Fonctions et classification des noyaux de transformateur

1. Fonctions des noyaux de transformateur

Les transformateurs pratiques fonctionnent toujours dans des conditions de courant alternatif (AC). Les pertes de puissance se produisent non seulement dans la résistance des enroulements mais également dans le noyau en raison de la magnétisation alternative. La perte de puissance à l'intérieur du noyau est communément appelée « perte de fer » (ou perte du noyau), qui est causée par deux facteurs principaux : « perte par hystérésis » et « perte par courants de Foucault ». La perte par hystérésis est l'énergie dissipée pendant le processus de magnétisation en raison du phénomène d'hystérésis. L'ampleur de cette perte est proportionnelle à la zone délimitée par la boucle d'hystérésis du matériau. L'acier au silicium ayant une boucle d'hystérésis étroite, son utilisation comme matériau de base réduit considérablement la perte d'hystérésis et minimise considérablement la génération de chaleur.

Puisque l’acier au silicium présente ces avantages, pourquoi le noyau n’est-il pas constitué d’un bloc solide d’acier au silicium, mais plutôt transformé en feuilles minces ? En effet, un noyau laminé réduit un autre type de perte de fer : la perte par courants de Foucault. Pendant le fonctionnement, le courant alternatif dans les enroulements génère un flux magnétique alternatif. Ce flux magnétique changeant induit des courants dans le noyau. Ces courants induits circulent dans des plans perpendiculaires à la direction du flux magnétique et sont donc appelés courants de Foucault. La perte par courants de Foucault provoque également un échauffement du noyau. Pour minimiser cette perte, le noyau du transformateur est construit en empilant des tôles d'acier au silicium isolées les unes des autres. Cela force les courants de Foucault à circuler à travers des boucles étroites avec une section transversale plus petite, augmentant ainsi la résistance électrique du trajet des courants de Foucault. De plus, le silicium contenu dans l'acier augmente la résistivité électrique du matériau, ce qui contribue encore à réduire les courants de Foucault. Pour les noyaux de transformateur, des tôles d'acier au silicium laminées à froid de 0,35 mm d'épaisseur sont généralement sélectionnées. Ils sont découpés en bandes rectangulaires selon les dimensions requises du noyau, puis empilés pour former un « huit » ou une forme de cadre rectangulaire. En théorie, plus les tôles d'acier au silicium et les bandes sont étroites, meilleur est l'effet de réduction des courants de Foucault. Cela réduit non seulement les pertes par courants de Foucault et l’augmentation de la température, mais permet également d’économiser du matériel. Cependant, dans le secteur manufacturier réel, ces facteurs favorables ne sont pas les seuls à prendre en compte. Rendre les feuilles trop fines et étroites augmenterait considérablement les heures de travail et réduirait la section transversale effective du noyau. Par conséquent, lors de la fabrication de noyaux en acier au silicium, il faut peser le pour et le contre en fonction de circonstances spécifiques afin de sélectionner les dimensions optimales.

Les transformateurs sont fabriqués sur la base du principe de l'induction électromagnétique. Deux enroulements sont enroulés autour d'une branche à noyau fermé : l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. Lorsqu'une tension alternative est appliquée à l'enroulement primaire, un courant alternatif le traverse, établissant une force magnétomotrice (MMF). Sous l'influence de ce MMF, un flux magnétique principal alternatif est généré dans le noyau. Ce flux magnétique principal traverse et relie les enroulements primaire et secondaire. En raison de l'induction électromagnétique, des forces électromotrices (FEM) sont générées dans les deux enroulements. La raison pour laquelle il peut augmenter ou diminuer la tension s'explique par la loi de Lenz : le flux magnétique généré par le courant induit s'oppose toujours à la modification du flux magnétique d'origine. Lorsque le flux magnétique d'origine augmente, le flux magnétique produit par le courant induit s'y oppose. En d’autres termes, le flux magnétique induit dans l’enroulement secondaire est opposé au flux magnétique principal produit par l’enroulement primaire, ce qui entraîne une tension alternative de niveau inférieur aux bornes de l’enroulement secondaire. Ainsi, le noyau sert de circuit magnétique au transformateur, tandis que les enroulements constituent son circuit électrique.

2. Classification des configurations de noyau de transformateur

Noyaux de type coque et de type noyau

La partie du noyau autour de laquelle les enroulements sont enroulés est appelée « branche centrale », tandis que la partie qui n'a pas d'enroulements mais sert uniquement de chemin magnétique est appelée « joug ». Un noyau est appelé « type coque » lorsque le noyau entoure les enroulements, et « type noyau » lorsque les enroulements entourent la branche centrale. Les configurations de type coque et de type noyau ont chacune leurs caractéristiques distinctes, mais les processus de fabrication qu'elles imposent sont très différents. Une fois une structure spécifique sélectionnée, il est difficile de passer à une autre. En Chine, la plupart des noyaux de transformateur utilisent une conception de type noyau empilé.

Les tôles d'acier au silicium sont utilisées pour les transformateurs basse fréquence et sont disponibles en différents types. En fonction du processus de fabrication, ils peuvent être divisés en :
A : Recuits (feuilles noires)
N : Non recuits (feuilles blanches)

En fonction de leur forme, ils peuvent être classés en : type EI, type UI, type C et type carré (bouche).

Les tôles d'acier au silicium de type carré sont couramment utilisées dans les transformateurs de haute puissance. Ils offrent d’excellentes performances d’isolation, une facilité de dissipation thermique et un chemin magnétique court. Ils sont principalement utilisés pour les transformateurs d’une puissance nominale supérieure à 500-1 000 W et les transformateurs de haute puissance. Un ensemble de tôles d'acier au silicium composé de deux tôles de type C est appelé noyau de type CD. Pour les transformateurs de puissance réalisés avec des feuilles de type CD, sous la même section transversale, plus la fenêtre est haute, plus la capacité de puissance du transformateur est grande. Étant donné que les bobines peuvent être installées séparément des deux côtés du noyau, le nombre de tours de bobine peut être réparti sur deux bobines, ce qui entraîne une longueur de tour moyenne par bobine plus courte et une perte de cuivre réduite. De plus, si deux bobines symétriques sont enroulées sur des bobines séparées, une symétrie parfaite peut être obtenue.

Un ensemble de tôles d'acier au silicium composé de quatre tôles de type C est appelé noyau de type ED. Les transformateurs fabriqués avec des noyaux de type ED ont un profil plat et large. Sous la même puissance nominale, les transformateurs de type ED sont plus courts et plus larges que les transformateurs de type CD. Étant donné que les bobines sont installées au centre des tôles d'acier au silicium avec un chemin magnétique externe, elles présentent un faible flux de fuite et une interférence minimale avec les composants environnants. Cependant, toutes les bobines sont enroulées sur une seule bobine épaisse, ce qui entraîne une longueur de tour moyenne plus longue et une perte de cuivre plus élevée.

Les noyaux de type C offrent des performances supérieures, ce qui donne lieu à des transformateurs compacts, légers et très efficaces. Du point de vue de l'assemblage, les noyaux de type C nécessitent très peu de pièces et présentent une grande polyvalence, conduisant à une efficacité de production élevée. Cependant, le processus d'usinage des tôles d'acier au silicium de type C est complexe et nécessite des équipements spécialisés, ce qui rend leur coût actuel relativement élevé.

Les tôles d'acier au silicium de type E, également connues sous le nom de tôles à coque ou en forme de huit, ont le principal avantage de partager une seule bobine pour les enroulements primaire et secondaire, ce qui donne un facteur d'espace de fenêtre élevé (facteur d'espace Km : le rapport entre la section transversale nette du fil de cuivre et la surface de la fenêtre). Les tôles d'acier au silicium forment une coque protectrice autour des enroulements, évitant ainsi les dommages mécaniques. Ils offrent également une grande zone de dissipation thermique et minimisent la dispersion du champ magnétique. Cependant, ils présentent une inductance de fuite plus élevée entre les enroulements primaire et secondaire et une plus grande sensibilité aux interférences magnétiques externes. De plus, en raison du périmètre moyen plus long des enroulements, les transformateurs de type E nécessitent plus de fil de cuivre pour le même nombre de tours et la même section transversale du noyau.

Les épaisseurs courantes des tôles d'acier au silicium sont de 0,35 mm et 0,5 mm. Il existe deux méthodes d'assemblage des tôles d'acier au silicium : l'entrelacement et l'empilage bout à bout. La méthode d'entrelacement alterne les extrémités ouvertes des feuilles sur les côtés opposés. Cette méthode est plus fastidieuse mais entraîne des entrefers plus petits et une réluctance magnétique plus faible, ce qui est bénéfique pour augmenter le flux magnétique ; par conséquent, il est largement utilisé dans les transformateurs de puissance. La méthode d'empilement bout à bout est couramment utilisée dans les applications à courant continu (DC). Pour éviter la saturation provoquée par le courant continu, un entrefer doit être laissé entre les tôles d'acier au silicium. Dans cette méthode, les feuilles E et I sont placées sur des côtés opposés et l'espace d'air entre elles peut être ajusté à l'aide de cales en papier.

3. Types de noyaux de bobine

Ceux-ci sont divisés en trois types :
A. NOYAU TOROÏDAL : Fabriqué en empilant des tôles de type O ou en enroulant des tôles d'acier au silicium. Le bobinage du fil sur ce type d'âme est très difficile.
B. NOYAU DE TIGE : Un noyau de fer en forme de tige.
C. NOYAU DE TAMBOUR : Un noyau de fer en forme de tambour.

4. Classification des matériaux du noyau du transformateur

1. Catégorie haute fréquence : noyaux de ferrite
Les noyaux de ferrite sont utilisés dans les transformateurs haute fréquence. Ce sont des aimants en céramique avec une structure cristalline spinelle, composée d'oxyde de fer et d'autres composés métalliques divalents, tels que kFe₂O₄ (où k représente d'autres métaux). Les métaux actuellement couramment utilisés comprennent le manganèse (Mn), le zinc (Zn), le nickel (Ni), le magnésium (Mg) et le cuivre (Cu). Les combinaisons courantes incluent la série Manganèse-Zinc (MnZn), la série Nickel-Zinc (NiZn) et la série Magnésium-Zinc (MgZn). Ces matériaux possèdent des caractéristiques de perméabilité et d'impédance élevées, avec une plage de fréquences de fonctionnement allant de 1 kHz à plus de 200 kHz.
Plage de fréquences du noyau de ferrite : 18 kHz à plus de 1 MHz.

2. Catégorie basse fréquence : tôles d'acier au silicium et alliages amorphes.
Plage de fréquences du noyau en acier au silicium : 5 Hz à 1 kHz.
Les transformateurs utilisant de l'acier au silicium fonctionnent généralement à 50 Hz. Cependant, en termes d'efficacité, une fréquence légèrement plus élevée peut donner de meilleurs résultats, en fonction de l'indice de Gauss de la tôle d'acier au silicium. Même si les fréquences audio peuvent dépasser 20 kHz, cela n’est pas pratique. Il est recommandé de fonctionner entre 50 et 60 Hz, bien qu'ils puissent fonctionner normalement dans une plage de fréquences de 50 à 200 Hz.
Plage de fréquences du noyau amorphe : 2 kHz à 13 kHz.