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RÉSUMÉ
La tôle à grains orientés est l'un des matériaux les plus importants de la chaîne de conversion de l'énergie électrique. La demande d'efficacité environnementale entraîne une évolution des convertisseurs et une amélioration des propriétés des tôles électriques à grains orientés. Moins de pertes, moins de bruits, sont les exigences qui guident le développement de ces produits. Cet article décrit les grands principes de fabrication des différentes familles de tôles à grains orientés et leurs propriétés principales. Il donne un aperçu des normes relatives à leur classification et à l'évaluation de leurs propriétés d'usage.
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Régis LEMAÎTRE : Responsable recherche et technologie de ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH (TKES, Gelsenkirchen, Allemagne)
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Thierry BELGRAND : Responsable recherche et développement de ThyssenKrupp Electrical Steel UGO SAS (TKES, Isbergues, France)
INTRODUCTION
La dénomination de la norme NF EN 10107 était jusqu'alors « bandes et tôles magnétiques en acier à grains orientés livrées à l'état fini » ; dans une résolution du 23 décembre 2013, la Commission UF68 de l'AFNOR – système français de normalisation – UTE a adopté la dénomination « bandes et tôles en acier électrique à grains orientés livrées à l'état fini ». Cet acier est communément appelé GO, ou encore acier au silicium à grains orientés.
L'acier à grains orientés fait partie de la famille des matériaux magnétiques doux qui offrent une grande perméabilité au champ magnétique, s'aimantent et se désaimantent facilement. C'est un acier allié au silicium, contenant environ 3 % de silicium en poids, commercialisé sous forme de produit plat et isolé électriquement sur les deux faces par une couche formée à partir de silicates de magnésium complétée d'un film inorganique de type phosphate.
Le procédé de fabrication comprend de multiples étapes depuis l'élaboration de l'acier, le laminage à chaud et les opérations de transformation thermomécanique qui visent à obtenir une texture cristallographique spécifique appelée « texture de Goss ». Cette texture est la raison de leur bonne performance magnétique dans le sens de laminage de la tôle. Elles présentent une polarisation magnétique élevée à saturation et des pertes spécifiques très basses.
Les tôles à grains orientés sont bien adaptées aux emplois en champ unidirectionnel comme dans les machines statiques telles que les transformateurs pour lesquels les rendements électriques visés sont très élevés. En revanche, elles sont moins performantes dans le cas des machines tournantes traditionnelles mais le sont dans les gros générateurs et alternateurs. Leurs caractéristiques sont spécifiées dans la norme qui distingue deux classes de matériaux dans les épaisseurs 0,23, 0,27, 0,30, 0,35 mm :
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matériau à grains orientés conventionnel, dit CGO ;
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matériau à grains orientés à haute perméabilité, dit HGO, qui présente des propriétés améliorées pour les transformateurs de puissance.
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Comportement des tôles à grains orientés dans les circuits magnétiques de transformateurs
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8. Caractérisation des principales propriétés des tôles électriques
8.1 Cadre Epstein
Il s'agit d'un circuit magnétique constitué par la tôle à tester (figure 14). La tôle est découpée en bandelettes rectangulaires de 30 mm de large et d'au moins 280 mm de long. Pour la qualification normalisée des tôles à grains orientés, le côté le plus long est parallèle à la direction de laminage. Les bandelettes sont introduites dans quatre fourreaux organisés en carré autour desquels sont enroulés un bobinage tension (secondaire) et un bobinage de courant (primaire). Chacun des enroulements primaire et secondaire possède 700 spires. Le nombre de bandes utilisé est toujours un multiple de quatre. Il doit être suffisant pour assurer que la section du circuit magnétique offre une tension secondaire dont la mesure sera compatible avec un niveau d'erreur le plus faible (un minimum de 28 bandes est recommandable).
Le cadre Epstein est destiné à simuler un transformateur monophasé à vide. La mesure des différentes grandeurs magnétiques fait intervenir la notion de ligne moyenne de champ. Il s'agit de la longueur moyenne de circulation du champ magnétique dans l'hypothèse d'un champ dont la valeur est en tout point constante.
Historiquement la définition de cette quantité a été réalisée par comparaison avec des mesures sur tores. Le tore constitué du même matériau que celui utilisé pour la mesure avec le cadre Epstein possède alors un diamètre bien supérieur à l'épaisseur du circuit magnétique [D 1 505]. Cette disposition permet de faire l'hypothèse d'un champ homogène en tout point du circuit magnétique. À l'issue de ces comparaisons, la ligne moyenne de parcours du champ a été définie à 0,94 m alors que le périmètre moyen du cadre Epstein est de 1 m. Cette valeur est utilisée par convention dans toutes les mesures réalisées au cadre Epstein de 25 cm. Elle redéfinit la partie active du matériau impliqué dans la génération des pertes et est utilisée dans le calcul des pertes massiques.
Afin d'associer les pertes avec la polarisation...
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Caractérisation des principales propriétés des tôles électriques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HASTENRATH (M.), LAHN (L.), LEMAITRE (R.) - New developments in manufacturing of GOES. - Cigré, Cavtat, Croatia, nov. 2009.
-
(2) - Démarrage de la coulée-laminage de ThyssenKrupp. - Revue de Métallurgie, V98, p. 655-666, juil. 2001
-
(3) - SCHOEN (J.W.) - High temperature grain growth during slab reheating of oriented 3%Si-Fe made using continuous casting. - Met. Trans. A, vol. 17, p. 1335-1346, 8 août 1986.
-
(4) - SHIMANAKA (H.) et al - Grain oriented silicon steel having low core loss by continuous casting. - Proc. Symp. on Energy efficient electrical steels, Pittsburg, p. 157-168, oct. 1980.
-
(5) - Procédé de fabrication d'acier magnétique. - Brevets : EP0732413B1, EP0912768B1.
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(6) - GÜNTHER (K.) - * - Journal...
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