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.
Vous connaissez déjà les principes physiques. Ce glossaire définit simplement les termes qui influencent réellement les chiffres relatifs aux pertes, les plaintes concernant le bruit, les devis des fournisseurs d'acier et les arguments avancés lors des revues de conception, tant pour les noyaux de moteurs que pour les tôles de transformateur.
La plupart des problèmes liés au magnétisme doux dans les machines modernes ne proviennent pas des équations de Maxwell. Ils proviennent plutôt de la façon dont les tôles sont découpées, isolées, empilées, serrées et décrites sur les plans et dans les fiches techniques de l'acier. Les étapes de fabrication telles que le poinçonnage, l'empilage et le logement peuvent facilement modifier les pertes par hystérésis et par courants de Foucault par rapport aux valeurs « catalogue » en ajoutant une déformation plastique et une contrainte résiduelle aux bords des tôles. Dans les transformateurs et les moteurs, cela se traduit directement par des watts supplémentaires de perte dans le noyau, des points plus chauds et parfois des garanties d'efficacité non respectées.
Les termes ci-dessous s'adressent donc à ceux qui savent déjà lire une courbe B-H, mais qui souhaitent partager un langage commun avec les services achats, les ateliers de fabrication et les spécialistes en analyse par éléments finis (FEA).
Acier électrique est le matériau par défaut pour les noyaux laminés : un acier à faible teneur en carbone allié au silicium, optimisé pour offrir une faible perte et une perméabilité correcte aux fréquences industrielles et au-delà. Ses pertes sont souvent décomposées en composantes quasi statiques (dominées par l'hystérésis), parasites (de type courants de Foucault) et anormales ou excédentaires dans les modèles modernes. On voit rarement ces trois mots dans une citation, mais c'est ce qui se cache derrière « W/kg @ 1,5 T, 50 Hz ».
Acier électrique à grains orientés (GO, CRGO) est enroulé de manière à ce que l'axe de magnétisation facile s'aligne avec le sens d'enroulement. Il est conçu pour un flux qui circule principalement dans cette direction, ce qui est exactement le cas dans les branches et les culasses des transformateurs classiques. Utilisez-le lorsque vos chemins de flux sont ordonnés et principalement unidimensionnels, et non dans un stator fortement denté où les directions changent tout autour de l'entrefer.
Acier électrique non orienté (NO, CRNO/CRNGO) présente des propriétés magnétiques globalement isotropes dans le plan de la tôle. Les moteurs et les machines tournantes en dépendent fortement, car le flux circule dans plusieurs directions à travers les dents, le fer arrière et les ponts. Les nuances NO présentent généralement des pertes plus élevées que les nuances GO à 50/60 Hz dans leur direction « préférée », mais elles ne pénalisent pas lorsque le flux s'écarte de l'axe.
Quand quelqu'un dit simplement « M235-35A » ou quelque chose de similaire, vous avez affaire à une épaisseur (environ 0,35 mm) et à une classe de perte ; la fiche technique du fournisseur d'acier électrique vous indique à quel point ces chiffres sont optimistes dans les conditions du test d'Epstein par rapport à votre réalité poncée et serrée.
A laminage Il s'agit d'une fine feuille d'acier électrique, recouverte d'une couche isolante (« plaque centrale ») et empilée pour former le circuit magnétique. Le laminage limite les trajets des courants de Foucault et permet de faire un compromis entre l'épaisseur et les pertes : laminage plus fin → boucles de courants de Foucault plus petites → pertes par courants de Foucault plus faibles à une fréquence donnée, mais coût plus élevé et efficacité d'emballage moindre.
Épaisseur / calibre du laminage est généralement comprise entre 0,18 et 0,50 mm pour les applications de puissance. Les jauges fines (0,18 à 0,23 mm) sont utilisées pour les conceptions à haute fréquence et à faible perte ou les alliages amorphes ; les jauges plus épaisses (~0,35 à 0,50 mm) sont moins chères et acceptables à basses fréquences où l'hystérésis domine. L'épaisseur correcte ne dépend pas seulement de la perte ; elle impose également des contraintes en matière de poinçonnage et de manipulation.
Isolation interlaminaire / Coreplate Il s'agit d'un mince revêtement appliqué sur chaque stratification afin de les maintenir séparées électriquement. Il remplit plusieurs fonctions à la fois : limiter les courants interlaminaires, résister au poinçonnage, résister au recuit (le cas échéant), résister à l'humidité et à la corrosion, et ne pas trop réduire le facteur d'empilement. Une dégradation de l'isolation interlaminaire entraîne directement des courts-circuits locaux à travers la pile, des pertes locales plus importantes, et peut être détectée par des tests spécialisés d'injection de flux et de surtension sur les noyaux empilés.
Facteur d'empilement (également appelé facteur de laminage ou facteur d'espace) est le rapport entre la longueur effective du fer et la longueur mesurée de la pile. En d'autres termes, il s'agit de la proportion de la hauteur de la pile qui est constituée d'acier par rapport aux revêtements et aux poches d'air. Les valeurs typiques pour les noyaux en acier au silicium sont comprises entre 0,95 et 0,97 ; les noyaux en bandes amorphes peuvent se situer plus près de 0,8 en raison de la rugosité des surfaces et des revêtements.
Les concepteurs utilisent le facteur d'empilement de deux manières. Tout d'abord, ils corrigent la section transversale magnétique nette utilisée dans l'analyse par éléments finis (FEA) et les calculs manuels (B = Φ / A_eff, et A_eff inclut le facteur d'empilement). Ensuite, ils le communiquent aux fournisseurs lors des discussions sur les tolérances : si vous spécifiez un facteur d'empilement agressif mais autorisez les bavures, les ondulations et les revêtements épais, quelque chose ne correspondra pas.
Vieillissement magnétique Il s'agit de la dérive à long terme de la perte de teneur en carbone et de la perméabilité due à la relaxation des contraintes, à l'oxydation ou à un recuit inapproprié. Elle se manifeste souvent par une augmentation progressive du rapport W/kg au fil des années d'utilisation ou après des cycles thermiques répétés. Elle est rarement mentionnée explicitement dans les spécifications des machines, mais toute fiche technique sur l'acier qui mentionne une « perte garantie après vieillissement » y fait discrètement référence.
Le tableau ci-dessous résume certains des termes courants liés au laminage tels qu'ils apparaissent réellement dans les conversations. Les plages numériques typiques sont indicatives ; les fournisseurs et les normes fournissent les valeurs exactes.
| Terme | Gamme typique / options | Plus fréquent dans… | Ce dont les gens discutent réellement |
|---|---|---|---|
| Épaisseur de laminage | 0,18–0,50 mm (acier Si), plus fin pour les matériaux amorphes | Les deux | Perte vs coût vs difficulté de frappe |
| Facteur d'empilement | ~0,80 (amorphe) à ~0,97 (acier au silicium) | Les deux | La valeur supposée dans l'analyse par éléments finis correspond-elle aux résultats des essais ? |
| Type d'acier électrique | GO, NO, variantes amorphes à haute teneur en silicium | GO : transformateurs ; NO : moteurs | Prix vs perte vs disponibilité vs bruit |
| Plaque centrale / classe d'isolation | Types de revêtements spécifiques aux fournisseurs, différentes caractéristiques thermiques et diélectriques | Les deux | Si le revêtement résiste au processus et au serrage |
| Type de joint (bout à bout / en onglet / à recouvrement) | Joints à onglet simples, joints à onglet à recouvrement | Transformateurs | Perte à vide, bruit acoustique et complexité de construction |
| Facteur de remplissage des emplacements | Environ 0,4 à 0,6 dans de nombreux stators de moteurs pratiques | Moteurs | Fabricabilité vs perte de cuivre vs performance thermique |
Dans les moteurs, le noyau du stator est une couronne de laminages comportant des dents et des fentes. Le noyau du rotor est une autre structure laminée qui peut comporter des aimants permanents, des barres en cage d'écureuil ou des saillies. Le vocabulaire du laminage concerne principalement le stator, où la géométrie des dents, l'ouverture des fentes, les ponts et l'épaisseur du fer arrière sont gravés dans la feuille.
Dents sont les protubérances qui portent les enroulements sur leurs côtés. Leur largeur, leur conicité et la géométrie de leur pointe déterminent la densité de flux dans la dent et la marge de saturation en cas de surcharge. Machines à sous sont les espaces qui contiennent les conducteurs ; leur forme détermine les fuites dans les fentes, les harmoniques des fentes et les contraintes mécaniques pour l'insertion des enroulements. La géométrie des fentes contrôle également les concentrations locales de contraintes dues au poinçonnage, ce qui est important pour la modélisation des pertes près des bords.
Le fer à repasser (ou culasse statorique) est la zone annulaire située à l'extérieur des dents qui ferme le circuit magnétique. Son épaisseur est déterminée à partir des exigences de flux et du facteur d'empilement, à l'aide de relations de conception standard. Dans de nombreux manuels et rapports de conception, vous trouverez des formules algébriques dans lesquelles le facteur d'empilement des lamelles réduit explicitement la largeur du fer arrière.
Dans les transformateurs de type à noyau, membres (ou jambes) sont les colonnes verticales de laminages qui supportent les enroulements primaires et secondaires. Le jougs sont les sections horizontales qui relient les branches entre elles et fournissent le chemin de retour. Ensemble, elles forment un circuit magnétique fermé.
Le fenêtre centrale est l'ouverture délimitée par les branches et les jougs. Elle abrite les enroulements, l'isolation, les conduits de refroidissement et les structures de serrage. Sa hauteur, sa largeur et ses dégagements alimentent le facteur d'espace de fenêtre et dicter votre niveau d'ambition en matière de section transversale du cuivre et de niveaux d'isolation.
Un terme intéressant commun à toutes les machines est espace d'airDans les moteurs, l'entrefer est une caractéristique conçue entre le stator et le rotor ; dans les noyaux de transformateurs, les « entrefers » sont plus souvent des imperfections : espaces entre les joints, désalignement ou petits espaces délibérés dans des conceptions spéciales telles que les inductances à entrefer. Dans les deux cas, le vocabulaire de la stratification apparaît lorsque l'on parle de la précision avec laquelle la pile est usinée ou meulée.
Perte de base ou perte de fer est la puissance dissipée à l'intérieur du matériau magnétique lorsqu'il est soumis à un flux variable dans le temps. Elle est généralement exprimée en perte spécifique en W/kg à une induction B donnée (par exemple, 1,0-1,7 T) et une fréquence donnée (50/60 Hz ou plus). Pour les aciers électriques, les modèles modernes divisent cette valeur en composantes d'hystérésis, de courants de Foucault classiques et d'excès, même lorsque le catalogue n'indique qu'une seule valeur en W/kg.
Sur une fiche technique relative à l'acier, vous pouvez voir plusieurs points de test (par exemple à 1,5 T, 50 Hz et 1,7 T, 50 Hz). Ces points cachent des hypothèses de processus : bandes Epstein propres, absence de dommages dus au poinçonnage et empilement idéal. Une fois les tôles poinçonnées, pliées et serrées, les pertes mesurées sur les noyaux assemblés augmentent généralement en raison des contraintes mécaniques et des bords endommagés.
Perte d'hystérésis est associé à la surface de la boucle d'hystérésis B-H. À chaque cycle, de l'énergie est perdue en raison du mouvement des parois de domaine et de la magnétisation irréversible. Les modifications de conception de premier ordre, telles que la qualité des matériaux, la densité de flux et l'état de recuit, ont une forte influence sur ce phénomène. Dans les transformateurs, le fait de fonctionner plus près de la saturation ou d'utiliser un acier à coercivité plus élevée se traduit ici.
Perte par courants de Foucault provient des courants circulants induits dans chaque lamelle ; il varie fortement en fonction de l'épaisseur de la lamelle et de la fréquence de fonctionnement. Des lamelles plus fines et une meilleure isolation interlaminaire limitent ces courants. Un empilement incorrect (espaces, bavures, surfaces court-circuitées) peut annuler cet avantage.
Perte excédentaire (parfois appelée perte « anormale ») représente une perte supplémentaire dépendante de la fréquence qui dépasse le simple modèle des courants de Foucault, liée aux détails microstructuraux et à la courbure des parois de domaine. Les matériaux et modèles modernes incluent ce terme, en particulier à des fréquences plus élevées et avec des formes d'onde complexes.
Les équipes de conception ne mentionnent pas toujours explicitement les « pertes excessives », mais lorsque les résultats de l'analyse par éléments finis ne correspondent pas aux pertes mesurées à un contenu harmonique plus élevé, celles-ci en sont la cause cachée.
Densité de flux B dans le noyau est calculé à partir de votre flux net et de votre surface effective ; le facteur d'empilement ajuste cette surface. Vous connaissez déjà la courbe B-H, mais dans le langage de la stratification, on entend souvent parler du « point d'inflexion » ou de la « densité de flux d'inflexion » de la nuance d'acier. Il s'agit du point sur la courbe de magnétisation où la perméabilité incrémentielle commence à chuter rapidement. Un fonctionnement trop proche de ce point d'inflexion augmente les pertes par hystérésis et déforme les formes d'onde.
Saturation est la limite supérieure pratique où l'augmentation de la force magnétisante H ajoute peu de B mais entraîne beaucoup de pertes et d'échauffement. Dans les transformateurs EI et les petits moteurs, les concepteurs maintiennent souvent le fonctionnement nominal bien en dessous du point d'inflexion, mais les transitoires et les harmoniques poussent les régions locales vers le haut.
Magnétostriction est la contrainte induite dans le matériau lorsqu'il est magnétisé. Elle associe la conception magnétique aux vibrations et au bruit audible. Les joints à recouvrement dans les noyaux de transformateurs, par exemple, sont utilisés non seulement pour réduire les pertes à vide, mais aussi pour réduire la concentration des contraintes magnétostrictives au niveau des joints, ce qui diminue le bourdonnement.
Les tôles laminées des transformateurs peuvent être assemblées selon plusieurs types de joints :
A joint à recouvrement coupe les laminages en carrés et les assemble bout à bout. Ce procédé est simple à mettre en œuvre, mais laisse des espaces relativement importants et entraîne une concentration locale plus élevée du flux.
A joint à onglet coupe les laminages à des angles (souvent 45°) afin que le flux traverse le joint plus progressivement et reste plus proche du sens de laminage de l'acier à grains orientés. Cela améliore les pertes et réduit la saturation locale par rapport aux joints bout à bout.
A joint à recouvrement va encore plus loin. Les laminages sont superposés par petites étapes (souvent 3 à 5 couches) au niveau du joint, de sorte que le flux subit une transition progressive plutôt qu'une interface brusque. Cette disposition réduit considérablement les pertes à vide dans le noyau, améliore la distribution du flux à travers le joint et diminue les vibrations et le bruit dus à la magnétostriction.
Le glossaire caché derrière ces mots concerne ce que vous négociez avec vos principaux fournisseurs : des assemblages plus complexes impliquent davantage de passes de coupe, plus de travail d'empilage et des exigences d'alignement plus strictes, mais ils permettent de réduire les pertes et d'obtenir un fonctionnement plus silencieux.
Lorsque les laminages sont empilés, ils sont souvent regroupés en paquets: petites sous-piles traitées comme des unités dans une construction plus grande à emboîtement ou circulaire. La conception des paquets vise à ce que chaque étape corresponde à un multiple pratique du nombre de laminages afin que l'assemblage reste reproductible.
Bavures sont les bords relevés laissés par le poinçonnage ou le cisaillage. Même les petites bavures ont une double importance. Sur le plan mécanique, elles affectent la façon dont les laminages s'emboîtent les uns dans les autres et donc le facteur d'empilement. Sur le plan magnétique, elles créent des ponts conducteurs indésirables entre les laminages, ce qui augmente les courants interlaminaires et déforme les champs locaux.
Biais Dans les moteurs, il s'agit d'une légère torsion de la pile de tôles du stator ou du rotor dans le sens axial. Elle est utilisée pour réduire le couple de cogging et l'ondulation du couple, au prix d'une fabrication plus complexe, d'une modification des fuites dans les fentes et, parfois, d'une longueur de cuivre plus importante. En termes de laminage, le skewing complique également les modèles de poinçonnage et les gabarits d'empilage.
La pression d'empilage, les plaques de serrage et les boulons d'arrimage contribuent tous au facteur d'empilage effectif final et à l'état de contrainte de l'acier. Si le serrage est trop faible, vous constaterez des vibrations et des cliquetis, ainsi que des pertes irrégulières. Si le serrage est trop fort, vous induirez une contrainte supplémentaire, ce qui augmentera les pertes par hystérésis près des joints et des bords.
Facteur de remplissage des emplacements est le rapport entre la section totale du conducteur (généralement en cuivre) et la section physique de la fente du stator. Dans de nombreuses machines industrielles, les valeurs réelles se situent généralement entre 0,4 et 0,6, en fonction de la forme du conducteur, de l'épaisseur de l'isolation et de la méthode d'enroulement.
Les designers parlent également de facteur de remplissage du cuivre, qui fait parfois référence spécifiquement au rapport entre la surface métallique nue et la surface de la fente (sans tenir compte de l'isolation), parfois au conducteur total plus l'isolation. La définition exacte est confuse dans la pratique, il est donc utile, lors des revues de conception, de préciser laquelle votre FEA ou votre feuille de calcul utilise.
Le facteur de remplissage des emplacements fait le lien entre le langage électromagnétique et celui de la fabricabilité. Un facteur cible élevé peut sembler idéal dans les modèles thermiques et de perte de cuivre, mais peut s'avérer irréaliste pour l'insertion automatique ou les tolérances de courbure en épingle à cheveux. Il s'agit donc d'un chiffre que vous négociez entre la simulation, l'ingénierie des enroulements et les dimensions de la pile centrale.
Dans les transformateurs, facteur d'espace de fenêtre Il s'agit du rapport entre la surface occupée par les conducteurs et la surface totale de la fenêtre que les enroulements peuvent occuper. Il faut laisser de la place non seulement pour le cuivre, mais aussi pour l'isolation, les conduits de refroidissement, les schémas d'intercalage et les dégagements afin de respecter les niveaux d'essai diélectrique.
Le facteur d'espace de fenêtre interagit avec la conception du laminage, car la modification de la largeur des branches, de la hauteur du joug ou de la géométrie du chevauchement modifie la fenêtre disponible. Un atelier de fabrication de noyaux peut proposer une légère modification des dimensions des branches afin de faciliter l'empilement, et cette modification se répercute directement sur votre facteur de fenêtre et la disposition des enroulements.
Poinçonnage et estampillage restent les méthodes dominantes pour la découpe des laminages dans la production à grand volume. Elles provoquent une déformation plastique près des bords coupés, ce qui augmente localement la coercivité et les pertes. La profondeur de cette zone endommagée, et son importance, dépendent du tranchant, du jeu et de l'entretien des outils.
Découpe au laser et d'autres méthodes de découpe de précision réduisent les contraintes mécaniques, mais introduisent des effets thermiques et peuvent affecter l'état du revêtement. Pour les prototypes ou les productions en petites séries, les laminages découpés au laser sont courants, et la perte mesurée au niveau du noyau diffère souvent de celle obtenue avec une production estampée, car la répartition des contraintes est différente.
Étant donné que les contraintes mécaniques affectent la perméabilité et les pertes dans le noyau, les modèles avancés de pertes dans le fer pour les machines à aimants permanents internes prennent désormais explicitement en compte la déformation mécanique des tôles du stator et du rotor sous charge et sous serrage. On est loin des tests Epstein simples qui génèrent des valeurs de catalogue.
Recuit de détente Il s'agit d'un traitement thermique appliqué après la découpe/l'empilage afin de récupérer certaines des propriétés magnétiques d'origine en relâchant les contraintes. La température et la durée exactes dépendent du type de revêtement et de l'assemblage du noyau ; tous les modèles de noyaux ne peuvent pas être recuits après assemblage en raison de contraintes mécaniques et d'isolation.
Un défaut d'isolation interlaminaire Il s'agit d'un point faible ou court entre les laminages où le revêtement isolant a été endommagé ou contaminé. Ces défauts fournissent des chemins à faible résistance pour les courants circulant entre les feuilles adjacentes, augmentant ainsi les pertes locales et le risque de points chauds.
Des méthodes d'essai telles que les sondes à injection de flux et les essais de surtension permettent de détecter ces défauts dans les noyaux de transformateurs assemblés en excitant le noyau et en mesurant les signatures de réponse indiquant une rupture d'isolation. Les normes orientées vers le terrain et les ateliers de réparation utilisent souvent des essais de perte de noyau en watts par kilogramme ou en watts par livre à une induction spécifiée, ainsi qu'une mesure du facteur de puissance, pour juger si un noyau est acceptable après réparation ou rebobinage.
Pour les applications magnétiques pulsées à haute fréquence, des schémas d'isolation interlaminaire supplémentaires ont été proposés afin de maintenir les pertes à un niveau acceptable dans des formes d'onde beaucoup plus difficiles, montrant à quel point les empilements de laminages sont sensibles aux détails d'isolation.
Lorsque vous ouvrez aujourd'hui une fiche technique sur l'acier électrique, les mots clés relatifs au laminage doivent s'aligner : nuance, épaisseur, points de perte spécifiques et facteur d'empilement garanti. Vous savez que ces chiffres supposent des conditions d'essai idéales et que vos choix en matière de poinçonnage, de pression d'empilement et de recuit modifieront les paramètres.
Lorsque vous examinez un dessin de noyau, le type de joint (bout à bout, en onglet, à recouvrement) et la disposition des paquets vous indiquent où se trouveront les points chauds de flux et de magnétostriction. Dans les moteurs, la géométrie des dents et du fer arrière, la longueur empilée et le facteur de remplissage des fentes relient directement la conception de votre laminage à l'ondulation du couple, aux pertes et à la fabricabilité.
Et lorsque les résultats des tests arrivent — puissance mesurée en W/kg supérieure à celle attendue, facteur de puissance décalé, augmentation de température légèrement supérieure à celle du modèle —, le vocabulaire utilisé ici permet d'avoir une conversation précise pour déterminer si le problème réside dans la qualité de l'acier, l'épaisseur de laminage, le facteur d'empilement que vous avez supposé, la qualité de l'isolation entre les feuilles ou les facteurs de fenêtre et de fente que vous avez trop poussés.
C'est précisément l'objectif de ce glossaire : moins d'arguments vagues, des questions plus ciblées et un langage commun entre la conception électromagnétique, la fabrication et les fournisseurs lorsque les noyaux de moteurs et les tôles de transformateurs sont à l'ordre du jour.
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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