Brevet FR2498804A1 — publié le 19820730

La présente invention se rapporte à un noyau feuilleté de transformateur. Une tôle d'acier au silicium à grains orientés, utilisée pour le noyau feuilleté d'un transformateur, a comme caractéristique générale que les propriétés magnéti- ques, c'est-à-dire les pertes et la perméabilité, sont bon- nes dans la direction de laminage de la tôle mais se dété- riorent quand on s'écarte de cette direction. Les noyaux d'un transformateur usuel sont expli- qués en référence aux figures 1 et 2, qui représentent respectivement la structure du noyau d'un transformateur triphasé et monophasé. Etant donné que l'acier au silicium à grains orientés possède la caractéristique générale exposée ci- dessus, la structure d'un noyau feuilleté de transforma- teur est conçue pour faire coïncider autant que possible la direction d'aimantation du noyau avec la direction de laminage, abaissant ainsi autant que possible les pertes dans le noyau. Sur les figures 1 et 2 les flèches doubles indiquent la direction de laminage, tandis que les numéros de référence 1-2 et 3-4 désignent respectivement les bran- ches et culasses du noyau du transformateur. Le terme "branche(s)" utilisé ici désigne une partie du noyau munie d'un bobinage, tandis que le terme culasse(s)" utilisé ici désigne une partie du noyau qui relie des branches entre elles. Dans le noyau du transformateur monophasé repré- senté à la figure 2, les directions de laminage et d'ai- mantation coïncident réellement entre elles. Par contre, dans le noyau du transformateur triphasé représenté à la figure 1, les directions de laminage et d'aimantation coïncident effectivement entre elles dans les branches 1 et 2, mais les culasses 3 et 4 sont inévitablement aiman- tées dans une direction s'écartant de la direction de laminage. En conséquence, les excellentes propriétés magné- tiques que possède le matériau du noyau de transformateur dans la direction de laminage sont pleinement utilisées dans le noyau du transformateur monophasé pour réduire les pertes, tandis que la susceptibilité aux pertes du noyau du transformateur triphasé ne peut pas refléter les excellentes propriétés magnétiques ci-dessus mentionnées. Ces faits signifient qu'il existe une tendance selon laquelle l'accroissement de la qualité magnétique dans le sens du laminage ne peut agir ni directement, ni propor- tionnellement, pour améliorer les pertes d'un noyau de transformateur triphasé. Cette tendance se manifeste davan- tage dans une tôle d'acier au silicium à forte orientation, avec des propriétés magnétiques tout à fait excellentes dans le sens de laminage, que dans une tôle d'acier au silicium d'orientation relativement faible, c'est-à-dire d'un acier au silicium à grains orientés de la façon cou- rante. L'expression "une tôle d'acier au silicium à forte orientation", ici utilisée, désigne une tôle d'acier au silicium qui présente les caractéristiques suivantes: d'une part, une structure cristalline dite de Goss ou l'orientation (110) f0011 ayant le plan (110) -exprimé par l'indice de Miller- parallèle au plan de laminage, et ayant aussi l'une des orientations {0011 -c'est-à-dire l'axe de facile aimantation- alignée parallèlement à la direction de laminage; et d'autre part, un degré d'aligne- ment des grains tel que leur écart de l'orientation idéale {0011 n'excède pas 3 . L'induction magnétique B8 pour un champ H d'aimantation de 800 A/m, qui représente le degré d'orientation des grains, est au moins égale à 1,88 teslas (T), et de préférence égale ou supérieure à 1,89 T, dans la tôle d'acier-au silicium à forte orientation. En complé- ment, l'expression ici utilisée "la tôle d'acier au sili- cium de type courant à orientation relativement faible" désigne une tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une valeur de B8 inférieure aux valeurs ci-dessus mentionnées, généralement 1,86 T ou moins. On a fabriqué un noyau classique de transforma- teur mono ou triphasé, à partir de pièces de tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant un degré identique d'induction magnétique. Les tôles d'acier au silicium, à forte orientation, ou de type courant à orientation relativement faible, n'ont pas été utilisées en combinai- son dans un noyau de transformateur selon la technique connue. Comme indiqué plus haut, les propriétés magnéti- ques d'une tôle d'acier au silicium à grains orientés se détériorent en s'écartant de la direction de laminage, et cette détérioration est plus grande quand le degré d'orien- tation des grains dans la structure de Goss est plus élevé. En conséquence, quand on utilise la tôle d'acier au sili- cium à forte orientation pour le noyau du transformateur triphasé, il est difficile d'obtenir une réduction des pertes aussi remarquable que l'on espérait par rapport au noyau utilisant la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible. C'est ce que montre le tableau 1 ci-après. La tôle d'acier au silicium à forte orientation (degré G6H) et la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible (degré G9) sont utilisées pour chacun des noyaux de transforma- teur monophasé et triphasé, fabriqués selon les méthodes d'empilage des figures 2 et 1, et le tableau 1 indique les pertes, ainsi que le rapport des pertes du transformateur triphasé à celles du transformateur monophasé. On peut estimer que ce rapport représente une propriété d'orienta- tion du matériau du noyau. TABLEAU 1 N.B. Les symboles W10/60, W5/60 et W17/60 signifient que les mesures ont été respectivement faites avec des inductions de 1,0 - 1,5 et 1,7 T et & une fréquence de 60 Hz. ru o0 Co Pertes Pertes du transformateur du transformateur Degré Epaisseur triphasé monophasé Rapport des pertes de de la l'acier tôle (m) (W/kg) (W/kg) triphasé/monophasé l'acier_ tlw /60 W 5/60 W /60 w 1/60 W16 w 7/60 w 1/60 W l/60 W /60 G6H 0,30 0,556 1,264 1,605 0,469 1,069 1,370 1,185 1,182 1,171 G9 0,30 0,560 1,299 1,782 0,485 1,130 1,556 1,155 1,150 1,145 Comme le montre le tableau 1, les pertes dans le noyau triphasé sont nettement basses quand le noyau est fait de tôle d'acier au silicium à forte orientation (G6H). Toutefois, le rapport des pertes "triphasé/mono- phasé" de la tôle d'acier au silicium à forte orientation (G6H) est plus élevé -donc moins bon- que celui de la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relati- vement faible (G9). En effet, les excellentes propriétés magnétiques de la tôle d'acier au silicium à forte orien- tation ne peuvent pas être pleinement utilisées pour la réduction des pertes d'un transformateur triphasé. La présente invention a pour but de fournir un noyau de transformateur, composé de pièces de tôle d'acier au silicium, feuilletées, à grains orientés et ayant de faibles pertes, dans lequel on peut pleinement utiliser, pour la réduction des pertes, les excellentes propriétés magnétiques de la tôle dans la direction de laminage. En particulier, le transformateur doit avoir un rendement élevé. Conformément à la présente invention, un noyau feuilleté d'un transformateur comprend une tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orientation plus forte pour les branches, et une tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orientation plus faible pour les culasses. Dans la présente invention, des couches au moins individuellement feuilletées comprennent au moins une branche faite d'une tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orientation plus forte, les culasses étant faites d'une tôle d'acier au silicium à grains orien- tés ayant une orientation plus faible. La tôle d'acier au silicium d'orientation plus forte est de préférence la tôle d'acier au silicium à forte orientation, tandis que la tôle d'acier au silicium plus faiblement orientée est de préférence la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible. Dans le noyau feuilleté d'un transformateur rele- vant de la présente invention, o les tôles d'acier au silicium à grains orientés d'orientations plus fortes et plus faibles sont utilisées en combinaison, on peut obte- nir des pertes équivalentes ou inférieures à celles de noyaux utilisant seulement la tôle d'acier au silicium fortement orientée. En outre, les excellentes propriétés magnétiques d'une tôle d'acier au silicium, à grains orien- tés dans la direction de laminage, peuvent être représen- tées ou utilisées dans le domaine des pertes, au moins autant que dans le noyau de transformateur utilisant seulement la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible. Si l'on compare la pré- sente invention avec la technique connue utilisant seule- ment la tôle d'acier au silicium à forte orientation, on peut dire que la présente invention fournit un noyau de transformateur avec un rendement élevé, équivalent ou supérieur à celui utilisant seulement la tôle d'acier au silicium à forte orientation. Si la présente invention est comparée avec la technique connue de n'utiliser que la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible, on peut dire que cette tôle est rem- placée seulement en partie et non entièrement par la tôle d'acier au silicium à forte orientation. Il serait surpre- nant, à cause du remplacement partiel, de procurer des pertes équivalentes ou même supérieures à celles du rempla- cement total. Dans une réalisation de la présente invention, le transformateur est triphasé, et au moins l'une des branches mais de préférence toutes celles du noyau du transformateur sont faites de tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orientation plus forte. Dans les couches feuilletées o les tôles d'acier au silicium à plus forte et plus faible orientation, comme indiqué ci-dessus, ne sont pas utilisées en combinaison, on utilise des tôles d'acier au silicium à grains orientés de degré ou orientation identiques. Cependant, selon une réalisation préférable de la présente invention, toutes les couches feuilletées sont faites en combinant les tôles d'acier au silicium à grains orientés, ayant des orientations plus fortes et plus faibles, comme décrit ci- dessus. La présente invention est expliquée ci-après au moyen d'exemples, dans lesquels toutes les couches feuille- tées sont faites par les tôles d'acier au silicium à grains orientés, ci-après expliquées. Exempte 1 Une tôle d'acier au silicium à forte orientation (degré G6H) ayant la valeur B8 de 1,94 tesla a été utili- sée pour les branches 1 et 2 du transformateur triphasé représenté à la figure 1. Une tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible (degré G9) ayant la valeur B8 de 1,85 T a été utilisée pour les culas- ses 3 et 4.-Les deux tôles d'acier ci-dessus mentionnées sont simplement ci-après désignées respectivement par leurs degrés G6H et G9. Le format 'b/a" de la fenêtre dans la figure 1 était de 3,67. Exempte 2 Le G6H a été utilisé pour les branches 1, et le G9 a été utilisé pour les autres portions du noyau, c'est- à-dire la branche 2 et les culasses 3 et 4. Exempte 3 (exemple comparatif) Le G9 a été utilisé pour les branches 1 et 2, tandis que le G6H était employé pour les culasses 3 et 4. Les pertes des Exemples ci-dessus sont données dans le tableau 2 ci-après. Dans ce tableau, les noyaux suivants du transformateur monophasé sont représentés à la figure 2: (A) G6H et G9 ont été respectivement employés pour les branches 1 et les culasses 2; (B) G9 et G6H ont été respectivement employés pour les branches 1 et les culasses 2. Les résultats de (A) et (B) ci-dessus sont aussi donnés respectivement en correspondance aux Exemples 1 et 3. En outre, les rapports des pertes du transformateur triphasé à celles du transformateur monophasé (triphasé/monophasé) sont donnés dans le tableau 2. TABLEAU 2 Pertes du transformateur triphasé (W/kg) w15/60 1,243 1,258 1,290 w10 /60 0,545 0,551 0,558 W17/60 1,599 1,657 1,720 Pertes du transformateur monophasé (W/kg) w 15/60 1,082 w17/60 1,411 w10 /60 0,479 0,485 Rapport des pertes triphasé/monophasé w15/60 1,149 w10 /60 1,138 1,112 1,503 1,151 1,160 N.B. Voir la note au bas du tableau 1. r0 CO Co Co is. Exemples Epaisseur de la tôle (mm) 0,30 0,30 0,30 W 17/60 1,133 1,144 D Il ressort des tableaux 1 et 2 les faits suivants: A. Les pertes du transformateur triphasé de l'Exemple 1 ne sont pas moins bonnes que celles du trans- formateur triphasé employant seulement G6H (tableau 1). Une appréciable réduction des pertes W 1/60 et W15 /60 aux inductions magnétiques basse et moyenne,- comparées aux pertes du tableau 1, est obtenue dans l'Exemple 1. En outre, le rapport "triphasé/monophasé" dans l'Exemple 1 est pres- qu'au même niveau que celui de G9 du tableau 1. Cela signi- fie que les excellentes propriétés magnétiques de la tôle d'acier au silicium à forte orientation peuvent être repré- sentées ou utilisées pour la réduction des pertes d'un transformateur et sensiblement dans la même mesure que dans le noyau de transformateur utilisant seulement la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relative- ment faible. B. Les pertes du transformateur triphasé de l'Exemple 2 sont plus élevées que celles de l'Exemple 1. Dans l'Exemple 2, les pièces en G9 (la tôle d'acier au sili- cium de type courant à orientation relativement faible) sont employées en excès, et il en résulte que les pertes du noyau ne peuvent pas décroître à un très bas niveau. C. Les pertes du noyau du transformateur triphasé et le rapport "triphasé/monophasé' dans l'Exemple 3 sont à peu près au même niveau que pour G9 du tableau 1. Les faits donnés ci-dessus aux points A, B et C amènent à conclure que, si le noyau du transformateur est fait d'une combinaison de la tôle d'acier au silicium à forte orientation et de la tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible, il serait judicieux de ne pas utiliser la tôle à forte orientation pour les culasses, o l'on devrait employer la tôle à orientation relativement faible, afin de réduire efficace- ment les pertes du noyau du transformateur. Il est très recommandé d'utiliser la tôle de type courant à orientation relativement faible uniquement pour les culasses, et d'em- ployer la tôle à forte orientation pour les branches, com- me dans l'Exemple 1. Inversement, si une ou plusieurs bran- ches faites de tôle à forte orientation sont remplacées par de la tôle à orientation relativement faible, les pertes du noyau du transformateur augmentent. Dans la méthode d'empi- lage de l'Exemple 1, les excellentes propriétés de la tôle d'acier au silicium à forte orientation se répercutent sur les pertes d'un noyau de transformateur au moins autant que dans la méthode habituelle d'empilage o l'on emploie seu- lement la tôle d'acier au silicium de type courant à orien- tation relativement faible. De plus, les pertes W 15/60, aux inductions magnétiques basse ou moyenne, sont nettement plus fortes que les pertes W 15/60 de G6H données dans le Tableaul1 ce qui est particulièrement important dans le cas d'un trans- formateur conçu pour fonctionner à une induction magnétique -de l'ordre de 1,5 T par exemple- qui est inférieure à une induction élevée classique, par exemple de 1,7 T. Le poids relatif des culasses 3 et 4 par rapport au noyau est d'environ 35% quand le format "b/a' de la fend- tre dans la figure 1 est de 3,67. Etant donné que les culas- ses 3 et 4 peuvent être faites de tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible, matériau qui est moins coûteux que la tôle d'acier au silicium à forte orientation, il est possible de fabriquer les transformateurs à un prix avantageusement bas. REVEND ICAT IONS 1. Noyau feuilleté de transformateur, caractérisé en ce qu'au moins une couche individuelle feuilletée du noyau de transformateur comporte au moins une branche faite de tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orientation plus élevée, et en ce que les culasses sont faites de ladite tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orien- tation plus faible. 2. Noyau feuilleté de transformateur selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que ladite tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orientation plus élevée est une tôle d'acier au silicium à forte orientation, et ladite tôle d'acier au silicium à grains orientés ayant une orientation plus faible est une tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible. 3. Noyau feuilleté de transformateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit trans- formateur est un transformateur triphasé dont toutes les - branches du noyau sont faites de ladite tôle d'acier au sili- cium à grains orientés ayant une orientation plus élevée. 4. Noyau feuilleté de transformateur selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que la valeur de l'induction magnétique B8 de ladite tôle d'acier au silicium à forte orien- tation n'est pas inférieure à 1,89 T, et la valeur de l'induc- tion magnétique B8 de ladite tôle d'acier au silicium de type courant à orientation relativement faible n'excède pas 1,86 T. 5. Noyau feuilleté de transformateur selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que ladite couche minimale feuilletée s'étend à l'ensemble des couches du noyau feuil- leté.