Noyau amorphe vs acier au silicium : comparaison de la structure, des pertes et de la conception

À l’heure actuelle, le cœur des transformateurs de distribution utilisés dans les réseaux électriques urbains et ruraux est essentiellement constitué de tôles d’acier au silicium à grains orientés laminées à froid.

Ce type de transformateur à noyau en acier au silicium continue de consommer de l’électricité et de générer de la chaleur tant qu’il est raccordé au réseau, même en l’absence de charge en aval. Ainsi, les pertes à vide sont relativement élevées.

Cependant, pour les transformateurs à alliage amorphe, le noyau utilise un nouveau type de matériau en alliage amorphe. Comparé aux transformateurs ordinaires à noyau en acier au silicium, sa consommation d’énergie à vide après mise sous tension est considérablement réduite.

Pour réduire la consommation d’énergie des transformateurs et améliorer leur efficacité opérationnelle, les idées d’amélioration les plus cruciales reposent sur deux points :

▪️ Premièrement, les remplacer par des matériaux de noyau magnétique de meilleure qualité ;

▪️ Deuxièmement, optimiser la structure interne du noyau et de la bobine afin de tirer pleinement parti des avantages des nouveaux matériaux tels qu’une perméabilité magnétique élevée et de faibles pertes. Une utilisation à long terme permet d’économiser une quantité significative de coûts d’électricité et d’obtenir de meilleurs bénéfices économiques.

Qu’est-ce qu’un alliage amorphe ?

Les métaux que nous voyons couramment dans la vie quotidienne sont tous des matériaux cristallins. Leur état physique se caractérise par le fait que les atomes du métal sont disposés en cristaux selon certaines règles. Les matériaux en alliage amorphe ont des atomes disposés selon un motif cristallin irrégulier à l’intérieur. Lorsque les métaux sont chauffés et fondus, les atomes internes deviennent actifs et refroidissent rapidement. Les atomes n’ont pas le temps de s’organiser et de cristalliser de manière régulière, ce qui donne ce que l’on appelle les alliages amorphes.

Les alliages amorphes utilisent principalement des techniques de super-trempe et de trempe rapide, caractérisées par des atomes internes libres désordonnés à longue distance, sans aucun grain ni joint de grain, ce qui n’affecte pas le mouvement des domaines magnétiques. Cet alliage amorphe possède de nombreuses propriétés physiques uniques, telles que d’excellentes propriétés magnétiques douces, une résistance élevée à la corrosion et une grande résistance mécanique.

Comment les alliages amorphes améliorent-ils l’efficacité des transformateurs de puissance ?

Les matériaux en alliage amorphe traités et fabriqués par des méthodes telles que le refroidissement ultra-rapide et la solidification ne présentent ni réseau cristallin ni joints de grains, de faibles pertes par courants de Foucault et une bonne stabilité thermique.

(2) En raison de la distribution ordonnée à courte distance des atomes et de la faible force coercitive dans les alliages amorphes, l’ionisation des domaines magnétiques n’est pas affectée. Par conséquent, les performances de pertes par hystérésis des alliages amorphes sont bien supérieures à celles des tôles d’acier au silicium.

(3) Le degré de magnétostriction des alliages amorphes est supérieur à celui de l’acier au silicium à grains orientés. À l’heure actuelle, l’indice théorique de contrôle du bruit thermique des transformateurs à noyau en alliage amorphe est bien supérieur à celui des transformateurs ordinaires en acier au silicium. Grâce à l’optimisation de la conception et à l’ajustement structurel des caractéristiques de structure globale de cette série de transformateurs, des technologies de traitement appropriées et des techniques d’assemblage avancées sont adoptées, et des méthodes physiques de réduction du bruit telles que l’amortissement sont ajoutées. Le niveau de bruit peut atteindre, voire être inférieur à celui des transformateurs à noyau en tôles d’acier au silicium.

Noyau amorphe vs acier au silicium

Caractéristiques structurelles

Les segments de noyau des transformateurs à alliage amorphe sont généralement rectangulaires, tandis que les enroulements primaire et secondaire sont usinés en rectangles arrondis, ce qui améliore la fiabilité et le taux d’utilisation des fils. Comparé au noyau traditionnel à section circulaire multicouche, cela permet non seulement d’économiser efficacement une grande quantité de matériaux nécessaires au noyau et aux bobines électromagnétiques du transformateur, mais aussi d’améliorer considérablement le taux de remplissage de la cuve d’huile.

Types de noyaux en alliage amorphe

La structure des noyaux en alliage amorphe peut être classée en cinq types : type à anneau superposé, type à anneau unique, type à distribution d’entrefer, type à plaques superposées et type à joint bout à bout.

Méthode de connexion du noyau

La méthode de connexion couramment utilisée pour les noyaux est le meilleur choix qui prend globalement en compte des facteurs tels que la contrainte du noyau, la résistance du noyau, la structure de fixation du noyau et les enroulements. Cependant, le type à assemblage bout à bout présente une longueur d’assemblage supplémentaire, tant vers le haut que vers le bas. Le taux d’utilisation des matériaux de la structure à assemblage bout à bout n’est pas élevé. L’augmentation de l’épaisseur du noyau entraîne une augmentation des dimensions de la cuve d’huile et du poids de l’huile.

Configuration typique du noyau

La structure du noyau des transformateurs à alliage amorphe est généralement triphasée à cinq colonnes. Elle se compose de quatre noyaux magnétiques à bobine unique et de deux bobines latérales.

Conception structurelle

Les transformateurs à alliage amorphe n’utilisent pas d’alliages amorphes comme principaux composants de support structurel, mais adoptent plutôt un système de contraction des enroulements pour réduire la compression du noyau par les enroulements et le transformateur.

Caractéristiques de la section transversale du noyau

À capacité égale, la surface de section transversale des noyaux en alliage amorphe est plus grande que celle des noyaux de transformateurs en acier au silicium. Cela est principalement dû au fait que la densité de flux magnétique de fonctionnement des bandes en alliage amorphe est inférieure à celle des tôles d’acier au silicium.

Comparaison de la géométrie des enroulements

Dans les mêmes conditions de section transversale, la circonférence d’un rectangle est supérieure à celle d’un cercle. Par conséquent, la circonférence de l’encoche principale des enroulements haute et basse tension d’un transformateur à noyau en acier au silicium de même capacité est inférieure à celle d’un transformateur à alliage amorphe.

Exigences d’isolation

Sous le niveau d’exigence d’isolation maximale stipulé dans la norme d’assurance qualité des performances du produit, la distance d’isolation principale nominale maximale des transformateurs à alliage amorphe ne doit pas dépasser celle des transformateurs en acier au silicium.

Conception des transformateurs à noyau amorphe

Lors du choix des transformateurs à alliage amorphe, l’économie d’énergie est principalement obtenue en réduisant les pertes à vide du transformateur. Par conséquent, la réduction des pertes à vide des transformateurs à alliage amorphe est le problème le plus important à prendre en compte lors de la conception des transformateurs non alliés. En raison des nombreuses propriétés inhérentes des alliages amorphes, les aspects suivants doivent être pris en compte lors de la conception et de la fabrication des matériaux en alliage amorphe :

(1) Pour minimiser le cisaillement et l’utilisation du noyau, le noyau de l’ensemble du produit est composé de quatre cadres de noyau indépendants, et chaque phase de l’enroulement est placée dans un circuit magnétique indépendant des deux cadres.

(2) Considérant que l’épaisseur de chaque pièce d’alliage amorphe est relativement fine et que la surface du matériau en alliage amorphe n’est pas suffisamment lisse, il n’y a pas d’exigence trop élevée concernant le coefficient de remplissage du noyau utilisé dans son transformateur.

(3) Les matériaux en alliage amorphe possèdent d’excellentes performances de faibles pertes et une bonne performance de dissipation thermique par air chaud. Après recuit, les matériaux en alliage amorphe atteindront de meilleures performances de faibles pertes.

(4) Les matériaux en alliage amorphe ont une dureté élevée et ne sont pas facilement coupés par les outils de coupe courants. Lors de la conception et de l’utilisation de ce matériau en alliage amorphe, le volume de coupe doit être réduit autant que possible.

(5) Les matériaux en alliage amorphe ont une forte induction de contrainte mécanique. Lors de la conception de leur structure et de la sélection des composants structurels de support, il est conseillé d’éviter autant que possible l’utilisation de noyaux en fer.