Économies d'énergie versus prix d'achat.

Sur le marché des bobinages inductifs, une tendance commence à se dessiner, contrairement aux concepts d’économie d’énergie de tous les grands pays : les bobinages en aluminium plutôt qu’en cuivre. Le grand avantage, outre le poids réduit, est le prix d’achat comparativement beaucoup plus bas de l’aluminium par rapport au cuivre.

De nombreux constructeurs de machines et d’équipements n’ont que le prix en tête, surtout en période de franc fort. L’efficacité énergétique ne doit pas intéresser sous la pression des prix, ou alors on économise du mauvais côté. Dans de nombreux secteurs, les appareils multimédias et électroménagers privés par exemple, on se bat pour obtenir des rendements élevés et des pertes minimales en mode veille. Cependant, dans le secteur industriel, la « gestion de l’énergie » est trop souvent laissée de côté. Les exemples incluent des sections de câblage trop petites, des interrupteurs/contacts bon marché ou des bobinages inductifs « bon marché » tels que des transformateurs, des inductances et des moteurs. Dans ce cas, il vaut souvent la peine de regarder de près les pertes.

Les pertes de chaleur réduisent la forme de construction
En effet, les économies d’énergie directes compensent souvent le prix initial plus élevé dans les 12 à 24 mois. Il est également possible de réaliser des économies d’énergie indirectes dans les locaux ou les armoires électriques si l’on doit les ventiler ou les climatiser. Grâce à la réduction des pertes de chaleur, il est possible de réaliser des économies supplémentaires en termes de volume de construction et de coûts. En principe, il est aujourd’hui tout à fait possible de réduire de moitié les pertes des bobinages inductifs « bon marché » avec des moyens économiques « normaux », sans devoir doubler le prix.

Le cuivre, à l’exception de l’argent, a la meilleure conductivité avec γ = 56, alors que l’aluminium n’a que γ = 36. L’aluminium suit donc avec un écart d’environ 35%. Ainsi, le cuivre est le meilleur métal précieux et l’aluminium « seulement » le deuxième meilleur des matériaux conducteurs techniquement et économiquement utilisables. Il n’y a rien après cela. Tous les autres métaux ne peuvent pas être considérés comme des conducteurs de courant et, en général, les alliages ont une conductivité nettement inférieure à celle des métaux purs. L’argent ou l’or sont totalement exclus en raison de leur prix élevé. L’aluminium est un métal léger dont la densité n’est que de 35% environ de celle du cuivre.

L’aluminium implique des densités de courant plus faibles
Pour bobiner un transformateur équivalent en termes de rendement avec de l’aluminium, il faut réduire les densités de courant d’environ 35% par rapport au cuivre. Cela peut être réalisé en renforçant les sections des conducteurs en conséquence. Cela implique d’augmenter la taille des paquets de tôles et de tous les composants mécaniques. Le volume, le poids et les matériaux utilisés pour l’ensemble du transformateur augmentent en conséquence. Cette situation peut tout à fait entraîner une hausse des prix. Les économies réalisées sur le matériau du conducteur sont donc en partie annulées. Mais pour réduire les coûts, on construit des transformateurs avec de nombreux canaux de refroidissement afin de maîtriser la température. Aujourd’hui, de nombreux transformateurs en aluminium doivent avoir une classe d’isolation F, H ou plus, car la chaleur est un problème. C’est comme si plus la classe d’isolation d’un transformateur était élevée, plus il était performant.

Matériau conducteur aluminium par rapport au cuivre
Bien que l’aluminium soit assez ductile, il ne l’est pas autant que le cuivre. La charge magnéto-mécanique sur chaque spire d’une bobine enroulée augmente énormément avec la densité et la quantité de courant. Il faut imaginer que la bobine du réseau alternatif de 50 Hz est soumise à une cadence de 100 Hz. L’enroulement se gonfle alors littéralement. La contrainte de compression maximale sur le conducteur peut alors atteindre plusieurs N/mm2, même pour les petits transformateurs. Le fil se déforme alors dans sa section et peut même, dans le pire des cas, se rompre en cas de court-circuit prolongé. On n’en tient souvent pas compte lors du dimensionnement des transformateurs. Ce problème augmente avec l’aluminium par rapport au cuivre. En outre, les différentes spires commencent à frotter les unes contre les autres à 100 Hz, ce qui nuit à l’isolation. Le défaut passe inaperçu jusqu’à ce que l’enroulement subisse un court-circuit, ce qui peut prendre des années.

Le frottement mécanique a une influence sur le bobinage
En cas de court-circuit, le goulot d’étranglement fond, ce qui peut à nouveau se produire beaucoup plus facilement qu’avec le cuivre en raison du point de fusion et de la conductivité thermique plus faibles de l’aluminium, sans compter la tendance à former de tels goulots d’étranglement, et un arc électrique se forme, ce qui représente un risque d’incendie aigu. Rapportée au volume, la capacité thermique est également plus faible. L’aluminium, avec α = 23,1, a un coefficient de dilatation thermique supérieur d’environ 30 % à celui du cuivre, avec α = 16,5. Cela signifie que l’aluminium se dilate davantage lorsqu’il est chauffé, ce qui peut entraîner une perte de résistance de l’enroulement et une plus grande influence du frottement mécanique. Il existe cependant un petit avantage : dans les transformateurs en résine époxy entièrement encapsulés, l’aluminium a à peu près le même coefficient de dilatation que la résine époxy elle-même. Cela permet de réduire les tensions internes du bobinage en cas d’énormes variations de température et de charge dans le système d’isolation F ou H. Au contact de l’air, l’aluminium se recouvre très rapidement d’une couche d’oxyde dure et résistante qui ne conduit pas l’électricité et rend donc le contact difficile. Des résistances de contact peuvent apparaître, ce qui peut à son tour entraîner un risque d’incendie.

« Mécaniquement », l’aluminium pose problème
L’aluminium a tendance à couler à long terme. Le matériau cède avec le temps en cas de forte pression. Ainsi, des connexions initialement solides peuvent se relâcher progressivement. Pour cette raison, les extrémités des conducteurs en aluminium doivent toujours être en contact avec des contacts vissés et des rondelles élastiques bien serrés, mais ceux-ci ne sont souvent pas durables. En principe, les contacts à ressort permettent de remédier à cette situation, mais les couches d’oxyde posent à nouveau problème. Dans les deux cas, il y a une augmentation lente des résistances de contact et donc un risque d’incendie. Dans ce cas, la seule solution est de braser ou de souder une grande surface. Cependant, la corrosion de contact électrochimique entre l’aluminium et le cuivre ne doit pas être négligée. Souvent, par ignorance, on associe mal les transformateurs en aluminium aux conducteurs en cuivre. Le seul domaine purement technique de l’aluminium serait sinon son poids avec une densité de ~2,7 g/cm³, contrairement au cuivre avec ~8,93 g/cm³, où l’encombrement n’est pas un critère, mais d’autant plus le poids. C’est important pour les lignes aériennes ou, par exemple, les transformateurs qui doivent être très légers.

Conclusion
Si l’on veut prendre en compte non seulement le prix, qui domine tout, mais aussi les coûts générés tout au long de la vie, il faut s’intéresser de plus près à ce sujet. Le rendement de l’ensemble de l’installation en ce qui concerne le choix des matériaux sera déterminant à l’avenir pour l’efficacité énergétique, si les contraintes économiques, géométriques ou fonctionnelles ne sont pas les seules à exiger des solutions spéciales.  »

Auteur :
Frank Hanisch, ingénieur diplômé en électrotechnique,
Directeur du département Technique et Développement chez Bächli AG