Pourquoi le noyau du transformateur est-il laminé pour réduire les pertes ?

Le cœur de la Le transformateur est laminé pour réduire un type spécifique de gaspillage d'énergie. Cet article vous expliquera exactement pourquoi il en est ainsi. Vous apprendrez comment cette idée simple permet d'améliorer l'efficacité de tous les éléments, du chargeur de votre téléphone au réseau électrique. Cet article ne s'adresse pas uniquement aux ingénieurs, mais à toute personne curieuse de savoir comment les choses fonctionnent.

Pourquoi le noyau du transformateur est-il si important ?

On met de l'électricité d'un côté et on obtient une tension différente de l'autre, sans aucune pièce mobile. Le secret réside dans le principe de l'induction électromagnétique. Un transformateur comporte deux ensembles de fils, un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Ils sont enroulés autour d'un noyau central en fer. Lorsqu'un courant alternatif circule dans la bobine primaire, il crée un champ magnétique variable. Ce champ magnétique est guidé à travers le noyau du transformateur.

Le rôle du noyau est de servir d'autoroute pour cette énergie magnétique, que nous appelons flux magnétique. Le flux se déplace de la bobine primaire à la bobine secondaire. Lorsque ce flux magnétique en mouvement traverse l'enroulement secondaire, il crée, ou induit, un courant dans cette bobine. Le noyau de fer est le pont qui permet à tout cela de se dérouler efficacement. Nous avons besoin d'un bon matériau magnétique pour ce pont. Et le meilleur matériau pour les noyaux de transformateurs est une sorte d'acier spécial. Le noyau de fer est généralement appelé noyau de transformateur. Un bon noyau de transformateur garantit que la majeure partie du flux magnétique de l'enroulement primaire atteint l'enroulement secondaire.

Qu'est-ce qu'un courant de Foucault ?

Voici le problème. Le noyau du transformateur est en métal. L'acier étant lui-même un matériau magnétique et un conducteur, le flux magnétique changeant ne crée pas seulement un courant dans la bobine secondaire. Il crée également de petits tourbillons de courant dans le noyau de fer. Imaginez une rivière qui coule doucement. Si vous placez un gros rocher au milieu, vous obtenez de petits tourbillons derrière lui. Un courant de Foucault est exactement comme cela, mais avec de l'électricité à l'intérieur du noyau de fer.

Ces petits tourbillons électriques posent un gros problème. Ils ne font aucun travail utile. Ils tournent simplement dans le cœur, générant de la chaleur. Cette chaleur est de l'énergie perdue. Nous appelons ce gaspillage la perte par courant de Foucault. Cette perte est due à deux facteurs principaux : l'intensité du flux magnétique et la facilité avec laquelle le matériau du noyau conduit l'électricité. Un champ magnétique puissant et un noyau conducteur créent un courant de Foucault important. Cela entraîne une augmentation importante de la température dans le transformateur, ce qui est inefficace et peut même endommager l'appareil. Nous devons lutter contre cette perte de puissance.

Comment le laminage permet-il d'arrêter ces courants de Foucault gênants ?

Alors, comment arrêter ces tourbillons qui gaspillent l'énergie ? C'est là qu'intervient l'idée géniale de la stratification. Au lieu d'un bloc de métal massif, nous construisons le noyau à partir d'une pile de feuilles de métal très fines. Chaque feuille est recouverte d'une fine couche d'isolant, comme un vernis ou une couche d'oxyde. C'est comme un jeu de cartes au lieu d'un bloc de bois. Le flux magnétique peut encore se déplacer facilement le long des tôles, de la bobine primaire à la bobine secondaire.

Cependant, les couches isolantes agissent comme des barrières. Elles rendent très difficile la formation de tourbillons de courants de Foucault. Un courant de Foucault veut circuler dans un large cercle, mais les couches isolantes découpent ce cercle en de nombreux chemins minuscules et inefficaces. Cette astuce intelligente réduit considérablement les courants de Foucault. Plus chaque couche est fine, plus le chemin pour tout courant de Foucault potentiel est petit, et plus la perte par courant de Foucault est faible. La fabrication du noyau de fer de cette manière est la clé d'un transformateur efficace. C'est ainsi que nous réduisons les courants de Foucault.

Alors, pourquoi ne pas utiliser un noyau de fer solide ?

Vous vous demandez peut-être : "Ne serait-il pas plus économique et plus facile d'utiliser un seul noyau de fer solide ?" À première vue, oui. Mais le gaspillage d'énergie serait énorme. Un noyau de fer solide permettrait à un très grand courant de Foucault de circuler à travers toute sa section transversale. Il en résulterait une énorme perte de courant de Foucault, ce qui ferait chauffer le transformateur et gaspillerait beaucoup d'énergie. L'utilisation d'un noyau solide de cette manière augmentera considérablement la perte de fer.

Cette énergie perdue, ou perte de fer, est causée par ces courants. Un noyau solide serait un désastre pour l'efficacité. La majeure partie de l'énergie électrique entrante serait convertie en chaleur au lieu d'être transférée à l'enroulement secondaire. La taille du noyau de fer devrait être beaucoup plus grande pour supporter la chaleur, ce qui augmenterait le coût et le poids. L'objectif d'un transformateur est de transférer efficacement l'énergie. Un noyau de fer solide fait exactement le contraire. En utilisant le laminage, nous réduisons le flux des courants de Foucault sans nuire au chemin magnétique.

Qu'est-ce que cet acier au silicium spécial que nous utilisons pour le noyau ?

Les tôles fines que nous utilisons pour le laminage ne sont pas n'importe quel acier. Elles sont fabriquées à partir d'un alliage spécial appelé acier au silicium. On l'appelle aussi parfois acier électrique. L'acier au silicium est un type d'alliage obtenu en ajoutant une petite quantité de silicium à un acier à faible teneur en carbone. L'ajout de silicium est crucial. Pourquoi l'acier au silicium est-il le protagoniste de ce projet ? Parce qu'il possède deux propriétés magnétiques étonnantes qui le rendent parfait pour le noyau d'un transformateur.

Premièrement, le matériau utilisé doit avoir une perméabilité magnétique élevée. Deuxièmement, il doit présenter une résistivité électrique élevée. La résistivité est une mesure de la résistance d'un matériau au passage du courant électrique. L'acier ordinaire est un bon conducteur. Mais lorsque vous fabriquez de l'acier au silicium, la teneur en silicium augmente la résistivité du matériau. Une résistivité plus élevée signifie qu'il est plus difficile pour un courant de Foucault de circuler, ce qui réduit encore la perte par courant de Foucault. C'est pourquoi l'acier est utilisé sous cette forme. L'acier au silicium est le matériau idéal pour le noyau. C'est le meilleur matériau magnétique pour ce travail. Nous aimons l'acier au silicium pour ses capacités étonnantes. Un transformateur en acier au silicium est beaucoup plus efficace. L'utilisation de l'acier au silicium est la norme dans l'industrie. Cet acier au silicium spécial change la donne.

Comment l'acier au silicium contribue-t-il au champ magnétique ?

Nous avons parlé de la façon dont l'acier au silicium permet de réduire les courants indésirables. Mais son rôle principal est d'être un excellent chemin pour le flux magnétique. La propriété magique ici est appelée perméabilité magnétique élevée. La perméabilité est une mesure de la facilité avec laquelle un champ magnétique peut être créé dans un matériau. Il s'agit en quelque sorte d'un tapis d'accueil magnétique. L'acier au silicium présente une perméabilité magnétique très élevée. Cela signifie qu'il accepte avec empressement et guide le flux magnétique de l'enroulement primaire vers l'enroulement secondaire avec très peu de "fuites".

Cette propriété garantit que la quasi-totalité de l'énergie magnétique créée par la bobine primaire est transmise à la bobine secondaire. Il en résulte une forte intensité d'induction magnétique. C'est ce qui rend un transformateur si efficace pour transférer de l'énergie. La qualité magnétique élevée de l'acier au silicium nous permet de construire un transformateur plus petit, plus léger et plus puissant. La teneur élevée en silicium de l'acier au silicium contribue à créer ces conditions magnétiques exceptionnelles. La nature hautement magnétique de l'acier au silicium est exactement ce dont nous avons besoin. Cette forte propriété magnétique est essentielle. Le champ magnétique est parfaitement géré par l'acier au silicium. Cette perméabilité magnétique est une mesure clé de la performance. Nous avons besoin de performances magnétiques élevées. Les lignes de champ magnétique sont concentrées à l'intérieur de l'acier au silicium.

Qu'est-ce que la perte de base et pourquoi devons-nous la réduire ?

Lorsqu'un transformateur fonctionne toujours avec une alimentation en courant alternatif, une certaine quantité d'énergie est toujours perdue dans son noyau. Nous appelons cette perte totale la perte dans le noyau, ou parfois la perte dans le fer. Cette perte dans le noyau de fer est une source majeure d'inefficacité dans les transformateurs de puissance. Nous voulons faire de la réduction de la perte dans le noyau une priorité. Cette perte de puissance dans le fer est perdue sous forme de chaleur.

La perte dans le noyau est due à deux raisons. La première est la perte par courants de Foucault dont nous avons déjà parlé. La seconde est la perte par hystérésis. Ensemble, elles sont connues sous le nom de pertes par hystérésis et par courants de Foucault. La réduction de ces deux pertes est la clé de l'amélioration des performances des transformateurs. Le développement de meilleurs matériaux pour le noyau, comme l'acier au silicium avancé, consiste à créer un matériau magnétique avec la perte de noyau la plus faible possible. Chaque watt d'énergie économisé ici est un watt qui peut être utilisé pour alimenter nos maisons et nos appareils.

Pouvez-vous expliquer la perte par hystérésis de manière simple ?

Cela semble compliqué, mais l'idée est simple. Un matériau magnétique comme l'acier au silicium est constitué de minuscules régions appelées domaines magnétiques. On peut les comparer à de minuscules aimants. En l'absence de champ magnétique, ils pointent tous dans des directions aléatoires. Lorsque la bobine alimentée crée un champ magnétique, ces domaines s'alignent. Ce processus est appelé magnétisation.

Comme le transformateur fonctionne en courant alternatif, le courant passe constamment d'un côté à l'autre, 50 ou 60 fois par seconde. Cela signifie que le champ magnétique s'inverse rapidement. Chaque fois qu'il s'inverse, tous ces minuscules domaines magnétiques doivent se retourner pour s'aligner sur la nouvelle direction. Il faut un peu d'énergie pour les faire basculer. Cette énergie est perdue sous forme de chaleur. Cette perte est appelée perte d'hystérésis. L'acier au silicium a la particularité d'avoir une faible coercivité, ce qui signifie que ses domaines magnétiques peuvent basculer d'un côté à l'autre très facilement, sans nécessiter beaucoup d'énergie. Cet effet d'hystérésis est minimisé. Une fois magnétisés, ils doivent être démagnétisés et remagnétisés dans la direction opposée, et ce cycle entraîne une perte d'hystérésis.

Comment les tôles d'acier au silicium sont-elles fabriquées et assemblées ?

Le processus de fabrication du noyau est très avancé. L'acier au silicium se présente d'abord sous la forme d'un grand rouleau de métal. Il en existe deux types principaux : l'acier au silicium laminé à chaud et l'acier au silicium laminé à froid. Les tôles d'acier au silicium laminées à froid sont principalement utilisées aujourd'hui parce qu'elles ont des propriétés magnétiques encore meilleures. L'acier au silicium laminé à chaud est ensuite transformé. L'acier est ensuite traité pour créer la structure cristalline idéale. Il s'agit souvent d'un processus appelé "recuit", au cours duquel le métal est chauffé et lentement refroidi. Le recuit permet d'améliorer l'acier.

Ensuite, la tôle d'acier au silicium est recouverte d'une très fine couche isolante. Cette opération est essentielle pour arrêter les courants de Foucault. Enfin, la tôle d'acier au silicium revêtue est coupée en longues pièces, généralement dans le format forme d'un "E" et d'un "I". Ces pièces sont ensuite empilées une à une pour former le noyau de fer du transformateur. La tôle d'acier au silicium doit être manipulée avec soin. La façon dont nous empilons cette tôle d'acier au silicium est importante. Plus les pièces épissées sont étroites, meilleur est l'effet. La tôle d'acier au silicium finale peut n'avoir qu'une épaisseur de 0,35 mm. C'est pour cette raison que nous utilisons une tôle d'acier au silicium. Ce type spécifique d'acier au silicium est généralement utilisé. Cet acier au silicium est parfait pour être une tôle d'acier au silicium. Le matériau au silicium laminé à chaud est moins courant aujourd'hui.

Quels sont les avantages de l'utilisation d'un noyau en acier au silicium laminé ?

Qu'obtenons-nous donc de tout ce travail ? Nous obtenons un transformateur très efficace. En utilisant un noyau laminé en acier au silicium, nous nous attaquons aux deux principales sources de pertes d'énergie. La stratification arrête les courants de Foucault et les propriétés spéciales de l'acier au silicium réduisent la perte par hystérésis. Cela permet de réduire les pertes globales du noyau. Cette conception présente également un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui signifie qu'elle ne se dilate pas et ne se contracte pas trop en fonction des changements de température.

Tous les facteurs favorables mentionnés ci-dessus se combinent pour rendre les transformateurs modernes incroyablement efficaces, souvent supérieurs à 98% ou 99%. Cela signifie moins de gaspillage d'électricité, des températures de fonctionnement plus basses et des appareils plus petits et plus puissants. La taille du transformateur peut être réduite. Des transformateurs géants des sous-stations électriques aux minuscules transformateurs de vos gadgets, l'utilisation d'un noyau en acier au silicium laminé est un principe fondamental qui rend notre monde électrique possible. Il permet de réduire les pertes d'énergie et d'augmenter les performances. Nous réduisons les pertes effectives. Le développement de nouveaux matériaux se poursuit, mais les principes de base restent les mêmes. L'utilisation de l'acier au silicium est très répandue dans l'industrie électrique.