Pourquoi les tôles d'acier au silicium sont utilisées dans les noyaux de transformateurs – Réduction des pertes par courants de Foucault
Pourquoi réduire l'autre type de perte fer—les pertes par courants de Foucault?
Lorsqu'un transformateur fonctionne, un courant alternatif circule dans ses enroulements, produisant un flux magnétique alternatif correspondant. Ce flux variable induit des courants à l'intérieur du noyau en fer. Ces courants induits circulent dans des plans perpendiculaires à la direction du flux magnétique, formant des boucles fermées—d'où leur nom de courants de Foucault. Les pertes par courants de Foucault provoquent également le chauffage du noyau.
Pourquoi les noyaux de transformateurs sont-ils fabriqués avec des tôles d'acier au silicium?
L'acier au silicium—un alliage d'acier contenant du silicium (également connu sous le nom de "silicium" ou "Si") avec une teneur en silicium comprise entre 0,8 % et 4,8 %—est couramment utilisé pour les noyaux de transformateurs. La raison en est que l'acier au silicium possède une perméabilité magnétique élevée. En tant que matériau magnétique très efficace, il peut produire une densité de flux magnétique élevée lorsqu'il est alimenté, permettant de fabriquer des transformateurs plus compacts.
Comme nous le savons, les transformateurs réels fonctionnent sous des conditions de courant alternatif (CA). Les pertes de puissance se produisent non seulement en raison de la résistance des enroulements, mais aussi à l'intérieur du noyau en fer en raison de la magnétisation cyclique. Cette perte de puissance liée au noyau est appelée "perte fer", qui se compose de deux composantes :
Perte par hystérésis
Perte par courants de Foucault
La perte par hystérésis résulte du phénomène d'hystérésis magnétique pendant le processus de magnétisation du noyau. L'amplitude de cette perte est proportionnelle à la surface enclose par la boucle d'hystérésis du matériau. L'acier au silicium a une boucle d'hystérésis étroite, ce qui entraîne une perte par hystérésis plus faible et une réduction significative du chauffage.
Étant donné ces avantages, pourquoi n'utilise-t-on pas un bloc solide d'acier au silicium pour le noyau? Pourquoi est-il plutôt traité en fines tôles?
La réponse est de réduire la deuxième composante de la perte fer—la perte par courants de Foucault.
Comme mentionné précédemment, le flux magnétique alternatif induit des courants de Foucault dans le noyau. Pour minimiser ces courants, les noyaux de transformateurs sont construits à partir de fines tôles d'acier au silicium isolées les unes des autres et empilées. Cette conception confine les courants de Foucault à des chemins étroits et allongés avec des sections transversales plus petites, augmentant ainsi la résistance électrique le long de leurs trajets. De plus, l'ajout de silicium dans l'alliage augmente la résistivité électrique du matériau lui-même, réduisant davantage la formation de courants de Foucault.
Typiquement, les noyaux de transformateurs utilisent des tôles d'acier au silicium laminées à froid d'environ 0,35 mm d'épaisseur. Selon les dimensions requises du noyau, ces tôles sont coupées en bandes longues et ensuite empilées en configurations "日" (double fenêtre) ou en configuration simple fenêtre.
En théorie, plus la tôle est fine et plus les bandes sont étroites, plus la perte par courants de Foucault est faible—ce qui entraîne une élévation de température moindre et une utilisation réduite de matériel. Cependant, en production réelle, les concepteurs ne s'optimisent pas uniquement sur la minimisation des courants de Foucault. L'utilisation de tôles extrêmement fines ou de bandes très étroites augmenterait considérablement le temps de production et la main-d'œuvre tout en réduisant la section transversale effective du noyau. Par conséquent, lors de la fabrication des noyaux en acier au silicium, les ingénieurs doivent soigneusement équilibrer les performances techniques, l'efficacité de fabrication et le coût pour sélectionner les dimensions optimales.
