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Chapitre I Rappel sur les matériaux pour les machines électriques :

Isolants ; Conducteurs ; Magnétiques

1. Intérêt des machines électriques

L'énergie électrique n'est pratiquement pas disponible directement dans la nature mais doit être obtenue à

partir d'autres formes d'énergie ; par exemple l'énergie chimique d'un combustible est transformée dans une

chaudière en énergie thermique emmagasinée dans la vapeur, puis convertie en énergie mécanique par une

turbine qui la transmet à une génératrice électrique accouplée, cette dernière restituant finalement de l'énergie

électrique au réseau.

Le stockage de " énergie dans une machine électrique peut se faire dans un champ magnétique (machines

électromagnétiques) ou électrique (machines électrostatiques). Pour les usages industriels, seule la première

forme a fait l'objet d'un développement continu et spectaculaire pour des raisons d'énergie spécifique ; en effet,

compte tenu des contraintes magnétiques électriques maximales admissibles dans les matériaux actifs usuels

; l'énergie spécifique emmagasinable dans l'entrefer d'une machine électromagnétique est environ 104 fois plus

élevée que celle d'une machine électrostatique comme le démontre le calcul suivant :

dans une machine électromagnétique, l'induction maximale dans l'entrefer dépasse rarement 1 T afin

de ne pas saturer exagérément le matériau ferromagnétique constituant le circuit magnétique. L'énergie

spécifique emmagasinée dans l'entrefer vaut ainsi : 2

5 3

0

7

0

13,9810 /

2

: 4 10

mag

BW J m

avec

dans une machine électrostatique fonctionnant dans l'air à pression atmosphérique, le champ électrique

maxima l admissible correspond au champ disruptif de l'air de l'ordre de 3 l06 V/m. L'énergie spécifique

emmagasinée dans l'isolant (air) vaut ainsi :

2 3

0

12

0

139,8 /

2

: 8,85 10 /

esW E J m

avec As Vm

𝜀0 : Permittivité du l’air.

Les valeurs précédentes conduisent ainsi au rapport précité :

410

mag

es

W

W

2. Constitution des Transformateurs et des Machines Electriques

2.1. Eléments constitutifs

Quel que soit le type de transducteur électromagnétique considéré, il comporte toujours deux genres

d'éléments actifs fondamentaux :

un circuit magnétique constitué d'un matériau ferromagnétique très perméable dont la fonction est de

canaliser le flux magnétique ;

2

des enroulements constitués d'un matériau bon conducteur, généralement du cuivre ou de l’aluminium,

dont la fonction est de canalise r le courant électrique ; les court s-circuits entre conducteurs et les fuites de

courant vers la masse sont pratiquement supprimés, à l'exception de très faibles composantes capacitives ou

de conduction. par une isolation interposée entre conducteurs voisins et entre conducteurs et masse.

Outre ces éléments actifs, toute machine électrique ou transformateur comporte des éléments mécaniques

tels que carcasse, arbre, paliers, cuve, etc.

1.2.2 Nature des circuits magnétiques

Lorsque le flux magnétique est constant ou lentement variable dans un tronçon du circuit, ce dernier peut

être réalisé dans un matériau massif (bloc) (fig.1). Pour des raisons économiques toutefois, les opérations de

poinçonnage et de découpage étant moins onéreuses (coûteuses) que l'usinage complet d'une pièce massive,

on réalise très souvent sous forme d'un empilage de tôles minces des circuits magnétiques traversés par un

flux constant.

Fig.1 Rotor massif de turbo-alternateur (BBC-Sécheron) Fig.2 Tôleries de moteurs de faibles puissances (Kienle-Spiess)

Fig.3 Circuit magnétique en tôles à cristaux orientés de transformateur (Brown Boveri).

3

Lorsque le flux va rie rapidement, par exemple sinusoïdalement en fonction du temps, à la fréquence du

réseau, l'élément de circuit magnétique concerné doit être obligatoirement feuilleté sous peine de voir

apparaître des pertes par courants de Foucault inadmissibles (fig.2 et 3).

2.2. Nature des enroulements

Les enroulements de transformateurs et les enroulements inducteurs de machines synchrones ou à courant

continu se présentent sous forme de solénoïdes à une ou plusieurs couches de spires concentriques (fig.4 et 5).

fig.4 Bobines de transformateur (BBC- Sécheron). Fig.5 Bobines d’excitation et de commutation d’un moteur de

traction monophasé à collecteur (Brown Boveri).

Ils sont disposés coaxialement aux noyaux du circuit magnétique (fig.6, 7) et dénommés enroulements

concentriques.

Fig.6 Montage des enroulements sur le noyau central d'un

transformateur monophasé (BBC Sécheron). Fig.7 Bobines inductrices montées sur les pôles d'un

alternateur (BBC-Sécheran).

Les enroulements statoriques ou rotoriques de machines synchrones, asynchrones ou à courant continu sont

répartis dans des encoches du circuit magnétique et sont constitués par la mise en série ou en parallèle de

bobines à une ou plusieurs spires en série (fig.8 et 9).

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Fig.8 Bobines d'un enroulement statorique distribué (contrôle

de forme sur gabarit avant isolation). Fig.9 Schéma de connexion des bobines d'un

enroulement distribué.

Le bobinage ainsi formé s'appelle un enroulement distribué (fig.10 et 11).

Fig. 10 Stator bobiné d'un moteur asynchrone prêt

à l'imprégnation (Brown Soveri).

Fig. 11 Enroulement inducteur de turbo-alternateur en cours de

montage (Brown Boveri).

Une variante très utilisée pour l'enroulement rotorique de moteurs asynchrones consiste à relier par des

anneaux de court- circuit des barres massives logées dans des encoches et à réaliser ainsi une cage (fig.12).

Fig.12 Enroulement à cage de moteur

asynchrone (BBC-Sécheron).

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3. Matériaux Magnétiques

Les matériaux sont classés selon quatre types sur la base de leur comportement en présence d’un champ

magnétique d’excitation :

1-les matériaux diamagnétiques, 2- les matériaux paramagnétiques, 3- les matériaux ferrimagnétiques, 4-

les matériaux ferromagnétiques

3.1. Processus d'aimantation

Les circuits magnétiques sont réalisés en matériaux

ferromagnétiques susceptibles de présenter une aimantation

macroscopique importante par alignement des moments des

domaines de Weiss sous l'action d'un champ magnétique

extérieur même relativement faible. La courbe

d'aimantation B = f (H) de ces matériaux présente deux types

de non-linéarités dues à la saturation et à l'hystérésis qui en

limitent les possibilités d'emploi et compliquent

passablement les calculs (fig.13).

Les matériaux entrant dans la constitution de circuits

magnétiques peuvent être classés en 2 grandes familles :

• Les matériaux magnétiques doux.

• Les matériaux magnétiques durs.

Le processus d'aimantation est identique mais les phénomènes de déplacement des parois de Bloch ou de

rotation des domaines de Weiss y participent de façon quantitativement différente. Les déplacements de parois

n'exigent que peu d'énergie et un matériau aimanté selon ce processus n'exige qu'un apport de champ extérieur

faible.

Au contraire, la rotation des domaines exige un apport d'énergie considérable et un matériau dans lequel ce

phénomène est mis en jeu se laisse difficilement aimanter et surtout désaimanter. Dans le premier cas, les

matériaux dits doux, sont facilement magnétisés et présentent des pertes par hystérésis faibles. Dans le second

cas, l'importance du champ nécessaire à l'aimantation des matériaux dits durs ne joue aucun rôle car cette

dépense d'énergie n'est à fournir qu'une seule fois, l’essentiel étant de conserver une aimantation rémanente

importante et durable. Cette propriété est utilisée pour la réalisation d'aimants permanents utilisés comme

inducteurs de machines synchrones ou à courant continu de faibles puissances. Les figures 14 et 15 illustrent

la différence d'allure des courbes d'aimantation d'un matériau doux, respectivement dur.

Fig.14 Courbe d'aimantation d'une tôle au silicium USS-

Dynamo M-22. Fig.15 Courbe de désaimantation d'un matériau pour

aimant permanent (Ticonal 900).

Fig.13 Courbe d'aimantation d'un matériau

ferromagnétique

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3.2. Matériaux magnétiques usuels

Parmi les matériaux magnétiques doux entrant dans la construction des machines électriques, on peut citer :

•les tôles dynamo en fer silicié dont l'usage est obligatoire pour des circuits traversés par un flux alternatif.

•la fonte grise utilisée pour la confection de jantes rotoriques d'alternateurs à faible vitesse accouplés à des

moteurs Diesel, dont la régulation exige un moment d'inertie des masses tournantes élevé (fig.16) ou pour la

réalisation de couronnes statoriques de machines à courant continu, à excitation shunt, dont l'auto-amorçage

est facilité par la rémanence importante de ce matériau;

Fig.16 Roue polaire en fonte grise d'un alternateur

entraîné par un moteur Diesel (BBC-Oerlikon). Fig.17 Roue polaire et pôles, en acier coulé d'un alternateur

entraîné par une turbine hydraulique (BBC-Sécheran).

•l'acier coulé dont les propriétés mécaniques excellentes sont mises à profit pour la construction d'anneaux

rotoriques d'alternateurs à vitesse d'emballement modérée, de couronnes inductrices de machines à courant

continu soumises à des chocs (moteurs de traction, de laminoirs) ou de pôles massifs d'alternateurs ou de

moteurs synchrones démarrant en asynchrone (fig.17);

Fig. 18 Rotor en acier forgé d'un turbo-alternateur (BBC-Sechcron).

•l’acier forgé : indispensable à la réalisation d'éléments du circuit magnétique soumis à des efforts

mécaniques très élevés, tels que les rotors de turbo-alternateurs à 2 ou 4 pôles (fig.18).

Les matériaux magnétiques durs servent à la réalisation d'aimants permanents inducteurs dans des machines

de faibles puissances. L'avantage de ne pas nécessiter de source de courant continu pour "excitation est

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toutefois contrebalancé par l'inconvénient d'une tension variant très sensiblement avec l'importance et la nature

de la charge. Les alliages les plus largement utilisés pour cet usage appartiennent à la famille des Allnico.

4. Matériaux Conducteurs

4.1. Résistivité électrique

La résistivité électrique p qui s'exprime en Ωm, conditionne les pertes ohmiques, c'est-à-dire la puissance

dissipée par effet Joule dans l'enroulement parcouru par un courant I : 2

:

P RI w

lavec R

s

Dans cette expression l représente la longueur totale de l'enroulement et s la section du conducteur.

Afin de réduire ces pertes, on utilise pour les enroulements

des métaux de résistivité aussi faible que possible,

disponibles dans la nature en quantité suffisante pour assurer

un coût industriellement supportable. Les métaux usuels

(cuivre, aluminium et leurs alliages) ont une résistivité dont

la variation en fonction de la température dans le domaine de

fonctionnement normal (entre 0 et 150 0c environ) est

supposée linéaire à partir d’une température fictive de

supraconductivité 𝜗𝑠(0C) fixée par les normes (fig.19).

La résistivité 𝜌1étant connue à la température 𝜗1, sa valeur

𝜌2 à 𝜗2, se calcule :

1 2 12

2 1 1 1 1

1 1 1

1 1ss

s s s

m

avec le coefficient de variation linéaire de la résistivité :

2 1

1

1

s

et

Les normes définissent un coefficient 𝛼0à partir d'une température de référence 𝜗0 =150C :

0

1

15s

Pour le cuivre :

0

235

0,004

s

La variation de la résistance avec la température est utilisée pour le calcul de l'échauffement moyen d'un

bobinage en charge. Soit Ra1la résistance à froid stabilisée à la température ambiante 𝜗𝑎1 et Rϑ la résistance

en charge pour une température ambiante 𝜗2. L'échauffement propre à la charge est donné par :

1 2 1 1

1 1

1 s a a a s a a

a a

R R

R R

Fig. 19

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4.2. Matériaux conducteurs usuels :

Le cuivre est, de loin, le matériau conducteur le plus utilisé dans les machines électriques et les

transformateurs. Sa conductivité n'est dépassée que par celle de l'al1gent. La qualité adoptée en

électrotechnique est dite électrolytique, raffinée à 99,9% minimum. Livré en lingots, il est façonné par étirage

ou laminage en fils ronds ou méplats, en barres ou en feuilles. Ces opérations provoquent un écrouissage qui

modifie les caractéristiques mécaniques du matériau. Pour la fabrication des enroulements, le fil est recuit afin

de le rendre maniable sur les tours à bobiner. Pour certains usages tels que les collecteurs ou les bagues

collectrices, on recherche au contraire un matériau à caractéristiques mécaniques élevées, résistant bien à

l'abrasion et aux contraintes centrifuges. On a recours alors à un cuivre dur, écroui à froid, auquel de faibles

additifs d'Ag ou de Be ( 0,5%) confèrent une bonne constance des propriétés mécaniques à chaud

(durcissement structural).

L'aluminium n'est utilisé pour la confection d'enroulements de machines qu'en période de pénurie de cuivre,

à l'exception des enroulements à cage injectés pour les rotors de moteurs asynchrones de petites et moyennes

puissances « 20 kW). Pour certaines applications, il est nécessaire de recourir à des matériaux conducteurs de

résistivité supérieure à celle du cuivre ou de l'aluminium ou de caractéristiques mécaniques élevées. Ils

appartiennent à la famille des laitons (alliage Cu -Zn) ou des bronzes (alliage Cu-Zn-Sn + additifs divers,).

Le tableau 2 fournit les principales caractéristiques physiques de matériaux conducteurs usuels.

5. Matériaux Isolants

5.1. Critères de choix d'un isolant solide

Parmi toutes les propriétés physiques d'un matériau isolant, le constructeur de machines électriques fait

intervenir en priorité :

• la rigidité diélectrique, exprimée en kV/mm, déterminante pour l'épaisseur du mur isolant.

•la conductivité thermique, exprimée en W/m0C, qui joue un rôle capital dans la transmission par

conduction de la chaleur due aux pertes ;

•les propriétés mécaniques qui conditionnent la tenue aux efforts apparaissant en service ou pendant la

fabrication ;

•l'endurance thermique vue sous l'angle de la stabilité de forme à chaud et du vieillissement.

D'autres propriétés telles que la résistivité électrique p, les pertes spécifiques, la permittivité ϵ

n'interviennent que dans des applications particulières. La mesure de l'angle de perte (tgδ) de l'isolation des

bobines d'alternateurs à haute tension sert, par exemple, de contrôle de qualité de la fabrication.

5.2. Matériaux isolants solides usuels

Le mica englobe de nombreuses formes de silicates minéraux, dont les cris taux présentent une orientation

préférentielle et se laissent facilement cliver. Le mica est un matériau unique en son genre par ses propriétés

électriques, mécaniques et chimiques et par le fait qu'il se présente dans la nature sous une forme directement

utilisable.

Les splittings de mica, minces, flexibles, combinent une rigidité diélectrique élevée, une résistivité

volumique et superficielle très importante, des pertes diélectriques très faibles. Le mica est infusible et

ininflammable. Son endurance thermique compte parmi les meilleures. Depuis 1945, le samica, ou papier de

mica, réalisé par calandrage d'une pâte de splittings microscopiques, s'est progressivement assuré le monopole

de l'isolation des enroulements des machines à haute tension.

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La fibre de verre entre dans la composition de plaques et de rubans isolants dont elle assure la tenue

mécanique. La fonction isolante est assurée par la résine d'imprégnation (époxyde, polyester, silicone, etc.).

Les rubans en fibre de verre servent de support aux splittings de mica ou au samica pour la réalisation des

isolations imprégnées sous vide au moyen de résines thermodurcissables (polymérisation). Cette technique est

utilisée dans toutes les machines électriques modernes à haute tension.

L'amiante, longtemps utilisé sous forme de rubans et de plaques pour sa remarquable endurance thermique,

a été reconnu comme un matériau très nocif (cancérigène) pour le personnel chargé de sa mise en œuvre et a

été avantageusement remplacé par la fibre de verre.

La cellulose, extraite du bois et du coton, entre dans la confection de papiers et de cartons. Sa stabilité

thermique est faible. Soigneusement séché et imprégné sous vide au moyen d'une huile minérale, le papier

constitue le mode d'isolement classique de tous les transformateurs à moyenne et haute tension.

Outre les matériaux "naturels" précités, le constructeur dispose d'un choix énorme de produits de synthèse

présentant des caractéristiques spécifiques déterminantes pour des usages particuliers.

5.3. Matériaux isolants liquides usuels

L'usage d'isolants liquides s'impose lorsqu'il faut remplir des interstices et évacuer des quantités importantes

de chaleur à travers des canaux de dimensions réduites. Ils jouent le rôle d’imprégnant d'isolants solides et

permettent d'augmenter très sensiblement la sollicitation diélectrique.

L'isolation des transformateurs consiste en papiers et cartons (boards) soigneusement séchés sous vide et

imprégnés à cœur au moyen de produits de raffinage du pétrole et du charbon (hydrocarbures purs) ou de

produits de synthèse. Toute la partie active du transformateur (circuit magnétique et enroulements) est

maintenue en permanence dans l'isolant liquide contenu dans la cuve.

5.4. Matériaux isolants gazeux usuels

Les gaz sont utilisés normalement comme fluide caloporteur pour la ventilation des machines électriques.

Par certaines de leurs propriétés physiques, ils interviennent toutefois également dans la tenue diélectrique du

matériel.

Dans les machines électriques autres que les turbo-alternateurs et compensateurs synchrones de grandes

puissances, le refroidissement est assuré par une circulation d'air. Entre les conducteurs sous tension et la

masse, l'isolement est assuré par des matériaux isolants solides et par de l'air, souvent en couches minces. Vu

la faible permittivité de l'air, la contrainte diélectrique peut dépasser souvent le seuil d'effluves et provoquer,

par ionisation, la formation d'ozone. Il appartient au constructeur d'éliminer par des dispositions adéquates

(traitement anti-effluves) le risque de destructions locales, du fait de l'apparition d'effluves et d'un agent

chimique aussi actif que l'ozone.

Le refroidissement par circulation d'hydrogène est utilisé pour toutes les machines de grandes puissances

il faibles polarités (turbo-alternateurs à 2 et 4 pôles, compensateurs synchrones) afin de réduire les pertes par

frottement et ventilation grâce à la faible masse volumique de ce gaz et d'augmenter la puissance spécifique

de la machine grâce à l'amélioration sensible des échanges thermiques par conduction et convection forcée,

par rapport à un refroidissement par air.

L'azote est utilisé exceptionnellement pour le refroidissement de certaines machines fonctionnant dans des

atmosphères à haut risque d'explosion.

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5.5. Classe des isolants

Les pertes d’énergie électrique et mécanique dans les machines électriques se produisent par la

transformation de ces formes d’énergie thermique, ce qui échauffe certaines parties de la machine. Pour assurer

la fiabilité des machines électriques, l’échauffement des différentes parties de la machine doit être limité. La

tâche la plus difficile et la plus importante sont d’assurer la bonne tenue de l’isolation des enroulements ; pour

cette raison la charge admissible d’une machine est déterminée tout d’abord par la température admissible des

isolants utilisés. « Tableau.1 ». La température admissible pour laquelle sont assurées la rigidité diélectrique,

la résistance mécanique et la stabilité thermique de l’isolation (capacité de conserver ses propriétés sans

modifications importantes pendent 15 à 30 années), dépend des classes des isolants utilisés.

Tableau.1 Classe des isolants

Classe Température

limite Constitution

y 90°C Fibreux en cellulose et soie non imprégnés et non plongée dans un isolant liquide.

A 105°C Fibreux en cellulose ou soie imprégnés, ou plongés dans un isolant liquide.

E 120°C Pellicules organiques synthétiques.

B 130°C à base de mica et de fibre de verre utilisés avec des liants organiques.

F 155°C à base de mica, et de fibre de verre combinés avec des liants et des compositions

d’imprégnation synthétiques.

H 180°C à base de mica et de fibre de verre utilisés en combinaison avec les silicones.

C Plus de 180°C Le mica, les céramiques, le verre, quartz utilisé sans liants organiques.

Fin.