De quoi est composé le noyau d’un transformateur ?

Le noyau de transformateur (également appelé noyau magnétique) est le composant central du circuit magnétique d'un transformateur. Le choix des matériaux influence directement le rendement, les pertes et les scénarios d'application du transformateur. En fonction de la fréquence de fonctionnement, des besoins en énergie et des facteurs de coût, les matériaux du noyau peuvent être classés selon les types suivants :

1. Traditionnel Tôles d'acier au silicium (Alliage Fe-Si) :​​

Composition:

Tôles d'acier laminées à froid avec une teneur en silicium comprise entre 0,8 % et 4,8 %, généralement d'une épaisseur de 0,35 mm ou moins.

Caractéristiques:

Induction magnétique à saturation élevée (Bs≈1,6–1,7T), adaptée aux scénarios de haute puissance à des fréquences de puissance (50/60 Hz).

Empilage laminé : des revêtements isolants sont appliqués entre les couches pour réduire les pertes par courants de Foucault. Cependant, ces pertes augmentent considérablement à hautes fréquences.

Applications :

Principalement utilisé dans les transformateurs de puissance et les noyaux de moteurs pour les équipements électriques basse fréquence et haute puissance.

2. Noyau de ferrite

Composition:

Ferrite de manganèse-zinc (MnZn) ou de nickel-zinc (NiZn), classée comme oxydes métalliques magnétiques frittés.

Caractéristiques:

Haute résistivité : réduit considérablement les pertes par courants de Foucault à hautes fréquences, adapté à une gamme de fréquences de 1 kHz à 1 MHz.

Densité de flux à faible saturation (Bs ≈<0,5 T), faible capacité de polarisation CC et sujet à la saturation magnétique.

Applications :

Largement utilisé dans les appareils électroniques tels que les alimentations à découpage (SMPS), les transformateurs haute fréquence et les inducteurs.

3. Noyaux de poudre magnétique métallique

Types :

Noyaux de poudre de fer

Noyaux en poudre de fer-silicium-aluminium (FeSiAl)

Noyaux de poudre à haut flux (HighFlux)

Noyaux en poudre de permalloy de molybdène (MPP).

Caractéristiques:

Forte capacité anti-saturation : réduit les courants de Foucault grâce à des particules magnétiques dispersées recouvertes d'isolant, ce qui le rend adapté aux scénarios de superposition CC.

Perméabilité moyenne (μe≈10—125) avec une gamme de fréquences de 10 kHz - 100 kHz.

Applications :

Largement utilisé dans les appareils de puissance à moyenne et haute fréquence tels que :

Inductances PFC (correction du facteur de puissance)

Inductances de filtrage.

4. Nouveaux matériaux d'alliage

Alliages amorphes

Composition:

Rubans amorphes à base de fer (par exemple, Fe₈₀B₁₀Si₁₀) ou de cobalt, caractérisés par une disposition atomique désordonnée.

Avantages :

Pertes de fer ultra-faibles (seulement 1/5 de l'acier au silicium), permettant des économies d'énergie significatives.

Limitation:

Magnétostriction importante (entraînant un bruit de fonctionnement plus élevé).

Applications :

Transformateurs de distribution à haut rendement énergétique.

Alliages nanocristallins

Structure:

Grains cristallins à l'échelle nanométrique (<50 nm) incorporé dans une matrice amorphe.

Avantages :

​Haute perméabilité et faibles pertes (supérieures aux ferrites à 50 kHz).

Forte résistance harmonique et excellente stabilité thermique (plage de fonctionnement : -40–120°C).

Applications :

Transformateurs haute fréquence et onduleurs photovoltaïques.

Systèmes d'entraînement électrique pour véhicules électriques (par exemple, modules OBC/DC-DC intégrés)

Facteurs clés dans la sélection des matériaux

​Fréquence de fonctionnement​

Basse fréquence (≤1 kHz) :

Acier au silicium ou alliages amorphes (par exemple, Fe₈₀B₁₀Si₁₀).

Haute fréquence (>10 kHz) :

Noyaux de ferrite (MnZn/NiZn) ou alliages nanocristallins.

Exigences en matière de pertes

​Perte de noyau la plus faible :

Alliages amorphes/nanocristallins.

Optimisation des pertes haute fréquence :

Ferrites.

Coût et processus

Rentabilité et maturité :

​Acier au silicium.

Coût initial élevé avec un retour sur investissement à long terme :

Alliages amorphes/nanocristallins.