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Une des parties les plus importantes d’un transformateur est le noyau. En effet, il représente la partie du circuit magnétique d’un transformateur. En cas de défaillance du noyau, l’ensemble du transformateur sera hors d’usage et des défaillances pourront faire courir des risques.
Le noyau se retrouve généralement entouré des enroulements primaires ou secondaires du transformateur dans lequel il se positionne. Le noyau, en fer, se compose le plus souvent d’une feuille d’acier au silicium d’une épaisseur de 0,35 mm associé à un isolant de surface. Deux parties forment le noyau de fer : la culasse de fer et la colonne. Les enroulements recouvrent la colonne et la culasse sert de connecteur au noyau pour créer un circuit magnétique fermé.
Pour limiter les problèmes de décharge, le noyau et les matériaux métalliques avoisinants comme les anneaux de pression ou les pinces doivent être reliés à la terre en un unique point. Pour les gros transformateurs et aussi pour permettre de faciliter la recherche de défauts ou les tests, la pince et le noyau en fer ressortent vers la terre par deux douilles.
Quand on ouvre le couvercle d’un transformateur, la colonne du noyau de fer se retrouve empilée avec de multiples feuilles d’acier au silicium. Retenez qu’un transformateur fonctionne suivant le principe de l’induction électromagnétique. En effet, il n’existe pas de connexion électrique, de branchement direct entre les enroulements secondaires et primaires au sein d’un transformateur à triple ou double enroulement. Le lien s’effectue par un flux électromagnétique (φ). Le transformateur permet avec l’aide de son noyau de proposer un courant à tension adaptée.
Le potentiel induit dans les deux enroulements reste toujours proportionnel au tour W1 du primaire et W2 du secondaire, ainsi qu’à la fréquence variable et au flux magnétique. En fonction de la fréquence, le flux magnétique doit s’adapter. Selon les modifications des flux, la loi d’Ohm doit être respectée. Elle correspond à UM = φ Rm, avec UM pour la pression magnétique en A, Rm pour la réluctance du circuit magnétique en A/Wb et enfin φ pour le flux magnétique du circuit en Wb. Le produit du courant d’excitation (potentiel magnétique) et du nombre de tours de l’enroulement primaire permet d’obtenir la pression magnétique dans le circuit magnétique ou UM. De cette formule si importante, il est possible de conclure que vu que la pression magnétique est proportionnelle à la réluctance du circuit, le courant d’excitation l’est également. Pour simplifier, plus la réluctance du circuit magnétique est grande et plus le courant d’excitation l’est aussi.
Comme les matériaux ferromagnétiques possèdent une faible réluctance, la présence de fer dans le noyau est à privilégier. Cela réduit la taille du transformateur, mais également augmente son rendement. En cas d’absence de fer au sein du noyau du transformateur, il existera une fuite de flux magnétique importante. De plus, une partie du flux magnétique de l’enroulement primaire n’accèdera pas au secondaire ayant pour conséquence une chute de tension de charge et une détérioration de charge pour le transformateur.
Dans la majorité des cas, le noyau d’un transformateur est formé de noyaux en ferrite. Cette matière se compose d’acier au silicium avec une combinaison de silicium d’une teneur oscillant entre 0,8 et 4,8 %. La présence d’acier au silicium au sein du noyau du transformateur permet d’obtenir une grande intensité d’induction magnétique. En effet, l’acier au silicium possède une grande capacité de travail magnétique et avec sa présence dans la bobine électromagnétique enfichable, il agit fortement.
Malheureusement, il existe tout de même une perte de puissance dans le noyau. Cette dernière est nommée « perte de fer » causée par une perte par courants de Foucault et une perte par hystérésis. La résistance de la bobine électromagnétique créée une perte de puissance qui s’associe à cette perte de fer avec la magnétisation du noyau.
On parle de perte par hystérésis lorsque la perte de fer est causée avec la présence d’une hystérésis au sein du processus de magnétisation au niveau du noyau d’un transformateur. Cette perte reste proportionnelle au calibre de la surface totale encadrée par la boucle d’hystérésis de la matière première.
Pour diminuer cette perte d’hystérésis, il suffit d’avoir un noyau avec une boucle d’hystérésis de l’acier au silicium relativement étroit. Ainsi, la perte d’hystérésis générée au sein du noyau du transformateur sera plus faible. Alors, cela permettra de diminuer le niveau de chaleur du transformateur.
Vu l’importance de l’acier au silicium dans un transformateur, pourquoi ne compose-t-il pas d’un seul bloc le noyau du transformateur ? C’est essentiellement à cause du risque de pertes par courants de Foucault. En effet, en fonctionnement, un courant alternatif passe au sein de la bobine électromagnétique du transformateur. Le flux électromagnétique provoqué a tendance à évoluer alternativement. Ce dernier avec ses modifications génère des courants au sein du noyau du transformateur, ce sont les courants de Foucault.
Un vortex se crée qui correspond au courant induit à l’intérieur du noyau du transformateur et qui se diffuse dans le plan de la bissectrice verticale de l’axe du flux magnétique. Les différentes pertes engendrées par les courants de Foucault ont tendance à augmenter la température du noyau. Pour limiter les pertes dues aux courants de Foucault, la présence d’isolation est nécessaire au sein du noyau en ferrite. Ainsi, le vortex créé reste dans une boucle de contrôle et la déperdition est limitée. Pour augmenter encore plus la préservation du système, la section transversale est plus petite. Ainsi, la résistance sur le canal du vortex est étendue. Enfin, la présence de silicium avec l’acier qui augmente la résistance de la matière première permet aussi de réduire le vortex.
Pour se protéger au mieux des différentes pertes, le noyau en ferrite est laminé à froid avec une épaisseur d’environ 0,35 mm. Généralement et en fonction des spécificités requises pour le transformateur, le noyau en ferrite est sectionné en différents fragments pour ensuite être empilé en forme de « bouche » ou de « japonais ». Pour augmenter l’effet bénéfique du noyau en ferrite, plus ce dernier est fin, et plus le vortex sera réduit. Alors, les pertes par courants de Foucault seront minimisées, la température au sein du noyau sera diminuée et une économie de conception sera réalisée avec un besoin moindre en matériaux.
Il est donc très important pour un fonctionnement optimal d’un transformateur et l’optimisation maximale du rôle du noyau que ce dernier soit en ferrite. Il apporte de nombreux avantages comme vus précédemment, mais permet aussi une meilleure résistance du transformateur et donc un fonctionnement prolongé. Cela permet aussi de réduire la surface nécessaire pour le noyau et donc de gagner de place au sein du transformateur. La conception d’un noyau de transformateur nécessite donc la présence d’un noyau en ferrite pour augmenter la qualité de fonctionnement de ce dernier et de se prémunir de nombreuses pertes occasionnées par le champ magnétique et les courants présents.
Un transformateur est conçu selon les règles électromagnétiques. En effet, il existe deux enroulements, le primaire et le secondaire qui s’articule autour d’un noyau fermé au sein du transformateur. Dès lors que le courant alternatif s’articule dans l’enroulement primaire, un potentiel magnétique se crée. Alors, le flux magnétique du noyau se modifie alternativement. Le flux principal et le flux magnétique engendré se croisent et se lient au sein du noyau. Une force électromotrice est induite par le rebobinage au sein du noyau. Ce dernier subit une pression et est alors pressé.
Pour déterminer cette force et cette pression, il faut utiliser la loi de Lenz. Le flux magnétique circulaire n’est plus modifié, car il est bloqué par le flux magnétique engendré par le courant induit. Si le flux d’origine est fort, le flux causé par le courant induit sera permuté par rapport au flux magnétique original.
Pour simplifier, le rebobinage crée un flux magnétique induit qui est à l’inverse du flux magnétique principal engendré par le bobinage originel. Alors une faible tension apparait dans le rebobinage. Le noyau à un rôle capital au sein du transformateur et sa surveillance doit rester important tout au long de l’utilisation du transformateur. Il joue donc un rôle crucial dans les transferts de flux électromagnétique.
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