Magnétostriction et transformateurs

Vous êtes-vous déjà trouvé à proximité d'un transformateur électrique ? Vous avez probablement remarqué un bourdonnement à basse fréquence. Ce n'est rien de plus qu'une gêne mineure, mais ce son est la signature audible d'un effet physique très intéressant : la magnétostriction. Cet effet est important, non seulement pour comprendre le fonctionnement des transformateurs, mais aussi pour les questions liées à l'efficacité, à la conception et au choix des matériaux dans le domaine de l'ingénierie électrique.

Comprendre la magnétostriction

Lamagnétostriction est une propriété des matériaux ferromagnétiques où un changement d'aimantation entraîne une déformation mécanique ; le matériau se dilate ou se contracte légèrement lorsque les domaines magnétiques s'alignent sur un champ magnétique appliqué. En général, les noyaux des transformateurs sont constitués de tôles d'acier au silicium qui sont très fortement magnétiques et donc sujettes aux effets de la magnétostriction.

Lorsqu'un courant alternatif circule dans la bobine primaire du transformateur, il crée un champ magnétique alternatif dans le noyau. Les domaines magnétiques de l'acier se déplacent et s'alignent de manière répétée sur le champ changeant ; cette expansion et cette contraction répétées du matériau se produisent à une fréquence deux fois supérieure à celle de l'alimentation en courant alternatif. Si l'alimentation électrique standard est de 60 Hz en Amérique, le noyau d'acier vibre à 120 Hz et développe le bourdonnement caractéristique.

Des domaines microscopiques aux bruits audibles

À l'échelle microscopique, il s'agit du mouvement des parois des domaines : les domaines magnétiques sont de petits volumes dans lesquels tous les moments magnétiques atomiques sont orientés dans une seule direction. Lorsque la direction du champ externe est modifiée, les domaines tournent ou se déplacent en réponse et, sous cet effet, d'infimes changements se produisent dans les dimensions du réseau cristallin du matériau de base. Bien que chaque changement individuel soit minuscule - moins de 0,1 % de déformation - l'effet net sur un grand noyau de transformateur peut être suffisant pour produire des vibrations de ses tôles de fer.

Ces vibrations sont transmises à la cuve en acier du transformateur et à la structure qui l'entoure, qui servent également de corps de résonance amplifiant le son. Il en résulte le ronflement si courant dans les habitations, les bureaux et les installations industrielles. L'intensité du ronflement peut varier en fonction de la taille du transformateur, de la construction du noyau et même de la qualité des matériaux de montage et d'isolation.

Facteurs matériels et magnétostriction

Les noyaux de transformateurs ne ronronnent pas tous de la même manière. L'importance de la magnétostriction varie en fonction des facteurs suivants

1. la composition du matériau du noyau : L'acier électrique standard contient environ 3 % de silicium qui, tout en augmentant la résistivité et en réduisant les pertes par courants de Foucault, modère la magnétostriction. Des teneurs en silicium plus élevées permettent généralement d'obtenir des tensions magnétostrictives plus faibles et donc un fonctionnement plus silencieux.

2. Orientation du grain : L'acier au silicium à grains orientés, communément appelé GOSS, est fabriqué de manière à ce que les axes cristallographiques s'alignent sur la direction du flux magnétique ; il minimise donc les pertes et les vibrations mécaniques.

3. Épaisseur des tôles : Les tôles minces - environ 0,35 mm pour les transformateurs standard - réduisent les courants de Foucault et répartissent plus uniformément les effets magnétostrictifs.

4. Montage mécanique : Le serrage et l'amortissement appropriés des tôles et de la cuve réduisent la transmission des vibrations et, partant, le ronflement audible.

Implications techniques

La magnétostriction n'est pas seulement une curiosité acoustique ; elle a des conséquences pratiques en matière d'ingénierie. Les vibrations induites par la magnétostriction peuvent entraîner :

- des contraintes mécaniques : L'expansion et la contraction répétées peuvent finir par fatiguer les boulons, les tôles ou l'isolation au fil du temps.

- Des pertes d'énergie : Même si elle est faible, une partie de l'énergie est convertie de l'électrique au mécanique et finalement en chaleur ou en son, ce qui réduit légèrement l'efficacité du transformateur.

- Pollution sonore : Le ronflement des transformateurs dans les zones urbaines peut devenir un facteur d'irritation et une question de réglementation, surtout dans le cas des grands transformateurs de distribution.

Ces effets sont réduits par l'utilisation de noyaux à faible bruit, de meilleurs matériaux d'amortissement et de techniques de laminage améliorées par les ingénieurs. Certains transformateurs modernes utilisent également des noyaux en métal amorphe ; leur structure atomique désordonnée permet de réduire considérablement la magnétostriction, d'où un fonctionnement plus silencieux et plus efficace.

Pour en savoir plus : Énergie magnétothermoélectrique : principes de base et applications

Mesure et modélisation de la magnétostriction

Les ingénieurs et les chercheurs étudient la magnétostriction à l'aide de jauges de contrainte, de la vibrométrie laser et de la méthode des éléments finis. Ces outils permettent de mesurer la déformation magnétostrictive et l'amplitude des vibrations avec une grande précision, ce qui permet d'optimiser la conception du noyau avant la fabrication. Par exemple, la méthode des éléments finis permet de simuler la manière dont les modifications de l'épaisseur de la stratification, de la géométrie du noyau ou de la composition de l'alliage affectent les vibrations et le bruit audible.

Au-delà des transformateurs

La magnétostriction ne se limite pas aux transformateurs. Elle joue un rôle dans les moteurs électriques, les capteurs, les actionneurs et les dispositifs sonar, où les effets magnétostrictifs contrôlés sont exploités pour obtenir des mouvements mécaniques précis. La compréhension de la magnétostriction dans les transformateurs permet de concevoir d'autres dispositifs utilisant le couplage magnétique-mécanique.

Conclusion

Le bourdonnement familier d'un transformateur est bien plus qu'un simple bruit de fond ; c'est la manifestation audible de la magnétostriction, un réarrangement microscopique des domaines magnétiques qui produit des vibrations macroscopiques. En étudiant les propriétés des matériaux, la conception des noyaux et les stratégies de montage, les ingénieurs peuvent réduire le ronflement, améliorer l'efficacité et prolonger la durée de vie des transformateurs.

La magnétostriction nous rappelle que même dans le domaine des sons prosaïques, il existe souvent une base scientifique intrigante, qui relie discrètement la science des matériaux, la physique et l'ingénierie électrique d'une manière importante mais discrète. La prochaine fois que vous entendrez le bourdonnement d'un transformateur, rappelez-vous : ce n'est pas seulement du bruit, c'est de la physique à l'œuvre. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).