Fer doux

Ces matériaux possèdent un champ coercitif inférieur à 1 000 A/m[1], pour rappel il s'agit de la valeur qu'un champ extérieur doit dépasser pour inverser la direction du flux magnétique dans le matériau.

Les fers doux sont des matériaux magnétiques doux qui s'opposent aux matériaux magnétiques durs qui servent à réaliser des aimants permanents et qui ne se démagnétisent donc pas. Le cycle d'hystérésis du fer doux est beaucoup plus étroit que celui de ces derniers, cela permet de réduire les pertes par hystérésis dans le cas où le flux magnétique change de sens périodiquement comme dans les transformateurs, les générateurs et les moteurs électriques. Les pertes fer rencontrées dans ce type d'application sont également constituées de pertes par courant de Foucault qu'il convient également de réduire en augmentant la résistance électrique du fer aux fréquences utilisées (typiquement 50 Hz pour le réseau électrique). Cela est réalisé grâce à l'ajout de silicium et d'aluminium dans l'alliage de fer très pur à la base[1]. Dans le cas de flux à plus haute fréquence, l'usage de ferrite est à privilégier.

On remarque au début du XX^e siècle que l'ajout de silicium dans l'acier permet de limiter les pertes par courants de Foucault dans les transformateurs. Cependant, cela rend l'acier friable et cette proportion doit être maintenue en dessous de 4 %. On commence à utiliser ce type d'acier en 1906. L'épaisseur des tôles, produite par lamination à chaud, est alors de 0,35 mm. Dans les années 1920, on découvre que les aciers laminés à froid contenant du silicium sont anisotropes, on ne fait toutefois usage de cette propriété qu'à partir de 1934. En 1939, la première tôle à grains orientés d'une épaisseur de 0,32 mm est commercialisée. Ses pertes sont largement réduites par rapport à celles des aciers laminés à chaud[2] - [3].

En 1965, Nippon Steel invente l'acier à grain orienté haute perméabilité (Hi-B) qui réduit par 3 les pertes dans la direction du flux. Sa commercialisation débute en 1968. Le même groupe commence à utiliser le laser pour améliorer les propriétés des aciers électriques en 1980. En 1983, on atteint des épaisseurs de tôle de 0,23 mm[2] - [3].

Alors qu'ils ont été développés au départ pour l'industrie automobile dans les années 1970 par AlliedSignal, les aciers amorphes sont également connus depuis la seconde moitié des années 1970 pour leurs propriétés magnétiques qui les rendent utilisables pour les transformateurs de distribution[2] - [3].

Surface d'une tôle à grains orientés. On distingue clairement la structure cristalline

La tôle magnétique avec une production mondiale annuelle d'environ 10 millions de tonnes est en quantité et en valeur le matériau magnétique doux le plus produit. Elles sont divisées en trois catégories : les tôles magnétiques à grains orientés, celles à grains non-orientés et les tôles amorphes. Les premières servent dans les transformateurs, les secondes dans les générateurs et moteurs, les troisièmes dans certains transformateurs de distribution récents[4]. Les tôles orientées ont été inventées en 1934 par l'américain Norman P. Goss. Elles sont quasiment toujours réalisées à base d'un alliage de fer, de silicium et d'aluminium, par laminage[1].

La présence des courants de Foucault dissuade en effet l'utilisation de bloc massif pour réaliser les noyaux magnétiques des appareils électriques. Pour réduire ces pertes, il est préférable d'utiliser un noyau divisé en fines lamelles isolées électriquement les unes des autres et assemblées ensemble[1].

Afin d'avoir des ordres de grandeurs au niveau des propriétés magnétiques on peut écrire qu'une tôle basique pour générateur IV a un champ magnétique maximal de 1,2 tesla, tandis qu'un design plus élaboré permet d'atteindre des valeurs de 1,75 tesla.

Noyau de fer, de forme dite E-I à 3 colonnes

Dans un noyau magnétique standard les tôles sont pressées entre elles. Par le passé, elles étaient recouvertes d'un côté d'une couche de papier, de nos jours c'est une couche de phosphate ou de laque qui permet l'isolation entre tôles[5]. L'épaisseur des tôles à grains non orientés se trouve en général entre 0,5 mm et 0,65 mm. Pour les tôles à grains orientés l'épaisseur standard va de 0,23 mm pour les transformateurs à hauts rendements à 0,35 mm[1].

Pour de plus hautes fréquences des tôles de 0,35 mm sont utilisées. Pour les noyaux de formes circulaires des tôles encore plus fines sont employées.

Beaucoup de noyaux utilisent des tôles de forme « E-I »[1]. L'avantage de cette découpe est qu'il n'y a quasiment pas de chute, on réalise en effet 2 E et 2 I dans une grande tôle. Les tôles peuvent être assemblées dans le même sens, mais plus souvent montées tête-bêche à chaque couche pour réduire l'entrefer.

• (de) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en allemand intitulé « Weichmagnetische Werkstoffe » (voir la liste des auteurs).
• (de) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en allemand intitulé « Elektroblech » (voir la liste des auteurs).

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (de) Hans Fischer, Werkstoffe in der Elektrotechnik, Munich, Vienne, Carl Hanser Verlag, 1982 (ISBN 3-446-13553-7)
• (en) Pavlos S. Georgilakis, Spotlight on modern transformer design, Dordrecht, Springer, 2009, 427 p. (ISBN 978-1-84882-666-3)
• (en) Martin J. Heathcote, J&P Transformer Book, Oxford, Elsevier, 2007 (ISBN 978-0-7506-8164-3, lire en ligne), p. 46-53.
• (en) K. Karsai, D. Kerényi et L. Kiss (trad. du hongrois), Large power transformers, Amsterdam, Elsevier, 1987, 614 p. (ISBN 0-444-99511-0).
• (de) Günter Springer, Fachkunde Elektrotechnik, Wuppertal, Europa-Lehrmittel, 1989 (ISBN 3-8085-3018-9)