Fonctions et classification des noyaux de transformateur

1. Fonctions des noyaux de transformateur

Les transformateurs pratiques fonctionnent toujours dans des conditions de courant alternatif (AC). Les pertes de puissance se produisent non seulement dans la résistance des enroulements mais également dans le noyau de fer car celui-ci est magnétisé par le courant alternatif. Ces pertes de puissance dans le noyau de fer sont généralement appelées « pertes dans le noyau », qui sont causées par deux facteurs : la perte par hystérésis et la perte par courants de Foucault. La perte d'hystérésis se produit pendant le processus de magnétisation en raison de l'hystérésis magnétique, et son ampleur est proportionnelle à la zone délimitée par la boucle d'hystérésis du matériau. L'acier au silicium a une boucle d'hystérésis étroite ; par conséquent, son utilisation pour les noyaux de transformateur entraîne des pertes par hystérésis plus faibles, ce qui réduit considérablement la génération de chaleur.

Compte tenu de ces avantages de l’acier au silicium, pourquoi est-il transformé en tôles plutôt que utilisé comme bloc solide ? En effet, les noyaux laminés aident à minimiser un autre type de perte de noyau : la perte par courants de Foucault. Pendant le fonctionnement, le courant alternatif dans les enroulements génère un flux magnétique alternatif qui induit des courants dans le noyau de fer. Ces courants induits circulent dans des plans perpendiculaires à la direction du flux magnétique et sont ainsi appelés courants de Foucault. Les pertes par courants de Foucault provoquent également un échauffement du noyau. Pour réduire ces pertes, le noyau du transformateur est assemblé à partir de tôles d'acier au silicium mutuellement isolées. Cela force les courants de Foucault à circuler à travers des boucles étroites et allongées avec des sections transversales plus petites, augmentant ainsi la résistance électrique le long de leur trajet. De plus, la teneur en silicium de l'acier augmente la résistivité électrique du matériau, réduisant ainsi davantage les courants de Foucault.

Pour les noyaux de transformateur, des tôles d'acier au silicium laminées à froid de 0,35 mm d'épaisseur sont généralement sélectionnées. En fonction des dimensions requises du noyau, ils sont découpés en bandes rectangulaires et empilés en formes « EI » ou carrées (« □ »). En théorie, pour minimiser les courants de Foucault, des feuilles plus fines et des bandes plus étroites donnent de meilleurs résultats. Cela réduit non seulement les pertes par courants de Foucault et l'augmentation de la température, mais permet également d'économiser des matériaux en acier au silicium. Cependant, dans la fabrication pratique, d’autres facteurs doivent être pris en compte. L’utilisation de feuilles trop fines ou étroites augmenterait considérablement les heures de travail et réduirait la section transversale effective du noyau. Par conséquent, lors de la fabrication de noyaux de transformateur en acier au silicium, les ingénieurs doivent peser le pour et le contre en fonction de conditions spécifiques afin de sélectionner les dimensions optimales.

Les transformateurs sont construits sur le principe de l’induction électromagnétique. Deux enroulements – un enroulement primaire et un enroulement secondaire – sont enroulés autour de branches fermées à noyau de fer. Lorsqu'une tension alternative est appliquée à l'enroulement primaire, un courant alternatif circule, établissant une force magnétomotrice (MMF). Sous l'influence de ce MMF, un flux magnétique principal alternatif est généré au sein du noyau. Ce flux principal traverse simultanément les enroulements primaire et secondaire. En raison de l'induction électromagnétique, des forces électromotrices (CEM) sont générées dans les deux enroulements. Le mécanisme d'augmentation ou de diminution de la tension peut être expliqué par la loi de Lenz : le flux magnétique généré par le courant induit s'oppose toujours à la modification du flux magnétique d'origine. Lorsque le flux initial augmente, le flux induit agit dans le sens opposé. Cela signifie que le flux magnétique induit dans l'enroulement secondaire s'oppose au flux principal produit par l'enroulement primaire, ce qui entraîne une tension alternative transformée aux bornes de l'enroulement secondaire. Ainsi, le noyau de fer sert de circuit magnétique au transformateur, tandis que les enroulements forment son circuit électrique.

2. Classification des structures de base du transformateur

Noyaux de fer de type coque et noyau
La partie du noyau de fer qui abrite les enroulements est appelée « branche du noyau », tandis que la partie qui n'abrite pas les enroulements et sert uniquement de chemin magnétique est appelée « joug ». Si le noyau de fer entoure les enroulements, il est appelé noyau de type coque ; si les enroulements entourent les branches du noyau, on parle de noyau de type noyau. Bien que les deux présentent des caractéristiques distinctes, les processus de fabrication dictés par leurs conceptions structurelles diffèrent considérablement, ce qui rend difficile le basculement entre eux une fois choisis. En Chine, la plupart des noyaux de transformateur utilisent la structure de type noyau empilé.

L'acier au silicium est couramment utilisé pour les transformateurs basse fréquence. En fonction des processus de fabrication, ils sont divisés en :
A. Recuits (feuilles noires)
N. Non recuits (feuilles blanches)

En fonction de leur forme, ils sont classés en types EI, UI, C et Square (□).

• Type carré (□) : souvent utilisés dans les transformateurs haute puissance, ils offrent une excellente isolation, une dissipation thermique facile et un chemin magnétique court. Ils sont principalement utilisés pour les transformateurs d'une puissance supérieure à 500 ~ 1 000 W.

• Type CD : se compose de deux tôles d'acier au silicium de type C. Pour les transformateurs de type CD avec des sections transversales identiques, une hauteur de fenêtre plus grande équivaut à une plus grande capacité de puissance. Étant donné que les bobines peuvent être installées des deux côtés du noyau, le nombre total de tours peut être réparti sur deux bobines. Cela réduit la longueur moyenne de tour par bobine, réduisant ainsi les pertes de cuivre. De plus, le fait de placer des bobines symétriques sur des bobines séparées permet d'obtenir une symétrie parfaite.

• Type ED : Composés de quatre tôles d'acier au silicium de type C, les transformateurs de type ED ont un profil plat et large. Sous la même puissance nominale, ils sont plus courts mais plus larges que les types CD. Étant donné que les bobines sont installées au centre de l'acier au silicium avec un chemin magnétique externe, le flux de fuite et les interférences globales sont minimes. Cependant, comme toutes les bobines sont enroulées sur une seule bobine épaisse, la longueur moyenne du tour est plus longue, ce qui entraîne des pertes de cuivre plus élevées.

• Type C : les transformateurs fabriqués à partir de noyaux de type C sont compacts, légers et très efficaces. Du point de vue de l'assemblage, les composants de type C sont peu nombreux et très polyvalents, ce qui conduit à une efficacité de production élevée. Cependant, le traitement de l’acier au silicium de type C implique de nombreuses étapes complexes et nécessite des équipements spécialisés, ce qui les rend actuellement plus coûteux.

• Type E (Type Shell / Type EI) : Son principal avantage est que les bobines primaire et secondaire partagent une bobine commune, ce qui donne un facteur d'espace de fenêtre élevé (le rapport entre la section transversale nette du fil de cuivre et la surface de la fenêtre). L'acier au silicium forme une coque protectrice autour des enroulements, évitant ainsi les dommages mécaniques. Il offre également une grande zone de dissipation thermique et de faibles champs magnétiques parasites. Cependant, il souffre d’une inductance de fuite plus élevée et d’une plus grande susceptibilité aux interférences magnétiques externes. De plus, en raison du périmètre moyen plus long des enroulements, les transformateurs de type EI nécessitent plus de fil de cuivre pour le même nombre de spires et la même section de noyau.

Épaisseur et méthodes d'empilage :
les épaisseurs courantes d'acier au silicium sont de 0,35 mm et 0,5 mm. Les méthodes d'assemblage comprennent l'empilage entrelacé et l'empilage bout à bout. L'empilement entrelacé alterne les extrémités ouvertes des feuilles sur les côtés opposés. Bien que fastidieux, il minimise les entrefers et la réluctance magnétique, maximisant ainsi le flux magnétique, ce qui le rend idéal pour les transformateurs de puissance. L'empilage bout à bout place les feuilles E et I sur les côtés opposés, laissant un espace d'air (ajusté via des inserts en papier) pour éviter la saturation causée par le courant continu (DC).

3. Types de bobines
Les bobines/noyaux sont divisés en trois catégories :
A. Noyau toroïdal : assemblé à partir de tôles en forme de O ou enroulé à partir de bandes d'acier au silicium. Le bobinage est assez difficile pour ce type.
B. Noyau de tige.
C. Noyau de tambour.

3. Classification des matériaux du noyau du transformateur

1. Catégorie haute fréquence : noyaux de poudre de fer et noyaux de ferrite
Les noyaux de ferrite sont utilisés dans les transformateurs haute fréquence. Ce sont des matériaux céramiques avec une structure cristalline spinelle, composés d'oxyde de fer et d'autres composés métalliques divalents (par exemple, kFe₂O₄, où « k » représente des métaux comme le manganèse (Mn), le zinc (Zn), le nickel (Ni), le magnésium (Mg) ou le cuivre (Cu)).
Les combinaisons courantes incluent les séries MnZn, NiZn et MgZn. Ces matériaux possèdent une perméabilité et une impédance élevées, fonctionnant efficacement de 1 kHz à plus de 200 kHz.

• Gamme de fréquences du noyau de ferrite : 18 kHz ~ 1 MHz et plus.

2. Catégorie basse fréquence : acier au silicium et alliages amorphes

• Gamme de fréquences du noyau en acier au silicium : 5 Hz ~ 1 kHz. Les transformateurs standard en acier au silicium fonctionnent généralement à 50 Hz. Bien que des fréquences plus élevées puissent améliorer l'efficacité en fonction de l'indice de Gauss de l'acier au silicium, les applications audio dépassant 20 kHz ne sont pas pratiques. La plage recommandée est de 50 à 60 Hz, bien qu’ils puissent fonctionner normalement entre 50 et 200 Hz.

• Gamme de fréquences à noyau amorphe : 2 kHz ~ 13 kHz.