Pourquoi l'acier au silicium est-il l'ingrédient secret du noyau d'un transformateur ?

Cet article vous racontera l'histoire de Acier au silicium. Vous apprendrez pourquoi ce type spécifique d'acier au silicium est le choix numéro un pour la fabrication du cœur de chaque transformateur.

Qu'est-ce qu'un noyau de transformateur ?

Commençons par les bases. Un transformateur se compose de deux parties principales : un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Il s'agit simplement de bobines de fil. Lorsque vous envoyez un courant électrique dans la première bobine, il crée un champ magnétique. Le rôle du noyau du transformateur est de guider ce champ magnétique vers la deuxième bobine. Ce processus repose sur le principe de l'induction électromagnétique.

Le noyau agit comme une route pour l'énergie magnétique, que nous appelons flux magnétique. Nous voulons que la plus grande partie possible de ce flux passe de l'enroulement primaire à l'enroulement secondaire. Si la route est cahoteuse ou comporte de nombreux trous, nous perdons de l'énergie en cours de route. C'est pourquoi le matériau utilisé pour le noyau de fer est si important. Un bon matériau pour le noyau garantit un voyage fluide et efficace. Le noyau de fer est généralement appelé noyau magnétique, car sa principale fonction est de transporter l'énergie magnétique.

Pourquoi ne pas utiliser du fer ordinaire pour le noyau ?

Vous vous demandez peut-être : "Pourquoi ne pas utiliser un simple bloc de fer ?" Après tout, l'acier est un matériau magnétique et le fer est bon marché. Le problème est qu'un noyau de fer ordinaire gaspille beaucoup d'énergie. Cette énergie perdue est appelée perte de fer ou perte de noyau. Cette perte dans le noyau de fer se transforme en chaleur, ce qui est mauvais pour le transformateur et gaspille de l'électricité.

Cette perte de fer est due à deux problèmes principaux qui se produisent à l'intérieur du matériau du noyau. Imaginez le flux magnétique qui traverse le noyau. Comme le transformateur fonctionne toujours avec un courant alternatif (CA), le champ magnétique change constamment d'un côté à l'autre. Ce changement constant entraîne des pertes d'énergie. Ces pertes signifient que le transformateur produit moins d'énergie qu'il n'en fournit. Nous avons besoin d'un matériau magnétique spécial pour lutter contre ces pertes d'énergie.

Qu'est-ce qui rend l'acier au silicium si spécial ?

C'est là que l'acier au silicium vient à la rescousse. L'acier au silicium est un matériau magnétique étonnant qui est principalement utilisé pour fabriquer les noyaux des transformateurs. Quels sont ses secrets ? Tout d'abord, sa perméabilité est très élevée. La perméabilité est la facilité avec laquelle un matériau peut être magnétisé. L'acier au silicium laisse passer le flux magnétique très facilement, comme l'eau dans un tuyau large et lisse.

Cette propriété de haute perméabilité magnétique est l'une des principales raisons pour lesquelles l'acier au silicium est utilisé. Cela signifie que le noyau peut créer un chemin magnétique puissant avec très peu d'effort. L'ingrédient clé est bien sûr le silicium. La teneur en silicium de l'acier modifie ses propriétés magnétiques. Nous utilisons un type spécifique d'acier au silicium, dont la teneur en silicium est juste suffisante pour obtenir ces excellents résultats. Cette excellente perméabilité magnétique est un énorme avantage pour un transformateur en acier au silicium.

Comment l'acier au silicium lutte-t-il contre la perte par hystérésis ?

L'un des deux grands gaspilleurs d'énergie s'appelle l'hystérésis. Imaginez que vous ayez un grand nombre de petits aimants, appelés domaines magnétiques, à l'intérieur du noyau de fer. Lorsque le champ magnétique est activé, ils s'alignent tous. Lorsque le champ s'inverse, ils doivent tous se retourner. Cela demande de l'énergie. L'hystérésis est comme une friction pour ces petits aimants. Un matériau à forte hystérésis est difficile à magnétiser et difficile à démagnétiser.

Cette inversion constante crée une perte par hystérésis. Nous avons besoin d'un matériau à faible coercivité, ce qui signifie que ses petits aimants peuvent basculer facilement d'un côté à l'autre. L'acier au silicium est conçu pour avoir une très faible hystérésis. Le processus de fabrication de l'acier au silicium permet aux domaines magnétiques de se déplacer librement. Cela réduit la friction et la quantité d'énergie perdue sous forme de chaleur. Cette propriété particulière est cruciale pour la fabrication d'un transformateur efficace. La façon particulière dont l'acier au silicium est fabriqué permet de réduire cette perte grâce à deux facteurs.

Que sont les courants de Foucault et pourquoi sont-ils un problème ?

Le deuxième grand gaspilleur d'énergie est le courant de Foucault. Lorsque le flux magnétique changeant traverse le noyau de fer, il crée de petits bassins tourbillonnants de courant électrique à l'intérieur du métal lui-même. Ce phénomène est dû à l'induction. Ces petits tourbillons sont appelés courants de Foucault. Ils ne font aucun travail utile. Au contraire, ils ne font que chauffer le noyau.

Cet échauffement est appelé perte par courants de Foucault. Cette perte est due à deux raisons, mais les courants de Foucault en sont une importante. Il s'agit d'un courant qui prend une mauvaise direction et se perd à l'intérieur du noyau, créant de la chaleur au lieu d'aider à transférer l'énergie. La perte de puissance dans le noyau de fer est un problème grave car elle gaspille de l'électricité et peut entraîner une surchauffe du transformateur. Le noyau de fer du transformateur peut devenir très chaud si nous ne contrôlons pas ces courants.

Comment l'acier au silicium réduit-il les courants de Foucault ?

Comment arrêter ces petits tourbillons de courant ? C'est là encore que l'acier au silicium se distingue. L'astuce consiste à rendre plus difficile la circulation des courants de Foucault. Pour ce faire, nous augmentons la résistance électrique du métal, également appelée résistivité.

C'est exactement ce que fait l'ajout de silicium au fer. Les atomes de silicium gênent les courants tourbillonnants et les rendent beaucoup plus difficiles à déplacer. Une résistance plus élevée entraîne une diminution du flux des courants de Foucault, ce qui signifie que moins d'énergie est gaspillée sous forme de chaleur. Il s'agit d'une solution simple mais très intelligente. L'utilisation de l'acier au silicium est un excellent moyen de réduire les problèmes liés aux courants de Foucault et de rendre le transformateur beaucoup plus efficace. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles l'acier est utilisé.

Pourquoi le noyau du transformateur est-il constitué de feuilles minces ?

Si vous regardez de près le noyau d'un transformateur, vous verrez qu'il ne s'agit pas d'un bloc de métal solide. Il est constitué de plusieurs fines couches de tôle d'acier au silicium empilées les unes sur les autres. C'est ce qu'on appelle laminage. Il s'agit de la deuxième partie du plan de lutte contre les courants de Foucault.

En découpant le noyau de fer en fines feuilles, nous coupons le chemin des courants de Foucault. Un laminage agit comme une barrière. Le courant de Foucault ne peut pas traverser la fine couche isolante entre les feuilles. Les tourbillons sont donc très, très petits. De petits tourbillons signifient une perte de courant de Foucault beaucoup plus faible. L'utilisation d'un noyau solide de cette manière augmentera considérablement les pertes. La règle est que plus les tôles épissées sont étroites, meilleur est l'effet. C'est pourquoi une seule tôle d'acier au silicium n'a souvent qu'une épaisseur de 0,35 mm. Cette structure réduit très efficacement les courants de Foucault.

Quelle est la différence entre l'acier au silicium laminé à chaud et l'acier au silicium laminé à froid ?

Tous les aciers au silicium ne sont pas identiques. Il en existe deux types principaux : l'acier au silicium laminé à chaud et l'acier laminé à froid. Les noms décrivent la manière dont l'acier est fabriqué. L'acier au silicium laminé à chaud est traité à très haute température. C'est un bon matériau, mais il en existe un encore meilleur.

Les tôles d'acier au silicium laminées à froid sont traitées à température ambiante. Ce procédé permet d'aligner les grains de l'acier dans une direction bien précise. Le flux magnétique est ainsi encore plus facile à faire circuler, ce qui lui confère une grande intensité d'induction magnétique. Cet acier électrique spécial présente des propriétés magnétiques encore meilleures et une perte d'énergie plus faible. Pour les transformateurs de puissance à haute performance, le matériau utilisé est presque toujours de l'acier au silicium laminé à froid. Ce matériau de pointe pour les noyaux de transformateurs est un élément important des systèmes électriques modernes.

Comment l'acier au silicium est-il si bon ?

La création d'un acier au silicium de haute qualité est une science minutieuse. Pour que l'acier au silicium soit parfait pour un transformateur, les fabricants commencent par utiliser de l'acier à faible teneur en carbone. Ils ajoutent ensuite la bonne quantité de silicium. Une teneur élevée en silicium augmente la résistivité, ce qui permet d'arrêter les courants de Foucault.

Après avoir laminé l'acier en feuilles minces, ils doivent le recuire. Recuire signifie chauffer l'acier et le refroidir lentement. Ce processus élimine les tensions du métal et contribue à former la structure parfaite du grain pour des performances magnétiques étonnantes. C'est grâce à ce processus minutieux que l'acier au silicium présente un faible coefficient de dilatation thermique. Il garantit également une forte réponse magnétique du matériau lorsqu'il est placé dans une bobine sous tension.

Le tout en un clin d'œil : Pourquoi l'acier au silicium est-il le meilleur choix ?

Faisons donc le point. L'acier au silicium est le meilleur choix pour le noyau d'un transformateur, car c'est un champion de la réduction des pertes d'énergie. Un transformateur en acier au silicium présente de faibles pertes dans le noyau car il résout les deux principaux problèmes : l'hystérésis et les pertes dues aux courants de Foucault. En raison de tous les facteurs favorables mentionnés ci-dessus, c'est le gagnant incontestable.

Sa haute perméabilité magnétique crée un chemin lisse pour le flux magnétique. Le silicium à l'intérieur augmente la résistance pour arrêter les courants de Foucault inutiles. La conception du laminage réduit encore plus les courants de Foucault. Il en résulte des performances étonnantes pour les transformateurs. Cela signifie que nous gaspillons moins d'électricité, ce qui permet d'économiser de l'argent et est meilleur pour notre planète. Il réduit également l'augmentation de la température, ce qui permet au transformateur de durer plus longtemps. C'est pourquoi l'acier au silicium est si important pour toutes sortes de dispositifs utilisés dans les systèmes d'énergie électrique.