Acier électrique - Electrical steel
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Les aciers électriques ( acier de laminage , un acier électrique au silicium , l' acier au silicium , l' acier de relais , en acier de transformateur ) est un fer alliage adapté à produire spécifiques magnétiques propriétés: faible hystérésis zone entraînant une faible perte de puissance par cycle, une faible perte de noyau et une haute perméabilité .
L'acier électrique est généralement fabriqué en bandes laminées à froid de moins de 2 mm d'épaisseur. Ces bandes sont découpées pour former des tôles qui sont empilées pour former les noyaux laminés des transformateurs , ainsi que le stator et le rotor des moteurs électriques . Les tôles peuvent être découpées à leur forme finie à l'aide d'un poinçon et d'une matrice ou, en plus petites quantités, peuvent être découpées par un laser ou par électroérosion à fil .
Métallurgie
L'acier électrique est un alliage de fer qui peut contenir de zéro à 6,5% de silicium (Si:5Fe). Les alliages commerciaux ont généralement une teneur en silicium allant jusqu'à 3,2 % (des concentrations plus élevées entraînent une fragilité lors du laminage à froid). Le manganèse et l' aluminium peuvent être ajoutés jusqu'à 0,5%.
Le silicium augmente la résistivité électrique du fer d'un facteur 5 environ ; ce changement diminue les courants de Foucault induits et rétrécit la boucle d'hystérésis du matériau, réduisant ainsi la perte de noyau d'environ trois fois par rapport à l'acier conventionnel. Cependant, la structure des grains durcit et fragilise le métal ; ce changement affecte négativement la maniabilité du matériau, en particulier lors du laminage. Lors de l'alliage, la contamination doit rester faible, car les carbures , les sulfures , les oxydes et les nitrures , même dans des particules aussi petites qu'un micromètre de diamètre, augmentent les pertes par hystérésis tout en diminuant la perméabilité magnétique . La présence de carbone a un effet plus néfaste que le soufre ou l'oxygène. Le carbone provoque également un vieillissement magnétique lorsqu'il quitte lentement la solution solide et précipite sous forme de carbures, entraînant ainsi une augmentation de la perte de puissance au fil du temps. Pour ces raisons, le niveau de carbone est maintenu à 0,005% ou moins. Le niveau de carbone peut être réduit par recuit de l'alliage dans une atmosphère décarburante , telle que l' hydrogène .
Acier relais fer-silicium
| Type d'acier | Composition nominale | Description alternative |
|---|---|---|
| 1 | 1,1% Si-Fe | Fer à noyau de silicium "A" |
| 1F | 1,1% d'usinage sans Si-Fe | Fer à noyau de silicium "A-FM" |
| 2 | 2,3% Si-Fe | Fer à noyau de silicium "B" |
| 2F | 2,3% d'usinage sans Si-Fe | Fer à noyau de silicium "B-FM" |
| 3 | 4.0% Si-Fe | Fer à noyau de silicium "C" |
Exemples de propriétés physiques
- Point de fusion : ~1 500 °C (exemple pour ~3,1% de silicium)
- Densité : 7 650 kg/m 3 (exemple pour 3% de silicium)
- Résistivité (teneur en silicium de 3 %) : 4,72×10 −7 ·m (à titre de comparaison, résistivité du fer pur : 9,61×10 −8 ·m)
Orientation du grain
L'acier électrique fabriqué sans traitement spécial pour contrôler l'orientation des cristaux, l' acier non orienté , a généralement un taux de silicium de 2 à 3,5% et a des propriétés magnétiques similaires dans toutes les directions, c'est-à-dire qu'il est isotrope . L'acier laminé à froid à grains non orientés est souvent abrégé en CRNGO.
L' acier électrique à grains orientés a généralement une teneur en silicium de 3% (Si:11Fe). Il est traité de telle manière que les propriétés optimales soient développées dans le sens du laminage, grâce à un contrôle strict (proposé par Norman P. Goss ) de l'orientation cristalline par rapport à la feuille. La densité de flux magnétique est augmentée de 30% dans le sens de laminage de la bobine, bien que sa saturation magnétique soit diminuée de 5%. Il est utilisé pour les noyaux des transformateurs de puissance et de distribution , l'acier à grains orientés laminé à froid est souvent abrégé en CRGO.
Le CRGO est généralement fourni par les usines de production sous forme de bobines et doit être découpé en « lamelles », qui sont ensuite utilisées pour former un noyau de transformateur, qui fait partie intégrante de tout transformateur. L'acier à grains orientés est utilisé dans les grands transformateurs de puissance et de distribution et dans certains transformateurs de sortie audio.
CRNGO est moins cher que CRGO. Il est utilisé lorsque le coût est plus important que l'efficacité et pour les applications où la direction du flux magnétique n'est pas constante, comme dans les moteurs électriques et les générateurs à pièces mobiles. Il peut être utilisé lorsque l'espace est insuffisant pour orienter les composants afin de tirer parti des propriétés directionnelles de l'acier électrique à grains orientés.
Domaines magnétiques et parois de domaines en acier au silicium orienté (image réalisée avec CMOS-MagView)
Domaines magnétiques et parois de domaines en acier au silicium orienté (image réalisée avec CMOS-MagView)
Domaines magnétiques et parois de domaines en acier au silicium non orienté (image réalisée avec CMOS-MagView)
Acier amorphe
Ce matériau est un verre métallique préparé en versant un alliage fondu sur une roue refroidie en rotation, qui refroidit le métal à une vitesse d'environ un mégakelvin par seconde, si rapidement que les cristaux ne se forment pas. L'acier amorphe est limité à des feuilles d'environ 50 µm d'épaisseur. Les propriétés mécaniques de l'acier amorphe rendent difficiles l'emboutissage des tôles pour moteurs électriques. Étant donné que le ruban amorphe peut être coulé à n'importe quelle largeur spécifique inférieure à environ 13 pouces et peut être cisaillé avec une relative facilité, c'est un matériau approprié pour les noyaux de transformateurs électriques enroulés. En 2019, le prix de l'acier amorphe en dehors des États-Unis est d'environ 0,95 $/livre par rapport à l'acier à grains orientés HiB qui coûte environ 0,86 $/livre. Les transformateurs avec des noyaux en acier amorphe peuvent avoir des pertes de noyau d'un tiers de celles des aciers électriques conventionnels.
Revêtements de stratification
L'acier électrique est généralement revêtu pour augmenter la résistance électrique entre les tôles, réduire les courants de Foucault, offrir une résistance à la corrosion ou à la rouille et agir comme lubrifiant lors de la découpe . Il existe différents revêtements, organiques et inorganiques , et le revêtement utilisé dépend de l'application de l'acier. Le type de revêtement choisi dépend du traitement thermique des tôles, de l'immersion ou non de la tôle finie dans l'huile et de la température de fonctionnement de l'appareil fini. Très tôt, la pratique consistait à isoler chaque feuilletage avec une couche de papier ou un revêtement de vernis, mais cela réduisait le facteur d'empilement du noyau et limitait la température maximale du noyau.
La norme ASTM A976-03 classe différents types de revêtements pour l'acier électrique.
| Classification | La description | Pour Rotors/Stators | Traitement anti-adhérent |
|---|---|---|---|
| C0 | Oxyde naturel formé pendant le traitement de l'usine | Non | Non |
| C2 | Verre comme un film | Non | Non |
| C3 | Enduction d'émail ou de vernis organique | Non | Non |
| C3A | Comme C3 mais plus fin | Oui | Non |
| C4 | Revêtement généré par traitement chimique et thermique | Non | Non |
| C4A | Comme C4 mais plus fin et plus soudable | Oui | Non |
| C4AS | Variante antiadhésive de C4 | Oui | Oui |
| C5 | Haute résistance similaire à C4 plus charge inorganique | Oui | Non |
| C5A | Comme C5, mais plus soudable | Oui | Non |
| C5AS | Variante antiadhésive de C5 | Oui | Oui |
| C6 | Revêtement organique chargé inorganique pour les propriétés d'isolation | Oui | Oui |
Propriétés magnétiques
La perméabilité relative typique (μ r ) de l'acier électrique est 4 000 fois celle du vide.
Les propriétés magnétiques de l'acier électrique dépendent du traitement thermique , car l'augmentation de la taille moyenne des cristaux diminue la perte par hystérésis. La perte d'hystérésis est déterminée par un testeur Epstein standard et, pour les nuances courantes d'acier électrique, peut aller d'environ 2 à 10 watts par kilogramme (1 à 5 watts par livre) à 60 Hz et à une intensité de champ magnétique de 1,5 tesla .
L'acier électrique peut être livré à l'état semi-traité de sorte qu'après le poinçonnage de la forme finale, un traitement thermique final puisse être appliqué pour former la taille de grain de 150 micromètres normalement requise. L'acier électrique entièrement traité est généralement livré avec un revêtement isolant , un traitement thermique complet et des propriétés magnétiques définies, pour les applications où le poinçonnage ne dégrade pas de manière significative les propriétés de l'acier électrique. Un pliage excessif, un traitement thermique incorrect ou même une manipulation brutale peuvent nuire aux propriétés magnétiques de l'acier électrique et peuvent également augmenter le bruit dû à la magnétostriction .
Les propriétés magnétiques de l'acier électrique sont testées à l'aide de la méthode du cadre Epstein standard internationale .
La taille des domaines magnétiques dans la tôle d'acier électrique peut être réduite en traçant la surface de la tôle avec un laser ou mécaniquement. Cela réduit considérablement les pertes par hystérésis dans le noyau assemblé.
Applications
NGOES est principalement utilisé dans les équipements rotatifs, par exemple les moteurs électriques, les générateurs et les convertisseurs de surfréquence et haute fréquence. GOES, d'autre part, est utilisé dans les équipements statiques tels que les transformateurs.
Voir également
- Ferrosilicium , matériau de départ pour l'acier au silicium
Les références
Liens externes
- Vidéo de mouvement de domaine dynamique Fichier vidéo de YouTube
- Résumé des aciers au silicium