Les transformateurs fonctionnent selon les principes de l'induction électromagnétique, comprenant deux enroulements ou plus et un noyau de fer (ou d'air). Lorsqu’un courant alternatif circule dans l’enroulement primaire, il génère un champ magnétique variable. Ce champ induit une force électromotrice dans l'enroulement secondaire selon la loi d'induction de Faraday. La transformation de tension se produit grâce à des ajustements du rapport de rotation des enroulements.

La loi de Faraday stipule que la force électromotrice induite dans un circuit fermé est égale au taux négatif de variation du flux magnétique à travers le circuit :

ε = -N dΦ/dt

Où ε représente la force électromotrice induite, N désigne les tours de bobine et Φ signifie le flux magnétique.

• Enroulements :Bobines de fils isolés générant et recevant une force électromotrice, comprenant des circuits primaires (entrée) et secondaires (sortie).
• Cœur:Matériau à haute perméabilité guidant le flux magnétique pour améliorer l’efficacité du couplage et minimiser la perte d’énergie.
• Isolation:Matériaux diélectriques empêchant les courts-circuits et les courants de fuite.
• Enceinte:Boîtier de protection offrant support mécanique et dissipation thermique.

Les noyaux de transformateur remplissent trois objectifs essentiels :

1. Guidage du flux magnétique :Les matériaux à haute perméabilité concentrent le flux à travers les enroulements, améliorant ainsi l'efficacité du couplage.
2. Support d'enroulement :Fournit une intégrité structurelle pour empêcher la déformation de la bobine.
3. Réduction des pertes :La conception et les matériaux optimaux du noyau minimisent les pertes par courants de Foucault et par hystérésis, améliorant ainsi l'efficacité.

Il existe trois types de noyaux principaux en fonction de la composition des matériaux :

Principalement utilisés dans les systèmes électriques, ils utilisent de fines tôles d'acier au silicium.

• Perméabilité magnétique élevée pour un guidage efficace du flux
• Faible coercivité réduisant les pertes par hystérésis
• Résistivité élevée minimisant les courants de Foucault

Des tôles d'acier isolées sont empilées pour réduire davantage les pertes par courants de Foucault en restreignant les chemins de circulation.

• Haute efficacité (généralement 95-99%)
• Grande capacité de traitement de puissance (gamme mégawatts)
• Fabrication rentable

• Dimensions physiques volumineuses
• Un poids important
• Mauvaises performances haute fréquence

Systèmes de transport et de distribution d’énergie, notamment :

• Centrales de production d'électricité (augmentation de la tension)
• Sous-stations (abaisseur de tension)
• Équipement industriel lourd

Ceux-ci manquent de matériaux ferromagnétiques et reposent uniquement sur un couplage magnétique d’enroulement.

• Isolation électrique supérieure
• Pertes de noyau négligeables
• Construction légère
• Excellente réponse en haute fréquence

• Efficacité réduite en raison du couplage inférieur
• Capacité de puissance limitée
• Susceptibilité aux interférences magnétiques externes

Applications spécialisées nécessitant :

• Adaptation d'impédance du circuit RF
• Isolation du signal de l'équipement audio
• Appareils de détection de champ magnétique

Ceux-ci utilisent des matériaux céramiques ferrites (composites d'oxyde de fer avec du nickel, du manganèse ou du zinc).

• Haute perméabilité avec stabilité de fréquence
• Résistivité extrêmement élevée
• Faibles pertes haute fréquence
• Formes de fabrication polyvalentes

• Taille compacte
• Masse réduite
• Fonctionnement haute fréquence supérieur
• Bonne efficacité haute fréquence

• Densité de flux de saturation inférieure
• Performances sensibles à la température
• Coûts de matériaux plus élevés

Systèmes électroniques et de communication comprenant :

• Alimentations à découpage
• Isolation du signal des appareils électroniques
• Suppression des interférences RF
• Onduleurs haute fréquence

La sélection de base consiste à évaluer :

• Exigences de candidature :Les systèmes électriques donnent la priorité à l’efficacité et à la capacité, tandis que l’électronique met l’accent sur la taille et la réponse en fréquence.
• Fréquence opérationnelle :Les noyaux laminés conviennent aux fréquences électriques (50/60 Hz), les ferrites excellent à kHz-MHz et les noyaux à air gèrent les fréquences les plus élevées.
• Objectifs d’efficacité :Les applications critiques sur le plan énergétique nécessitent des matériaux à faibles pertes.
• Contraintes physiques :Les appareils portables nécessitent des conceptions compactes et légères.
• Considérations thermiques :Les propriétés des matériaux doivent rester stables quelles que soient les températures de fonctionnement.
• Exigences CEM :Certaines applications nécessitent des interférences électromagnétiques minimisées.

Les tendances émergentes comprennent :

• Matériaux avancés :Alliages nanocristallins et amorphes offrant des propriétés magnétiques supérieures.
• Optimisation de la conception :Modélisation informatique pour un couplage magnétique amélioré et des pertes réduites.
• Intégration intelligente :Capteurs intégrés pour une surveillance des performances en temps réel.
• Miniaturisation :Noyaux compacts pour appareils électroniques portables.
• Adaptation haute fréquence :Cœurs prenant en charge les fréquences de commutation de l’électronique de puissance.

Les cœurs de transformateur déterminent fondamentalement les performances des appareils en termes de paramètres d’efficacité, de taille, de poids et de coût. Les transformateurs en fer laminé, à noyau d'air et en ferrite servent chacun à des applications distinctes. Une sélection optimale nécessite une analyse minutieuse des exigences opérationnelles et des conditions environnementales. Les innovations continues en matière de matériaux et de conception promettent des performances améliorées pour répondre à l’évolution des demandes en matière d’alimentation et de systèmes électroniques.