaux enroulés - devrait mentalement être considérée comme un "multiplicateur de pertes hors axe", et non comme un simple détail géométrique.

4. L'orientation est également la contrainte, le revêtement et la transformation

L'orientation n'est pas seulement un angle sur votre modèle CAO ; l'état de contrainte de l'acier et le modèle de domaine la modifient.

Les producteurs de nuances Hi-B comme ORIENTCORE montrent que la contrainte de traction dans le sens du laminage, induite principalement par le revêtement de surface, peut réduire l'hystérésis et les pertes par effet de Foucault tout en diminuant la magnétostriction, ce qui améliore à la fois l'efficacité et le bruit. Il existe une zone optimale : trop peu de contraintes et les domaines ne sont pas stabilisés ; trop de contraintes et les pertes augmentent à nouveau.

Le traçage au laser et d'autres techniques de raffinement des domaines permettent de subdiviser les domaines dans le sens du laminage sans endommager le revêtement. Les mesures effectuées sur 3% Si-Fe montrent des réductions significatives de la perte de noyau après un tel traitement, à condition que l'aimantation soit proche de la direction de laminage. Une fois que le flux commence à tourner, ces domaines étroits soigneusement formés ne sont plus utilisés aussi efficacement.

Le découpage fait l'inverse. Le poinçonnage mécanique introduit des zones de bord plastiquement déformées avec des contraintes résiduelles et une mauvaise orientation locale. Cela a pour effet d'épaissir l'enveloppe hors axe de chaque laminage, en particulier dans les qualités minces à très faibles pertes. Le bobinage ou l'assemblage de noyaux avec un mauvais contrôle de la pression d'entrefer ou un serrage inégal ajoute d'autres états de contrainte qui ne s'alignent pas parfaitement avec la direction prévue du flux. Rien de tout cela n'apparaît sur l'étiquette de l'aciérie, mais tout cela modifie l'anisotropie effective que l'on observe dans le transformateur fini.

La magnétostriction est également liée à l'orientation. Les données relatives aux aciers à grains orientés montrent que l'amplitude de la magnétostriction dépend à la fois de la qualité du matériau et de l'angle entre l'aimantation et le sens du laminage. Les joints mal alignés ne gaspillent pas seulement de l'énergie, ils deviennent aussi des sources de bruit locales.

5. Traiter l'angle d'aimantation comme une variable de conception

La plupart des flux de conception des noyaux traitent encore l'orientation du grain comme un choix binaire : utiliser CRGO, aligner les laminations, c'est fait. Compte tenu des attentes actuelles en matière d'efficacité et des prix de l'énergie, il s'agit d'une approche très grossière.

Il est plus utile de considérer l'angle comme une ressource limitée que l'on alloue.

Les régions à flux élevé - membres centraux, culasses principales, zones côté cuve où l'induction est proche de 1,7-1,8 T - méritent des angles d'aimantation aussi proches de 0° que le permet la disposition. Les zones de jonction peuvent tolérer une plus grande déviation si la densité du flux local est réduite par la géométrie, mais dès que vous laissez ces zones vivre autour de 30° à un flux élevé, vous êtes assis dans la rangée de la table où votre multiplicateur de perte approche 1,5 ou plus.

Les études de matériaux qui comparent les aciers à grains orientés et les aciers non orientés entre 0 et 90° confirment ce que les concepteurs soupçonnaient déjà : L'acier à grains orientés conserve un avantage certain jusqu'à environ 20-30°, puis sa supériorité s'estompe rapidement. Par conséquent, si vous concevez un produit pour lequel les flux atteindront régulièrement 45-60° dans de vastes régions, il convient de se demander si une nuance GO de qualité supérieure constitue le bon choix en termes de coûts ou si la géométrie ne devrait pas plutôt être modifiée.

Les tolérances de fabrication s'inscrivent dans le même modèle mental. Un processus de refendage qui laisse une incertitude de quelques degrés dans la direction effective du laminage sur des bandes individuelles peut être acceptable dans les empiècements à faible flux, mais devient coûteux si ces bandes migrent dans les membres. Les bons fabricants de noyaux séparent déjà les bobines et les ensembles de laminage en fonction de la perte et de la direction mesurées ; les ingénieurs concepteurs devraient tenir compte de ce comportement, et non d'un matériau idéal, lorsqu'ils dimensionnent leurs marges de perte.

6. Quel est le degré d'efficacité réellement en jeu ?

Les chiffres rendent cette question moins abstraite. Prenons un transformateur de distribution de 1 MVA avec un noyau Hi-B moderne. En utilisant des qualités de GO contemporaines d'environ 0,23-0,27 mm, vous pouvez viser des pertes à vide proches de 800-1000 W à l'induction nominale, selon les tableaux de qualités typiques.

Supposons maintenant que les choix de conception et de fabrication de votre noyau poussent effectivement l'angle d'aimantation moyen dans une fraction du noyau de "presque parfait" vers la bande des 20-30°. Le tableau précédent suggère une augmentation plausible de 30 à 50% de la perte spécifique dans ces régions à la même densité de flux. Supposons que l'effet net soit une augmentation prudente de 20% de la perte totale à vide : 160-200 W supplémentaires.

Sur une durée de vie de 25 ans, avec le transformateur sous tension la plupart du temps, ces 200 W supplémentaires brûlent tranquillement environ 44 MWh. Même à des prix de l'énergie modestes, cela représente plusieurs milliers de dollars de frais d'exploitation qui n'ont servi à rien, si ce n'est à alimenter l'anisotropie dans le mauvais sens. Si l'on transpose ce chiffre à un parc de milliers d'unités, les colonnes de la feuille de calcul de la capitalisation des pertes commencent à prendre une autre allure.

Le point essentiel est que ce coût n'est pas un coût de "qualité du matériau", mais un coût d'orientation. Vous avez déjà payé pour le bon acier.

7. Mesurer et contrôler les effets de l'orientation

Les laboratoires sont en train de rattraper les besoins des concepteurs. Les tests conventionnels du cadre d'Epstein à 0° et 90° constituent toujours l'épine dorsale de la certification de la qualité, mais il y a maintenant beaucoup plus de travail sur la caractérisation multi-angles et la modélisation de l'anisotropie. Au lieu d'alimenter le solveur avec deux courbes et d'interpoler, vous pouvez construire des modèles basés sur des mesures à trois angles de coupe ou plus et prédire les propriétés pour des angles arbitraires avec une meilleure fidélité.

Des méthodes non destructives telles que le bruit magnétique de Barkhausen sont également utilisées pour classer les aciers à grains orientés et déduire la qualité de la texture et les contraintes sans avoir recours à des essais magnétiques complets ; il est intéressant de noter que leur dépendance angulaire correspond à l'idée que les propriétés restent relativement plates jusqu'à une certaine fenêtre angulaire avant de se dégrader. Cela vous donne des outils pour vérifier si la bobine qui vient d'arriver à votre usine a la texture nette et l'état de faible contrainte que vous avez conçus.

Pour les transformateurs en fonctionnement, il n'est évidemment pas possible de remettre le noyau dans un cadre d'Epstein. Mais vous pouvez toujours surveiller le contenu harmonique du courant de magnétisation, les modèles de température sur les joints et les signatures de bruit dans les coins comme preuve indirecte de l'endroit où l'orientation est gaspillée.

8. L'orientation de la recherche sur l'orientation des grains - et pourquoi cela se répercute sur les transformateurs

Une grande partie des travaux récents sur les aciers à grains orientés sont en fait motivés par des moteurs, et non par des transformateurs. Les ingénieurs expérimentent des stators segmentés où chaque segment maintient son flux dans cette fenêtre favorable de ±20-30° et gagne quelques pour cent de couple ou d'efficacité par rapport aux noyaux non orientés.(PMC) Il s'agit simplement d'une autre expression de la même anisotropie que celle que l'on rencontre dans les joints des transformateurs.

Les GO ultraminces, les alliages à forte teneur en silicium et les revêtements avancés continuent à faire baisser les pertes de noyau dans des conditions d'alignement idéales. Mais à mesure que les pertes intrinsèques dues aux matériaux diminuent, la part des pertes dues aux erreurs d'orientation, aux dommages causés par la coupe et au stress de l'assemblage augmente. L'importance relative de la discipline en matière de conception et de fabrication augmente même si les watts absolus diminuent.

La conclusion pratique est donc simple, même si l'exécution est compliquée. L'orientation du grain n'est pas un slogan, c'est un bien rare. Vous la sélectionnez lorsque vous choisissez le CRGO, puis vous la protégez par une bonne géométrie, une coupe serrée, un contrôle minutieux des contraintes et une modélisation réaliste, ou vous en échangez des morceaux dans les coins et les joints. Le transformateur ne se soucie pas de savoir si les watts supplémentaires proviennent d'une qualité inférieure ou d'un angle négligé ; il ne connaît que le chemin de magnétisation qu'il voit réellement.