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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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Tôles à grains orientés et normalisation
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6. Établissement des caractéristiques magnétiques dans les tôles à grains orientés
Les principes généraux relatifs aux propriétés des matériaux magnétiques doux, dont font partie les tôles à grains orientés, sont décrits dans [D 2 121] et ne sont pas repris en détail par la suite. Seuls sont abordés les points spécifiques appartenant aux tôles à grains orientés.
Les transformateurs, pour lesquels l'échange d'énergie entre un enroulement primaire et un enroulement secondaire se produit par l'intermédiaire d'un noyau magnétique dont l'axe est commun à ces deux enroulements, utilisent les propriétés magnétiques quasi unidirectionnelles des tôles à grains orientés.
L'échange d'énergie doit être réalisé avec le minimum de pertes. De ce fait, les tôles à grains orientés doivent être optimisées avant tout sur la base du caractère unidirectionnel de l'aimantation pour une variation sinusoïdale à la fréquence industrielle de 50 Hz.
Dans la majorité des applications, les tôles à grains orientées sont parties intégrantes d'un circuit magnétique constitué de tôles enroulées ou de feuilles empilées. Idéalement, il faudrait donc pouvoir appréhender le comportement collectif des tôles dans l'optimisation de leurs propriétés. A
ujourd'hui les tôles électriques à grains orientés sont identifiées selon un classement et des techniques normalisées reposant sur la mesure d'une éprouvette réputée représentative de la livraison faite par le producteur à son client.
6.1 Structure en domaines magnétiques
La tôle à grains orientés est constituée majoritairement de bandes de domaines magnétiques antiparallèles orientés selon la direction de laminage. Cette structure lui confère ses propriétés particulières. Elle est issue de la minimisation de l'énergie résultant de la combinaison de plusieurs facteurs :
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les interactions d'échange entre les moments magnétiques proches voisins...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(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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