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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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9. Comportement des tôles à grains orientés dans les circuits magnétiques de transformateurs
9.1 Assemblage des tôles dans les circuits magnétiques
La construction d'un transformateur est complexe et relève d'une optimisation technico-économique. La tôle composant le noyau est le point de départ du dimensionnement. Viennent ensuite se greffer les conducteurs (cuivre/aluminium), les isolants, les systèmes de refroidissement, les exigences d'encombrement, environnementales, parfois de capitalisation des pertes, etc.
Un circuit magnétique de transformateur est constitué par un assemblage de tôles dont la fonction première est de canaliser le flux d'induction magnétique. Il s'agit d'optimiser la conversion d'énergie (transformateur de puissance) ou la transmission d'information (transformateur de mesure) entre des systèmes de tensions et de courants différents. Cet assemblage peut résulter d'un empilage de segments de tôles découpées du petit circuit E-I aux grands segments des transformateurs de puissance de quelques centaines tonnes, ou de l'enroulement d'une bande sous forme de tore dont la géométrie peut être circulaire ou rectangulaire. Dans la majorité des réalisations, l'assemblage comporte des entrefers. On comprend donc que les géométries sont variées et que bien qu'alimenté par un signal sinusoïdal, les sollicitations magnétiques locales de la tôle dans le transformateur ne sont pas homogènes ni forcément sinusoïdales.
Selon le cahier des charges, et les habitudes des constructeurs, selon la connaissance de la variété des produits existants, une tôle sera préférée à une autre. Il n'existe donc pas de tôle idéale. Cependant la mission du producteur est de pouvoir proposer à partir de son portefeuille produits, des tôles dont les pertes sont les plus faibles possibles et la capacité d'aimantation la plus élevée possible. La difficulté pour le producteur est de pouvoir prédire la performance de la tôle dans l'application. Les essais normalisés ne répondent pas à ce besoin. Il faut donc développer des tests spécifiques éventuellement en collaboration avec des instituts spécialisés.
Dans les transformateurs triphasés à noyaux empilés, on distingue les jambes (parties droite des transformateurs autour desquelles sont placés les enroulements) et les culasses (permettant la circulation du champ d'une jambe à l'autre). Les jambes et les culasses sont construites à partir d'empilements de tôles de largeur différentes formant des gradins. Leur répartition tend à former une section droite dont la forme...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HASTENRATH (M.), LAHN (L.), LEMAITRE (R.) - New developments in manufacturing of GOES. - Cigré, Cavtat, Croatia, nov. 2009.
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(2) - Démarrage de la coulée-laminage de ThyssenKrupp. - Revue de Métallurgie, V98, p. 655-666, juil. 2001
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(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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