Comment réduire le flux de fuite dans les transformateurs ?
— Applications du laminage d'acier au silicium, des anneaux de blindage en cuivre et des matériaux de remplissage d'espace magnétique

Dans la transmission d'énergie et les appareils électroniques, les transformateurs jouent un rôle essentiel. Cependant, le flux de fuite généré pendant le fonctionnement des transformateurs non seulement réduit leur rendement, mais provoque également des interférences électromagnétiques (IEM), des surchauffes localisées et du bruit. Selon les statistiques de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les pertes des transformateurs de distribution mondiaux représentent environ 2 à 3 % de la production totale d'électricité, le flux de fuite y contribuant de manière significative. Cet article explore trois techniques de suppression du flux de fuite éprouvées à l'échelle internationale : la stratification d'acier au silicium, les anneaux de blindage en cuivre et les applications de remplissage d'entrefer magnétique, vous aidant à optimiser la conception de vos transformateurs pour une efficacité et une fiabilité accrues.

1. Dangers et causes des fuites de flux

Les transformateurs utilisent le couplage magnétique pour le transfert d'énergie. Idéalement, le flux magnétique devrait être entièrement confiné dans le noyau. En réalité, cependant, une partie du flux « fuite » dans l'espace environnant, formant un champ magnétique de fuite. Les risques liés au flux de fuite incluent :

● Augmentation des pertes :Le flux de fuite induit des courants de Foucault dans les composants structurels, entraînant des pertes d'efficacité importantes.

● Surchauffe localisée :Les courants de Foucault génèrent de la chaleur dans les pièces métalliques (par exemple, les pinces, les réservoirs), accélérant ainsi le vieillissement de l'isolation.

● Interférences électromagnétiques (EMI) :Le flux de fuite à haute fréquence perturbe les appareils électroniques à proximité.

● Vibrations et bruits mécaniques : Les forces de fuite alternées provoquent des vibrations du noyau et de la structure.

La cause principale du flux de fuite est la réluctance magnétique du circuit magnétique. Lorsque la perméabilité du noyau est insuffisante ou que le circuit magnétique est discontinu (par exemple, aux jonctions du noyau ou aux extrémités des enroulements), le flux a tendance à se diffuser vers l'extérieur. Les normes internationales comme la norme CEI 60076 imposent des exigences strictes en matière de pertes et d'échauffement des transformateurs, rendant le contrôle du flux de fuite essentiel à la conformité.

2. Solutions de base : principes et applications

● Laminage d'acier au silicium : Optimisation du circuit magnétique principal
Le noyau est le principal support du champ magnétique. L'acier au silicium à grains orientés (CRGO) laminé à froid de haute qualité offre une perméabilité extrêmement élevée et de faibles pertes unitaires (W/kg). Son revêtement isolant (par exemple, un revêtement C5), formé lors du recuit à haute température, bloque efficacement les courants de Foucault interlaminés.

●Mise en œuvre et effets :

(1) Flux de guides à haute perméabilité :L'acier CRGO de qualité supérieure (par exemple, nuance 30QG120) a une perméabilité initiale supérieure à 1900 μ, bien supérieure à celle de l'acier ordinaire (~ 200 μ), réduisant considérablement la réticence et confinant davantage de flux dans le noyau.

(2) Le revêtement à faible perte réduit les courants de Foucault :Le revêtement isolant perturbe les chemins conducteurs entre les tôles, limitant ainsi les courants de Foucault aux tôles individuelles et réduisant considérablement les pertes. Les valeurs de perte sont conformes à la norme ASTM A976.

(3) Techniques d'empilement de précision : Step-lap ou 45° sources. Les systèmes d'empilage automatisés garantissent des coutures étanches.

(4) Applications mondiales : Les réseaux électriques européens utilisent largement de l'acier au silicium de haute qualité (à faible perte) (par exemple, 23ZDKH90) combiné à un recuit de noyau avancé (par exemple, CAB), augmentant l'efficacité des grands transformateurs de puissance.

● Anneaux de blindage en cuivre : lutte active contre les fuites d'extrémité   

Les extrémités des enroulements des transformateurs sont des zones de flux de fuite élevé. Le cuivre, très conducteur, génère des courants de Foucault (loi de Faraday) sous flux de fuite alternatif. Ces courants de Foucault produisent un champ magnétique inverse, compensant partiellement la fuite initiale.

● Mise en œuvre et effets :

(1) Placement précis :Les anneaux sont installés à proximité des enroulements haute tension ou des zones de culasse (zones de fuite les plus fortes), avec des formes correspondant aux extrémités des enroulements et un espacement optimisé via la simulation EM (par exemple, ANSYS Maxwell).

(2) Blindage contre les courants de Foucault :Densité de courants de Foucault    

 génère un contre-flux ΔB∝J, réduisant la densité de flux de fuite locale de 30 à 50 %.

(3) Pertes structurelles inférieures :Coupures de fuite supprimées     pertes par courants de Foucault dans les cuves et les pinces, répondant aux normes IEC 61378 pour les pertes accessoires.

● Remplisseurs d'espaces magnétiques : sceller les « espaces » magnétiques

Les minuscules espaces d'air au niveau des joints du noyau ont une réluctance beaucoup plus élevée que l'acier au silicium (perméabilité à l'air μ0≈1.257×10−6H/m, acier au siliciumμr>40,000 XNUMX). Les charges magnétiques comblent ces lacunes, créant des chemins à faible réluctance.

Mise en œuvre et effets :

(1)  Charges à haute perméabilité :

Les charges modernes combinent des bases époxy/polyuréthane avec > 80 % de poudre ferromagnétique (par exemple, fer réduit, carbonylfer), ce qui permet d'obtenir

μr=50−100.

(2)  Réticence articulaire réduite : réticence de l'entrefer

(3) Suppression du bruit : les charges durcies améliorent la rigidité du noyau, réduisant les vibrations de magnétostriction de 5 à 10 dB(A).

Tableau 1 : Comparaison des techniques de suppression des flux de fuite

En résumé

Un contrôle efficace du flux de fuite est essentiel pour optimiser l'efficacité, prolonger la durée de vie et respecter les normes environnementales mondiales (par exemple, la directive européenne ErP). Le laminage d'acier au silicium renforce le circuit magnétique principal, les anneaux de cuivre annulent activement les fuites d'extrémité et les charges magnétiques scellent les points faibles. Ces techniques peuvent être utilisées indépendamment ou combinées pour des résultats optimaux. En exploitant leurs propriétés physiques et en respectant les normes CEI/IEEE, les concepteurs peuvent atténuer les risques de flux de fuite et créer des transformateurs efficaces, silencieux et fiables, leaders de la transition énergétique mondiale.

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