TRANSFORMATEUR qui fait du BRUIT

1    Transformateur staRONRON2ndard
2    Transformateur à E et I soudés
3    Choisir un transformateur silencieux
3.1    Les pertes de flux
3.2    Le transformateur soudé
3.3    Le montage dans un équipement
4    L'imprégnation
4.1    Le vernis
5    Conclusions

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Avant propos

Je viens d'être confronté à un banal problème de bruit de transformateur.
Il s'agissait en l'occurrence d'un transformateur pour fer à souder à l'étain de "bonne facture", qu'un bon copain m'avait donné. Mais ce cas précis peut s'appliquer à tout transformateur.
Après diverses opérations correctrices mécaniques pures, ou "mécano-soniques" pour réduire au silence le transformateur "turbulent", je suis revenu au point de départ "bredouille" et j'ai dû réfléchir un peu plus au problème.
Ce transformateur possède une caractéristique particulière qui est d'avoir les tôles soudées sur 4 bandes des entrefers, peut-être justement pour éviter ce problème ? C'est peut-être une vision simpliste de la réalité. Il n'est pourtant pas imprégné.

Cet article s'applique de façon générale aux petits transformateurs monophasés de quelques centaines de VA, mais les causes sont communes et si vous vous promenez près des gros transformateurs d'un barrage ou d'un poste source par exemple, vous "entendrez" aussi qu'EDF ne maîtrise pas bien ce sujet mais que de toutes façons ça ne dérange que les visiteurs …! Alors ce n'est pas grave !
(Pour rappel, les bruits engendrés ne sont pas à 50 Hz mais à 100 Hz)

1 Transformateur standaRonron4rd

La carcasse magnétique d'un petit transformateur monophasé standard est réalisée avec un empilage de tôles en forme de E et I le plus souvent. (Les découpes fantaisistes anciennes n'ont plus cours aujourd'hui) Voir un couple actuel E et I photo ci-contre.
Sur un transformateur standard à tôles non soudées et sans imprégnation, le resserrage des tôles par les écrous de tiges filetées résout normalement ce problème de bruit ou de vibration de tôles.

En cas de difficultés, il est possible de mettre des supports anti-vibratoires tels que des rondelles caoutchouc qui vont éviter de transmettre à l'enceinte contenant le transformateur de se changer en véritable caisse de résonance (un peu comme un violon) RONRON5et amplifier ce son initialement assez faible de tôles qui vibrent mais qui va alors être amplifié, par résonance acoustique dans un boîtier par exemple.
(Cela nécessite parfois de changer les tiges filetées qui sont trop courtes (Photo de tête d'article ou du paragraphe 2 qui suit))

Vous devriez aussi ajouter des renforts en tôle épaisse nervurée (Si ils n'y sont pas déjà, photo ci-contre) et couvrant la "frontière" des tôles en E et I d'extrémités d'empilage qui sont parfois "livrées à elles-mêmes" et qui peuvent vibrer. (Sur les extrémités il arrive même qu'il manque le I, et les branches extrêmes du E peuvent alors vibrer.

Si après cela le problème subsiste, alors je donne ma langue au chat ! Mais il restera une solution !

2 Transformateur à E et I soudés

C'est l'objet principal de cet article, suite à mon expérience sur cet équipement, pourtant excellent, de transformateur pour fer à souder qui faisait du bruit.
J'ai dû repenser le sujet car la soudure des tôles de transformateurs (Par l'extérieur suivant 4 cordons, au niveau des 4 lignes d'entrefer) semble un procédé industriel fiable et professionnel. Il ne peut se réaliser dans ce cas que par l'extérieur et une fois le bobinage réalisé et le transfo totalement assemblé.
A la lumière de ce cas, je suis tenté d'expliquer pourquoi ce procédé n'est pas finalement une solution absolue, car il devrait impérativement être accompagné d'une imprégnation.

J'avais d'abord essayé de serrer plus fortement mais sans succès,RONRON3 puis d'ajouter des renforts tôle (voir photo ci-contre) sans succès également, et enfin une bande de caoutchouc entre le transfo et le boîtier... "Le canard était toujours vivant" !

(Je dois ajouter aussi que le croisement des tôles pourrait ne pas être toujours réalisé car c'est un gain de temps appréciable que d'enfiler tout le circuit magnétique d'un seul tenant.
Cela occasionne quelques pertes complémentaires de flux. Dans ce cas les E et I ne seraient plus solidaires. Ce n'est pourtant pas le cas pour ce transformateur ayant 4 cordons de soudure).
(Avec croisement des tôles c'est 4 soudures qu'il faut et c'est le cas ici, et c'est bien !)

Les tuyauteurs et soudeurs professionnels savent parfaitement que la chaleur déforme le métal et que la déformation rémanente est aléatoire en fonction des tensions internes du métal. Toute déformation par la chaleur (ou par effort mécanique intense) libère des portées qui se trouvent alors parfois "en l'air" et le flux magnétique en profite pour faire son action vibratoire si l'espace est suffisant mais à la fois limité .
Si il n'y a pas beaucoup d'espace pour les oscillations, les tôles vont "taper" les tôles voisines et créer un bruit de choc très reconnaissable par son timbre très métallique. Si l'espace n'est pas limité, le timbre est alors très "mou" et ne représente que le mouvement de l'air à 100Hz, fréquence assez basse pour ne pas être entendu très facilement. (Onde sinusoïdale ou très proche dénuée d'harmoniques)

Ces vibrations à timbre métallique se produisent principalement sur des parties internes (Et inaccessibles), puisque ces soudures ne peuvent se réaliser que sur les bords les plus externes !

Pourquoi des tôles soudées et serrées peuvent vibrer ? La pression sur les tôles au moment de la soudure doit être "adéquate" car les valeurs extrêmes sont génératrices de défauts.
Pour une pression trop faible il y aura des "bâillements" répartis avec espaces d'air assez réguliers et pertes de flux. RONRON1
Si cette pression est trop élevée il peut y avoir des déformations permanentes ou des ruptures de soudures, mais surtout un effet du bord opposé qui "rebiquera" avec création d'un espace s'amenuisant jusqu'à la soudure. (Voir la photo ci-contre dont les tôles ne sont pas soudées. L'épaisseur de l'empilage en haut et en bas est indiquée.... Cela prouve le foisonnement d'épaisseur d'un empilage de tôles avec et sans serrage)
Toute présence d'un espace d'air entre tôles est une source potentielle de vibrations.

Voici en coupe ci-dessous, le principe des transfos à 4 cordons de soudures.

Il est évident que les bords extérieuRONRON6rs d'un transformateur sont maintenus serrés par les 4 vis de serrage des tôles. (Parfois 2 vis sont "oubliées volontairement" et ce n'est pas très sérieux, exemple de la photo ci-dessus)
La soudure maintient le serrage initial sur les bords seulement, mais laisse libre une vibration possible sur l'autre bord des 2 branches internes (hautes et basses) du E mais aussi sur la branche centrale du E (noyau), car à ce niveau, hormis le croisement, c'est une relative liberté, car seules deux faces latérales du transfo sont extérieurement "bloquées" par soudure du circuit magnétique.

Dans des transformateurs à seulement 2 cordons de soudure, la branche centrale du noyau a-t-elle un cordon de soudure un peu décalé de l'entrefer avant montage ??? Je n'en sais rien, car je n'ai pas d'exemples de ce type, mais cela me semble peu probable d'ajouter une opération complémentaire un peu délicate au niveau fabrication, alors que la rapidité est seule recherchée.
De tels transformateurs s'ils existent, seraient cependant une hérésie technique car le groupe E et I ne seraient pas réellement solidaires. (Il me semble en avoir déjà vu de petits modèles avec étrier de serrage des tôles mais non soudés)
Les transformateurs de type double C à entrefer rectifié, semblent plus adaptés à gérer ce cas, mais sont plus chers.

Dans le cas présent à tôles croisées et soudées sur 4 cordons, il ne devrait pourtant pas y avoir de vibrations et pourtant ! ça vibre ou ça ronronne dans le cas présent!

NOTA :
Dans cette application très spécifique de fer à souder, le transformateur est dans un mode de fonctionnement très particulier, car commandé au secondaire par un thyristor ou un triac et je suppose qu'il n'y a pas coupure au zéro de courant. Les appels de courants sont donc violents, courts  et très récurrents au rythme de la seconde environ, et je suppose que la soudure des tôles est une précaution prise par le fabricant pour s'assurer d'un produit sans "Ronron"… Mais cette précaution se révèle pourtant insuffisante dans ce cas !

3 Choisir un transformateur Silencieux

A la lumière de cette expérience dont la réalité saute aux yeux, je pense qu'il faut revoir le sujet des transformateurs soudés mais aussi de tous les autres sous tous les aspects.

(La question se posera pour les transformateurs non soudés qui perdront de fait une véritable possibilité de rebobinage en cas d'imprégantion. Ce sera alors un choix à définir)

D'une façon générale, si l'absence de protection des dernières spires (dernière couche...) par un isolant favorise l'évacuation de la chaleur, je préfère tout de même un carton assez lâche qui protège au moins  de la chute accidentelle d'un tournevis ou autre objet contondant sur les dernières spires des bobinages.
De ce point de vue ce n'est pas fait et je critique cette petite négligence !

Pour le coup d'oeil la couleur du cuivre est un synonyme de qualité et de cherté et est "vendeur", mais ce sujet est seulement commercial.
Ces considérations extras étant dites, passons aux éléments du sujet.

3.1 Les pertes de flux

Il est toujours nécessaire de croiser les tôles une sur deux, pour "reprendre" des fuites éventuelles de flux sur les tôles adjacentes. (Cela participe activement à la qualité de l'équipement au niveau émission de bruits en tous genres). Cela se voit en l'absence de soudures mais aussi par le nombre de cordons de soudure qui sera de 4.

Si l'on veut souder les tôles par sécurité, pourquoi pas ! Mais à la lumière du cas présent, je pense que cela apporte peu, car des vis de serrage font en général parfaitement le travail avec des renforts de répartition du serrage par un cadre ou des petites cornières.
Dans le cas de tôles croisées il faut qu'il y ait impérativement 4 rubans de soudure.

Les soudures occasionnent quelques pertes complémentaires par courants de Foucault, mais elles sont en général peu profondes et peu importantes en termes de volume et sont du même ordre de grandeur que les pertes sur les vis de serrage !

(Attention ces règles sont différentes dans le cas de selfs avec entrefer)

3.2 Le transformateur soudé

C'est la méthode industrielle pour "fermer" rapidement un circuit magnétique et empêcher (théoriquement) des vibrations…. Mais je ne pense pas que la soudure soit un gage de qualité absolue, au contraire parfois.

Je suggère donc de toujours bien vérifier les 4 cordons de soudure dans un premier temps. C'est 4 cordons ou rien, ce qui est mon cas et il n'y a rien à dire à ce produit hormis une seule chose qui est l'absence d'imprégnation.
La soudure devrait peut-être améliorer la résistance aux impacts de courant, mais ne suffit pas en elle-même, ainsi que le prouve cet exemple, et gêne même, car un vrai serrage est maintenant impossible.
Le serrage à la mise en oeuvre des soudures est donc critique, ainsi que cela a déjà signalé, et s'il est mal réalisé, il peut être une cause d'impossibilité effective d'éliminer le "ronron".

Il faut reconnaître que la majorité des transformateurs ne travaillent pas ainsi en tout ou rien, mais ont un fonctionnement permanent et assez doux en termes de variation de charge. Cela ne modifie en rien cependant les explications, si ce n'est la récurrence élevée des impacts de puissance.

3.3 Le montage dans un équipement

Là c'est tout le problème des designers de prodRONRON8uits électroniques qui doivent penser au phénomène du violon et agir en conséquence dans l'isolation mécanique/phonique d'un transformateur. Équipements isolants de fixation sur support rigide.

Dans les vieux transformateurs on n'hésitait pas à faire un CADRE spécifique en tôle emboutie pour serrer de façon homogène tout l'empilage de tôles… Ça coûte trop cher aujourd'hui de créer une matrice spécifique pour chaque transfo !
Les designers doivent naturellement commencer par sélectionner les "bons fournisseurs" et les simples renforts en tôle qui s'appuieront sur la largeur complète du transformateur sont un minimum que je conseillerais même sur les transformateurs soudés, car les autres bords restent assez libres.

Le plus crédible étant le cadre embouti (ouvert ou non : cas d'un capot embouti), certes pas très "fun" mais il remplissait correctement par le passé, une mission délicate. De plus dans ce cas, il faut aussi ajouter des écrous de serrage et serrer les tôles… (Photo ci-dessus d'un tel modèle)
RONRON1
Pour s'en convaincre il suffit de voir sur la photo rappelée ci-contre, ce transformateur pourtant à priori bien fait, car imprégné (ça se voit par les reflets) et d'un aspect soigné, mais réalisé sans précautions particulières.
Il lui manque pourtant 2 vis de serrage ET il a été imprégné ainsi.
Aussi les dimensions côté serrage et côté opposé sont totalement divergentes de 2 mm ce qui est énorme.
Ce transfo, pourtant d'assez belle finition, n'est donc pas de qualité irréprochable, car il lui manque 2 vis et les tôles en ont profité pour s'écarter et peut être pour tendre un peu trop les premières spires du bobinage ?   Il aurait été nécessaire que l'étrier de fixation se prolonge jusque sur les 2 trous manquants pour rectifier cette erreur made in china. (Je n'ai pas encore eu l'occasion de vérifier si ce transfo est en état).

En dernière observation, puisque vous avez accès à la section du noyau, (largeur et épaisseur de la branche centrale du E ou 2 fois celle d'une branche externe) ne manquez pas de vérifier que la surface apparente (Voir l'abaque de l'article  sur les transfos) donne une puissance voisine de celle indiquée.
Dans mon cas cela ne correspond pas du tout et je suppose l'emploi de tôles de qualité supérieure admettant une forte induction, ajouté au déclassement dû à une utilisation impulsionnelle, mais je reste un peu perplexe sur cette différence.

4 L'imprégnation

Ce procédé est à mon sens le plus important (bien que je n'aime pas spécialement trouver un transformateur imprégné, car il n'est alors plus réparable). Mais si il est soudé il ne sera pas non plus démontable ! Alors …! Il n'y a donc rien à perdre dans un tel cas !

Cette imprégnation est incontournable en cas de problèmes de bruit insolubles ou de propension à de forts à-coups, car l'ensemble des bruits générés est essentiellement interne et inaccessible (Cas d'un transformateur soudé)
(L'imprégnation est aussi "un plus" pour l'isolation électrique, et l'évacuation de la chaleur dégagée, mais là n'est pas le sujet !).

Dans le cas d'un transformateur non soudé, non imprégné et à tôles non croisées (ça pourrait arriver), il faudra si c'est possible le démonter et croiser les tôles. Bien souvent vous ne pourrez pas remettre toutes les tôles mais ce n'est pas trop grave. Inspirez vous de mon article sur le calcul des petits transformateurs pour terminer l'enfoncement des dernières tôles, sans tout "bousiller".

Revenons à l'imprégnation, qui va avoir surtout l'avantage de remplir les petits vides entre tôles et d'éviter ainsi leur débattement oscillatoire, et c'est aussi vrai pour les fils dans les bobinages.
En effet les lois électriques s'appliquent aussi aux conducteurs cuivre qui sont parcourus par un courant dans un champ magnétique et qui vont aussi avoir tendance à bouger sous l'action des forces électromagnétiques et créer aussi de petits bruits.

(Ce phénomène est assez grave car il risque de provoquer une usure de l'émail isolant des fils de cuivre et provoquer d'éventuels courts-circuits entre spires. Tout début de court-circuit entre 2 spires, est une cause d'échauffement local, et à terme un effet d'avalanche peut se produire et le transformateur est alors "grillé". Ce frottement n'est pas une fois par jour, mais 100 fois par seconde et l'usure est rapide ! C'est donc dangereux aussi de laisser ainsi les fils bouger.)

Cette imprégnation se réalise en température et de préférence sous vide pour que tout le produit imprégnant (vernis) puisse se glisser dans les moindres interstices.
Vous n'avez pas de pompe à vide ? Moi non plus !
Faire couler le vernis de tous les côtés possibles, plusieurs fois sur toutes surfaces accessibles (tôles et bobinages), cela restera votre seule solution, car vous ne tremperez pas votre transformateur dans un bain de vernis à cause du volume nécessaire et du coût.
Il faudrait laisser dégazer suffisamment longtemps et une peau finirait par arriver au dessus avant le dégazage complet.
Par contre il faut une température un peu élevée pour fluidifier rapidement dans un premier temps le vernis, puis activer ensuite le séchage.
J'ai utilisé une température régulée de 55°C durant 4 heures, puis 60° durant une heure pour accélérer la polymérisation. (Voir l'article sur l'enceinte thermostatée)

L'imprégnation est synonyme de tropicalisation, mais favorise aussi l'échange de chaleur avec le monde extérieur, car l'air situé entre les fils cylindriques est un isolant thermique qui réduit le refroidissement du cœur du transformateur et du bobinage en particulier.
Le rapport de conductivité thermique entre un vernis et l'air est au moins de 10 avec la faveur à ce premier.

4.1 Le vernis

Quel vernis ? Alors je n'ai que mon expérience à délivrer. Il n'est pas facile d'utiliser les produits spécifique du commerce, car le secteur des peintures et vernis propose certes des vernis spéciaux, mais en grands conditionnements, et/ou alors à des prix bien trop élevés.
Alors comme d'habitude c'est le bon sens qui décide, et j'ai utilisé un restant de vernis polyuréthane de vitrificateur de parquet. (V33)
J'avais également dans des temps plus anciens utilisé du simple vernis à bois sans problèmes particuliers, pour un transformateur situé en boîtier extérieur qui a tenu plus de 20 années sans aucune défaillance et qui, s'il n'est plus actif à cette date reste encore tout à fait opérationnel et utilisable pour un "nouveau service".

Vous pouvez aussi consulter les "vieux bobiniers" qui ont encore des stocks de produits parfaitement adaptés.

5 Conclusions

Lors de l'imprégnation travaillez avec une bonne aération car tous ces produits sont toxiques pour la grande majorité (glycéro ou autres).
Cette solution finale d'imprégnation me semble la seule véritablement garantie lorsque toutes les autres solutions anti-bruit ont échoué.

Elle participe activement à la bonne tenue de l'isolation en bloquant les déplacements de spires et les frottements afférents.
En résumé il faut l'aspect blocage mécanique des tôles par remplissage des interstices, une bonne qualité de bobinage pour les bruits dus aux spires (ni trop lâche, ni trop serré et un bobinage à spires jointives et couches isolées est un luxe disparu ajourd'hui).

Il faut enfin, quel que soit la nature du transformateur (soudé ou non ou utilisation particulière), une imprégnation sous vide. C'est le mieux !
J'hésiterais cependant à faire imprégner systématiquement (saut si transformateur soudé), si ce n'est pas absolument nécessaire (Extérieur, humidité…etc…)
Pour un produit acheté et si de plus c'est un transfo soudé, alors là il ne faut pas hésiter à imprégner en cas de bruit, voir même simplement pour prolonger encore plus la durée de vie, car de toutes façons, en cas d'autres problèmes, c'est irréparable !

Si une première imprégnation n'a pas donné les résultats escomptés, alors il faut en refaire une deuxième plus longue et avec recommandation de réalisation sous vide, car beaucoup de "passages" sont désormais bouchés pour que le vernis pénètre dans les dernières poches d'air récalcitrantes.

Voilà la méthode pour faire disparaître un petit "ronron" qui va redonner confiance au chat de la maison, victime jusqu'alors d'une concurrence déloyale …..

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