Introduction à la classification des noyaux de transformateur

1. Type 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 propriétés de perméabilité magnétique et d'impédance élevées, avec une plage de fréquences de fonctionnement allant de 1 kHz à plus de 200 kHz.

2. Type basse fréquence : stratifications en acier au silicium

Les tôles d'acier au silicium sont utilisées dans les transformateurs basse fréquence. Ils sont de différents types et peuvent être classés de deux manières principales :

• Par procédé de fabrication : A : Recuit (feuilles noires) et N : Non recuit (feuilles blanches).

• Par forme : noyaux de type EI, de type UI, de type C et carrés (de type bouche).

Les tôles d'acier au silicium de type carré sont couramment utilisées dans les transformateurs de haute puissance (généralement supérieures à 500-1 000 W). Ils offrent une excellente isolation, une dissipation thermique facile et un chemin magnétique court. Un ensemble composé de deux tôles d'acier au silicium de type C est appelé noyau de type CD. Pour les transformateurs de puissance fabriqués avec des noyaux de type CD de même section transversale, une fenêtre plus haute permet une puissance nominale plus élevée. Étant donné que les bobines peuvent être installées séparément des deux côtés du noyau, le nombre total de tours peut être réparti sur deux bobines. Cela réduit la longueur moyenne de tour par bobine et diminue les pertes de cuivre. De plus, l’enroulement de deux bobines symétriques sur des bobines séparées permet d’obtenir une symétrie parfaite.

Un ensemble composé de quatre tôles d'acier au silicium de type C est appelé noyau de type ED. Les transformateurs fabriqués avec des noyaux de type ED ont un profil plus court et plus large que les transformateurs de type CD de même puissance nominale. Étant donné que les bobines sont montées au centre du noyau avec un chemin magnétique externe, les transformateurs de type ED présentent de faibles fuites de flux magnétique et des interférences minimes. Cependant, comme toutes les bobines sont enroulées sur une seule bobine plus épaisse, la longueur moyenne du tour est plus longue, ce qui entraîne des pertes de cuivre plus élevées.

Les noyaux de type C offrent d'excellentes performances, ce qui rend les transformateurs résultants compacts, légers et très efficaces. Du point de vue de l'assemblage, les noyaux de type C nécessitent très peu de composants et offrent une grande polyvalence, conduisant à une efficacité de production élevée. Cependant, le processus de fabrication des tôles d'acier au silicium de type C est complexe et nécessite des équipements spécialisés, ce qui rend leurs coûts de production actuels relativement élevés.

Les tôles d'acier au silicium de type E, également connues sous le nom de noyaux de type coque, ont le principal avantage de placer les bobines primaires et secondaires sur la même bobine, ce qui donne un facteur d'espace de fenêtre élevé (facteur d'espace Km : le rapport entre la surface 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 plus grande zone de dissipation thermique et réduisent le rayonnement du champ magnétique. Cependant, cette conception entraîne une inductance de fuite primaire-secondaire plus élevée et une plus grande susceptibilité aux interférences du champ magnétique externe. De plus, en raison de la circonférence moyenne de l'enroulement plus longue, les transformateurs de type EI nécessitent plus de fil de cuivre pour le même nombre de tours et la même section transversale du noyau.

Les épaisseurs les plus courantes pour les 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'aboutage. La méthode d'entrelacement alterne les ouvertures des feuilles des deux côtés. Bien que cette méthode soit lourde, elle minimise les écarts et la réluctance magnétique entre les feuilles, ce qui contribue à augmenter le flux magnétique ; par conséquent, il est largement utilisé dans les transformateurs de puissance. La méthode d'aboutage est couramment utilisée dans les applications à courant continu (DC). Pour éviter la saturation causée par le courant continu, un espace doit être laissé entre les feuilles. Dans cette méthode, les pièces en E et en I sont placées sur des côtés opposés et l'écart entre elles peut être ajusté à l'aide de cales en papier.

3. Types de bobines

Les noyaux de type bobine sont divisés en trois catégories principales :
A. Noyau toroïdal : fabriqué en empilant des stratifications en forme de O ou en enroulant des bandes d'acier au silicium. L’enroulement de ces noyaux est assez difficile.
B. Noyau de tige : noyaux magnétiques en forme de tige.
C. Noyau de tambour : Noyaux magnétiques en forme de tambour.