Présentation
Auteur(s)
-
Jean-Claude BAVAY : Docteur ès Sciences Physiques - Directeur du Centre de Recherches d’Isbergues UGINE SA - Responsable des Recherches Tôles Magnétiques UGINE SA
-
Jean VERDUN : Ingénieur INP Grenoble - Responsable Développement. Tôles magnétiques. GIE USINOR Aciers Électriques
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleINTRODUCTION
L’aimantation des substances ferromagnétiques constitue encore aujourd’hui la seule source d’induction magnétique économiquement acceptable. De ce fait, la tôle magnétique Fe-Si est le matériau essentiel pour la production, le transport et la transformation de l’énergie électrique. Deux grandes familles de tôles magnétiques sont utilisées pour la réalisation des circuits magnétiques des équipements électriques dont le principe de construction est basé sur l’action d’un champ magnétique.
Les tôles à grains orientés (GO) servent presque exclusivement à la construction des transformateurs. Découvertes dans les années 30, produites industriellement à partir des années 40 aux États‐Unis et à partir des années 50 en Europe, elles n’ont jamais cessé, depuis, de progresser sur le plan des performances magnétiques et font figure, aujourd’hui, de matériau noble. C’est la texture qui leur confère des propriétés magnétiques exceptionnelles quand les lignes d’induction sont parallèles à la direction de laminage, qui est la direction de facile aimantation. Le taux de réussite de cette texture, appelée texture de Goss du nom de son inventeur ou cube sur arête ou {100} <001> en notations cristallographiques, était initialement médiocre. Il s’est constamment amélioré grâce à de nombreux travaux scientifiques et à des mises au point industrielles qui se poursuivent encore aujourd’hui. La texture atteint maintenant un degré de perfection probablement inégalé dans l’ensemble des produits industriels, puisque la désorientation moyenne des grains qui composent une tôle de la meilleure qualité est inférieure à 5o.
Le prestige des tôles GO a largement éclipsé celui des autres tôles magnétiques, qualifiées, par opposition, de non orientées (NO). Parmi ces tôles NO, on trouve une grande variété de produits répondant à des besoins divers. Mais il faut surtout bien se garder de considérer ces tôles NO comme un sous-produit des tôles magnétiques.
Les tôles GO et les tôles NO correspondent en réalité à des utilisations entièrement distinctes. Les tôles magnétiques NO sont surtout utilisées pour la construction des machines tournantes (alternateurs, générateurs, moteurs...) alors que les tôles GO constituent les circuits magnétiques des machines statiques (transformateurs de puissance ou de distribution). Il n’y a pas concurrence entre elles, mais complémentarité. On ne saurait se passer de tôles NO en construction électrique. La consommation de tôles NO est trois à quatre fois plus importante que celle de tôles GO.
-
Dans une machine électrique, le circuit magnétique permet des échanges d’énergie entre les champs électriques et les champs magnétiques par l’intermédiaire de la loi de Faraday :
avec :
- v :
- force électromotrice induite
-
- vitesse de variation du flux d’induction magnétique
.
Pour le constructeur électricien, le matériau le plus intéressant est celui qui est capable de transporter le flux d’induction magnétique maximal au moindre coût. C’est pourquoi, il évalue l’efficacité intrinsèque d’un matériau magnétique selon deux paramètres principaux :
-
d’une part, le niveau d’induction accessible, qui est limité par la polarisation magnétique à saturation
; cette grandeur caractéristique du matériau doit être aussi élevée que possible, car elle influence directement l’induction de travail, c’est‐à‐dire la puissance volumique de la machine ;
-
d’autre part, les pertes totales massiques, qui accompagnent inévitablement le passage du flux, entraînant un échauffement de la machine et par conséquent, une diminution du rendement.
Pour réduire les pertes par courants induits générés par les variations du flux d’induction, l’emploi de circuits magnétiques massifs est à proscrire. Les circuits réalisés par empilement de feuilles de faible épaisseur ne sont efficaces que si les tôles superposées sont isolées électriquement l’une de l’autre.
-
Un matériau magnétique doux pour usage électrotechnique se caractérise par quatre constantes, fonction de la composition de l’alliage, qui sont :
-
la polarisation magnétique à saturation
;
-
la résistivité électrique ρ ;
-
la constante d’anisotropie magnétocristalline K1 ;
-
la constante de magnétostriction λ100 .
Le matériau idéal serait celui qui posséderait une polarisation magnétique à saturation 1.2.1 et une résistivité électrique 1.1.3 très élevées et, simultanément, des constantes d’anisotropie magnétocristalline 1.2.3 et de magnétostriction 1.2.4 voisines de zéro. Afin de s’approcher du matériau idéal, il est possible, par addition d’éléments d’alliage au fer, de modifier les constantes du matériau.
-
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Conversion de l'énergie électrique
(277 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
6. Conclusion
Les tôles Fe-Si servent à la construction de circuits magnétiques qui sont le siège d’une induction magnétique
variable. L’induction
est la grandeur la plus utile en construction électrique. Le meilleur des matériaux Fe-Si est celui capable de travailler à une valeur de B aussi grande que possible. Pour un matériau donné, l’induction maximale de travail reste inférieure à la limite théorique car, au fur et à mesure que l’on s’en rapproche, les pertes croissent rapidement, ce qui impose un compromis entre l’efficacité et les pertes.
L’épaisseur d’une tôle magnétique doit être choisie en tenant compte de sa fréquence de travail. Une tôle trop épaisse est toujours mal utilisée, car seules ses couches les plus externes transportent un flux d’induction maximal avec des pertes minimales. Si la fréquence du réseau électrique est égale à 50 ou 60 Hz, certains dispositifs électriques mettent en jeu des fréquences beaucoup plus élevées, soit pour accroître la puissance apparente massique des équipements dans les matériels embarqués, soit pour satisfaire les besoins nouveaux de la robotique et de l’électronique de puissance. Les tôles de faibles épaisseurs, inférieures à 0,20 mm, sont particulièrement adaptées à cet usage.
Pour la construction des transformateurs, les voies permettant l’amélioration des performances magnétiques des tôles à grains orientés sont les suivantes :
-
minimisation de la dispersion de la texture de Goss ;
-
diminution de la taille des grains ;
-
réduction de l’épaisseur ;
-
formation de revêtements isolants induisant une contrainte de traction parallèle à la direction de facile aimantation ;
-
affinement des domaines magnétiques par apport d’énergie mécanique ou lumineuse.
Les meilleures performances magnétiques des tôles Fe-Si à texture de Goss produites en Europe sont actuellement obtenues par la combinaison d’une haute perméabilité (B > 1,90 T pour un champ...
Cet article fait partie de l’offre
Conversion de l'énergie électrique
(277 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Conclusion
Cet article fait partie de l’offre
Conversion de l'énergie électrique
(277 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive