Les dispositifs électromagnétiques comme les moteurs et les transformateurs reposent sur des courants électriques qui génèrent des champs magnétiques, lesquels peuvent à leur tour alimenter un courant par eux-mêmes. Ce n’est pas toujours une bonne chose.
Les moteurs électriques et les transformateurs sont des dispositifs industriels courants. Les transformateurs se trouvent à l’extérieur et à l’intérieur de l’alimentation électrique principale d’une installation et sont souvent installés dans des armoires électriques pour réduire davantage la tension. Les moteurs, bien sûr, se trouvent également sur presque toutes les machines à mouvement électrique.
Un thème commun à ces deux dispositifs est qu’ils fonctionnent sur le principe de l’induction électromagnétique. Un courant circulant dans une bobine de fil magnétise un noyau en fer, ce qui, dans le cas du transformateur, génère son propre courant dans une bobine secondaire. Dans le cas d’un moteur, ce champ magnétique force la rotation du centre de l’appareil (le rotor).
C’est idéal en théorie, car la conduction électrique de la bobine est complètement isolée du noyau en fer, nous ne nous attendons donc pas à voir un courant dans le fer lui-même. Mais en faisant cette hypothèse, nous oublions le concept de « courants de Foucault ».
Figure 1. Le rotor d’un moteur. Ce rotor, bien que hors service depuis longtemps et rouillé, est créé en fer afin de répondre à la magnétisation des bobines du moteur.
Qu’est-ce qu’un courant de Foucault ?
Ces noyaux en fer solides, également appelés noyaux « ferreux » à cause de l’appellation du fer dans le tableau périodique (Fe), emmagasinent de l’énergie lorsqu’ils sont magnétisés par un courant alternatif. Lorsque l’onde alternative s’effondre et s’inverse, l’énergie est libérée de deux manières. Dans un moteur, l’énergie est convertie en mouvement du rotor. Dans un transformateur, l’énergie devient le courant dans le circuit de la bobine secondaire.
Cependant, s’il y a une possibilité pour le noyau de libérer son énergie stockée dans un autre morceau de métal conducteur à proximité, il essaiera certainement de le faire.
Ce courant qui circule dans des éléments ferreux voisins est appelé courant de Foucault, et il apparaît à l’intérieur même du noyau en fer. La libération du champ magnétique tente de faire circuler un courant dans un petit circuit à l’intérieur du fer lui-même, qui est un métal conducteur. Les courants de Foucault peuvent également apparaître dans des morceaux de métal près du transformateur ou du moteur, c’est pourquoi la mise à la terre est si cruciale, même en l’absence de pannes de câblage.
Pourquoi les courants de Foucault sont-ils si mauvais ?
Lorsqu’un petit circuit se ferme à l’intérieur du noyau en fer lui-même, plusieurs résultats négatifs en découlent.
Efficacité réduite
Ce premier problème est qu’il consomme simplement plus d’énergie. L’efficacité de l’ensemble du système électrique est réduite ; il y a un coût lié à l’augmentation de la consommation d’énergie et à la taille accrue des composants pour accueillir l’énergie d’entrée supplémentaire nécessaire pour alimenter à la fois la charge et le courant de Foucault dans le noyau. Une partie du champ magnétique alimente la charge, mais une autre est maintenant détournée vers le courant de Foucault, nécessitant ainsi un courant d’entrée plus important.
Figure 2. Le noyau d’un transformateur dans lequel un courant peut circuler avec très peu de résistance, mais suffisamment pour générer de la chaleur et gaspiller de l’énergie.
Surchauffe
Cependant, peut-être plus important encore, est l’augmentation de température, qui est un effet cumulatif et peut être catastrophique pour le dispositif. Si un circuit de courant de Foucault est induit, le courant passe par la résistance du fer. La résistance du fer est assez faible mais reste plus de 7 fois celle du cuivre. Cela signifie que le courant total dans un circuit de Foucault sera relativement élevé, mais la résistance provoquera une dissipation de l’énergie qui se manifestera sous forme de chaleur.
Comme le dispositif n’est pas conçu pour refroidir le rotor (ou le noyau du transformateur), il continuera simplement à chauffer, tirant de plus en plus de courant à travers la bobine pour maintenir la charge opérationnelle jusqu’à ce qu’un disjoncteur/fusible se déclenche, ou que l’isolation de la bobine commence à surchauffer et à fondre.
Stratifications : prévenir les courants de Foucault
La réponse aux courants de Foucault est assez simple, bien que plus difficile à fabriquer.
Le fer ferreux du noyau est d’abord découpé en plusieurs fines tranches. Ces tranches sont réassemblées avec un revêtement de vernis ou de papier qui forme une barrière isolante entre chaque tranche. L’isolation empêche l’achèvement d’un circuit électrique. Cependant, la quantité totale de fer dans le noyau reste la même qu’auparavant, ce qui lui permet de stocker la même énergie magnétique.
Figure 3. Ce transformateur a un noyau en fer stratifié pour bloquer l’écoulement des courants de Foucault.
De très petits circuits de Foucault peuvent encore être induits dans chaque tranche, mais l’épaisseur de chaque couche détermine combien d’énergie sera perdue à cause des courants de Foucault. En fait, la perte due au courant de Foucault est proportionnelle au carré de l’épaisseur de la couche, ce qui signifie que si la couche est réduite d’un facteur 2, les pertes seront réduites d’un facteur 4. Quelle épaisseur est trop fine ? Le coût de fabrication devient la limite, donc la plupart des couches d’un noyau en fer moderne ont une épaisseur comprise entre 0,25 et 0,5 mm.
Orientation des stratifications et règle de la main droite
En physique, de nombreuses forces naturelles suivent une « règle de la main droite », qui est en réalité un moyen pratique d’illustrer comment deux forces relationnelles, telles que le courant et le magnétisme, tendent à s’influencer mutuellement dans la nature.
Pour comprendre pourquoi cela fait une différence dans le noyau d’un moteur ou d’un transformateur, regardez l’image suivante.
Figure 4. La ‘règle de la main droite’ est appliquée à ce transformateur.
Tout d’abord, le courant de la bobine primaire magnétise le noyau en fer, qui est la grande structure stratifiée autour du transformateur. L’énergie emmagasinée dans le noyau est représentée par mes doigts repliés. En conséquence, cette énergie magnétique tentera de forcer un courant à circuler dans la direction du pouce de la main droite (d’où la « règle de la main droite »).
Comme vous pouvez le voir, les tranches de stratification sont perpendiculaires à la direction du pouce. Cela signifie que la couche d’isolation empêchera le flux de courant alors que le champ magnétique (et la direction de mon pouce) change rapidement de direction.
Minimiser les pertes d’énergie
Nous pensons souvent à l’efficacité comme un objectif de durabilité, mais c’est en réalité bien plus que cela. Une conception soigneuse des composants comme les noyaux de moteurs et les transformateurs peut réduire les pertes d’énergie par la chaleur. Bien que cela soit excellent pour les initiatives de durabilité, cela entraîne également des coûts d’exploitation réduits, une durée de vie plus longue des équipements et d’énormes économies de temps d’arrêt, un grand avantage pour toute l’organisation.