Matériaux utilisés en génie électrique

Cet article met en lumière les quatre catégories importantes de matériaux utilisés en génie électrique. Les catégories sont les suivantes: 1. Matériaux utilisés en génie électrique 2. Matériaux utilisés pour conduire l'électricité 3. Matériaux isolants 4. Matériaux utilisés pour renforcer les champs magnétiques.

Génie électrique: Catégorie n ° 1. Matériaux utilisés en génie électrique:

Les matériaux utilisés en génie électrique peuvent être divisés en quatre catégories importantes, en fonction de leur utilisation:

a) Matériaux utilisés pour conduire l'électricité,

b) Matériaux utilisés pour isoler,

c) Matériaux utilisés pour renforcer les champs magnétiques,

(d) Les matériaux utilisés pour fabriquer des supports, des enveloppes et autres pièces mécaniques, ainsi que des armatures.

Les matériaux à utiliser dans les équipements électriques doivent être ceux qui conduisent l'électricité et ceux qui isolent. Le courant électrique ne peut circuler efficacement que par un chemin constitué de matériaux qui conduisent bien l’électricité. Un circuit électrique ne peut être contrôlé que si le courant est bien confiné au chemin conducteur par une isolation efficace.

La majeure partie de l'énergie électrique fournie à une mine de charbon, ou à toute autre industrie, est utilisée dans des équipements tels que des moteurs, des transformateurs, des relais, des cloches, etc., qui fonctionnent en réalité sous l'effet magnétique du courant électrique.

L'efficacité d'un tel appareil dépend en grande partie de l'utilisation de matériaux pour les noyaux et les pièces polaires qui renforcent les champs magnétiques créés lorsque le courant circule dans les enroulements de l'équipement.

C'est un fait que presque tous les équipements électriques sont enfermés d'une manière ou d'une autre, bien que les enveloppes soient différentes les unes des autres. Il ne peut certainement pas être que toutes les enceintes seront les mêmes. En fait, la conception du boîtier dépend de l'utilisation de l'équipement et de l'environnement dans lequel il sera installé.

En outre, dans les moteurs et les appareillages de commutation, de nombreuses pièces mobiles nécessitent des matériaux spécialement choisis, en tenant compte des caractéristiques de conception de chaque composant. Par conséquent, nous pouvons voir que le choix des matériaux pour les équipements électriques doit être fait avec beaucoup de soin, de réflexion et de calcul.

Génie électrique: Catégorie n ° 2. Matériaux utilisés pour conduire l'électricité:

Les matériaux constituant les circuits électriques sont choisis principalement pour la facilité avec laquelle ils conduisent de l'électricité. La facilité de conduction n'est toutefois pas la seule considération. De nombreuses parties d'un circuit doivent avoir des propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction ou la résistance à l'usure, la ductilité, la résistance à la compression, etc.

Certains types d'appareils nécessiteront des matériaux conducteurs réagissant au passage du courant, tels que les filaments utilisés dans les lampes électriques. D'autres matériaux sont choisis parce qu'ils offrent une résistance au courant, par exemple ceux utilisés pour fabriquer des résistances et des rhéostats, qui contrôlent le courant dans un circuit. Certains des matériaux conducteurs les plus utiles que l'on trouve parmi les métaux utilisés dans les équipements électriques sont indiqués ci-dessous.

Cuivre:

Ce matériau est le plus couramment utilisé pour former des chemins de courant dans les circuits électriques. Il conduit l'électricité très facilement et ses propriétés physiques lui permettent d'être utilisé de nombreuses façons. Il s’agit d’un métal doux qui peut être étiré en barres et en fils métalliques. Il peut également être plié et façonné selon les besoins. Il peut être assemblé par soudage, brasage, boulonnage ou soudage.

Le cuivre est utilisé pour les enroulements d'appareils électromagnétiques, par exemple les moteurs, les générateurs, les transformateurs et les relais. La plupart des bobines sont fabriquées à partir de fil de cuivre, mais les enroulements destinés à supporter des courants importants peuvent être formés de barres de cuivre profilées. Les segments conducteurs du commutateur sont généralement en cuivre, mais ils ont une conception et une forme particulières requises pour supporter le courant nominal.

Encore une fois, nous voyons le cuivre sous différentes formes, comme des brins au centre des câbles porteurs de courant. Ici aussi, la question de la capacité de charge actuelle est importante. Dans la conception des câbles, un concepteur doit réfléchir avec beaucoup de soin et de calcul.

Maintenant, si nous examinons la conception des barres et des contacts de commutation, nous voyons encore une fois le rôle important que joue le cuivre en tant que conducteur sous tension. Parfois, ces contacts doivent supporter un courant de l'ordre de quelques milliers d'ampères. Pour ces contacts et ces barres, les sections transversales et les formes sont constitués de la section requise selon la conception.

Laiton:

Ce matériau, qui est en fait un alliage de cuivre et de zinc, est également largement utilisé dans les équipements électriques, même si nous savons que le laiton ne conduit pas l'électricité aussi bien que le cuivre, mais il est plus dur que le cuivre et peut plus facilement résister à l'usure et aux dommages. .

Tout comme le cuivre, il peut également être étiré dans des fils, des barres et des formes spéciales pour une utilisation dans différentes applications. Ceci peut également être joint par soudure, brasage, boulonnage et rivetage. Il est utilisé pour les fiches, les sockets, les barres de connexion, les bornes, les contacts d'arc dans les contacteurs de calibre inférieur, ainsi que pour les boulons et les écrous des composants sous tension.

Aluminium:

L'aluminium est également un bon conducteur d'électricité. L'aluminium est en fait un métal léger et n'est pas aussi résistant que le cuivre. Le problème avec ce métal est que l'assemblage pose de grandes difficultés, bien que l'assemblage par boulonnage et même le brasage par soudage à l'arc sous argon spécial soient possibles avec succès.

Il est principalement utilisé dans le cas de rotors de fonte de moteurs à cage d'écureuil. Il est également utilisé dans les lignes aériennes et les câbles souterrains. Comme le cuivre, l'aluminium peut également être étiré sous forme de tiges, de barres et de toute forme spéciale à utiliser dans divers équipements électriques.

En cas d'utilisation dans les mines de charbon, l'utilisation d'aluminium, ou d'alliages d'aluminium, comme matériau d'enveloppe pour tout équipement électrique à usage souterrain, tel que perceuse, éclairage, etc. est désormais interdite en raison du risque d'étincelles incendiaires, l'équipement est frappé d'un coup violent par un autre matériau ou un matériel beaucoup plus dur, comme une arche en acier, un rail en tube ou d'autres matériaux plus durs.

Constantan (Eureka) et Magnanin:

Constantan est un alliage de cuivre et de nickel, et la manganine est un alliage de cuivre, de nickel et de manganèse. Ces deux alliages offrent une résistance au courant électrique plus élevée que la plupart des autres métaux utilisés en tant que conducteurs, et sont principalement utilisés dans la construction de résistances et de rhéostats utilisés principalement comme éléments chauffants.

Tungstène:

Ce métal est principalement utilisé pour les filaments des ampoules électriques. Il a un point de fusion élevé et peut, par le passage d'un courant électrique, être chauffé (dans un tube en verre rempli de gaz) à la température à laquelle il émettra une lumière vive.

Zinc, Plomb, Fer et Nickel:

Ces métaux sont utilisés dans les électrodes des batteries primaires et secondaires.

Mercure:

Un métal liquide utilisé comme conducteur dans de nombreux types d'interrupteurs au mercure, de découpes automatiques et de redresseurs à arc au mercure. Nous avons évoqué ci-dessus les conducteurs métalliques conducteurs de l'électricité, mais il existe également des conducteurs non métalliques conduisant également bien l'électricité et ils sont très utilisés en génie électrique.

Carbone:

En comparaison des métaux, le carbone offre une grande résistance au courant électrique. Cependant, il possède une propriété importante en ce sens qu'il est autolubrifiant (le graphite, une forme de carbone, est utilisé comme lubrifiant dans certaines machines). Le carbone est donc le matériau le plus couramment utilisé dans les balais de moteurs et de générateurs.

En fait, les balais de charbon peuvent maintenir un contact ferme mais lisse avec un commutateur rotatif ou un piston sans provoquer de surchauffe ou une usure rapide.

C’est en effet une propriété merveilleuse du carbone, un conducteur non métallique, qu’aucun conducteur métallique ne peut égaler. En fait, aucun contact métallique n’aurait fonctionné à la place des balais de charbon utilisés en piston ou en collecteur.

Cependant, les balais de charbon contiennent généralement une petite quantité de cuivre pour améliorer leur conductivité. Le carbone s'avère également extrêmement utile pour la fabrication de résistances fixes et variables ainsi que comme électrodes pour batteries primaires.

Liquides:

Nous savons théoriquement et en pratique que les liquides non métalliques qui conduisent l’électricité le sont en réalité par le procédé d’électrolyse. Comparés aux métaux, ils offrent une grande résistance au courant électrique. Les électrolytes des cellules primaires et secondaires utilisées dans les batteries sont des liquides qui conduisent par électrolyse.

Et ces liquides incluent de l'acide sulfurique dilué, des solutions d'ammoniaque (chlorure d'ammonium) et d'hydroxyde de potassium. Un liquide conducteur est également parfois utilisé comme résistance à l'usure élevée pour le démarrage de moteurs à régime élevé. En fait, une solution de lessive de soude dans l'eau, par exemple, fournit l'élément de résistance dans les démarreurs liquides pour moteurs.

Génie électrique: Catégorie 3. Matériaux isolants:

Les matériaux isolants sont utilisés pour confiner ou guider les courants électriques vers le circuit dans lequel ils sont conçus. S'il n'y avait pas eu d'isolation, le courant trouverait immédiatement son chemin le plus proche de la terre et mettrait en péril l'ensemble du système.

En effet, l'efficacité et l'efficience des matériaux isolants dépendent non seulement de la performance efficace de l'équipement et de l'installation électriques dans leur ensemble, mais également de la sécurité des vies des personnes qui l'utilisent.

En fait, l'isolation est une protection vitale à la fois pour l'équipement et pour les personnes qui utilisent cet équipement électrique. Par conséquent, la sélection de la classe et du grade d'isolation pour l'équipement est une tâche primordiale pour un ingénieur électricien qui doit concevoir les équipements à utiliser dans l'industrie, qu'il s'agisse d'une mine de charbon ou d'une aciérie.

De nos jours, en augmentant le degré d’isolation et en augmentant ainsi la capacité de l’isolant à supporter la température beaucoup plus élevée sans aucune détérioration des matériaux isolants, les caractéristiques nominales des équipements électriques tels que les moteurs et les transformateurs, les appareillages de connexion ainsi que les barres omnibus sont augmentées de manière incroyable. même cadre de l'équipement.

Cependant, de nombreux types de matériaux isolants sont utilisés. Le choix du matériau isolant particulier pour un usage particulier est déterminé par la tension du circuit à isoler ainsi que par les exigences physiques et l'environnement de l'équipement. Les matériaux qui isolent un conducteur sous tension de la terre, ou qui isole un conducteur sous tension d'un autre, sont soumis à une différence de potentiel.

Bien que le courant ne traverse pas les matériaux isolants, celui-ci est soumis à une énorme contrainte, appelée contrainte diélectrique. Si la différence de potentiel est augmentée, cette contrainte diélectrique augmente et une différence de potentiel peut être atteinte lorsque la contrainte devient trop importante.

L'isolation se dégrade ensuite et un courant la traverse. Et une fois que l'isolant est brisé, ses propriétés isolantes sont définitivement altérées. Les matériaux isolants pouvant supporter des tensions élevées ont une rigidité diélectrique élevée et sont essentiels pour l’isolation des circuits haute et moyenne tension.

Dans les circuits de basse tension et de signalisation, la rigidité diélectrique n’est pas très importante et les matériaux isolants peuvent être choisis principalement pour leur facilité de fabrication ou leur adaptabilité, ou pour la manipulation sans danger des équipements, car même un petit choc électrique peut devenir fatal.

Outre les propriétés isolantes, il convient de prendre en compte d'autres caractéristiques des matériaux. Pour certaines applications, telles que l'isolation des câbles, les matériaux doivent être souples et ne doivent pas perdre leurs propriétés isolantes lorsqu'ils sont étirés ou déformés.

La résistance mécanique est également très importante pour de nombreuses applications, en particulier pour les moteurs utilisés pour le transport, dans lesquels la vitesse du moteur atteint parfois plus du double de la vitesse.

Dans de tels cas, si la résistance mécanique du matériau isolant n’est pas assez forte, les conducteurs et même les conducteurs (liés par des matériaux isolants) risquent de s’envoler, provoquant de graves dommages non seulement au moteur, mais également à l’installation.

Par conséquent, la résistance mécanique est importante à de nombreuses fins, car la rigidité diélectrique peut être altérée si des parties du matériau isolant se fissurent ou se détachent. Les dommages mécaniques à l'isolation sont une cause de panne électrique. Parfois, si ces dommages mécaniques ne sont pas remarqués à temps, la panne électorale peut devenir très grave.

Et par conséquent, il est indispensable d’inspecter régulièrement et minutieusement l’isolant pour vérifier s’il a commencé à se détériorer, à vieillir ou à se fissurer, ou si sa valeur IR a été réduite bien au-delà de la limite autorisée pour des utilisations particulières. En fait, la durée de vie de l'isolation détermine la durée de vie d'un équipement électrique. C'est pourquoi une recherche régulière est en cours pour améliorer l'isolation (voir tableau 2.2).

Types d'isolation:

Air sec:

L'air sec est en réalité un isolant important et efficace. Par exemple, nous savons que deux conducteurs nus et vivants sont séparés par l'air et isolés efficacement les uns des autres. Le meilleur exemple pour cela est le jeu de barres du panneau de commande, ainsi que le moteur et le transformateur des bornes. Cependant, l'isolation de l'air a une limite compte tenu de sa rigidité diélectrique.

Par conséquent, si une tension supérieure à la tension nominale est transmise à ces bornes, la rigidité diélectrique se rompra et entraînera une panne. Par conséquent, lors de la conception de la chambre de barre et de la boîte à bornes, le concepteur doit respecter le jeu standard prouvé entre deux barres nues telles que spécifiées dans les spécifications standard indiennes ou britanniques établies selon l'expérience et la théorie.

En fait, lorsque la haute tension est excessive, l’air entre les deux barres actives s’ionise et un arc se développe dans l’espace intermédiaire, appelé ligne à ligne, puis à la terre, c’est-à-dire un court-circuit total. L’apparition de la foudre est un autre grand exemple de dégradation de l’isolation de l’air.

Caoutchouc:

C'est aussi un isolant, mais cela ne résiste pas à une température trop élevée. En tant que matériau flexible, il est principalement utilisé pour le revêtement intérieur de conducteurs de câbles de différentes tailles. En fait, le composé caoutchouté joue un rôle important dans la fabrication des câbles.

Caoutchouc vulcanisé:

Ce caoutchouc traité est en réalité beaucoup plus résistant que le caoutchouc pur, bien qu'il présente une faible rigidité diélectrique.

Plastique:

Le plastique sous toutes ses formes variées est de plus en plus utilisé pour les matériaux isolants.

Celles-ci sont trop nombreuses pour être mentionnées individuellement dans ce livre, mais voici un aperçu des matériaux utilisés pour remplacer le caoutchouc en tant que matériau isolant pour fils et câbles:

a) PVC (polychlorure de vinyle)

b) néoprone

c) Caoutchouc Butyle

d) EPR (Ethyline - Caoutchouc Propylène)

e) CSP (polychlorène sulfonate)

Coton et vernis, fibres de verre, etc.:

Dans les versions précédentes, les conducteurs de moteurs et de transformateurs étaient principalement isolés avec du coton et des vernis. De nos jours, toutefois, dans la plupart des cas, ils ont été remplacés par des matériaux isolants plus efficaces et plus modernes, tels que les émaux à base de résine, les fibres de verre, l’amiante, etc.

De nos jours, les films isolants à base de résine ont tendance à remplacer le coton et le vernis pour l’isolation des enroulements. En fait, ces films s’appliquent plus facilement et résistent mieux à l’humidité. Cependant, avant d’utiliser ces films isolants, les enroulements doivent être parfaitement cuits pour éliminer toute trace d’humidité.

Papier imprégné d'huile:

Le papier imprégné d'huile isolante a également une rigidité diélectrique élevée. Il est couramment utilisé pour isoler les conducteurs de câbles à haute tension, qui ne doivent pas nécessairement être flexibles. Le papier absorbe très facilement l'humidité, de sorte qu'il ne peut être utilisé que dans des équipements conçus pour empêcher l'humidité de pénétrer, comme des câbles sous gaine de plomb.

Pour cette raison, lorsqu'un câble isolé du papier est coupé, l'extrémité doit être immédiatement scellée pour le protéger de l'humidité.

Huile isolante:

L'huile isolante a une rigidité diélectrique élevée et est donc utilisée pour isoler certains types d'équipements à haute tension. Les transformateurs et les condenseurs connectés dans des circuits à haute tension sont généralement immergés dans de l'huile isolante. L'huile est fréquemment utilisée comme moyen de refroidissement et comme isolant.

Par conséquent, il a deux fonctions importantes dans l'équipement électrique. L'utilisation d'huile isolante dans le transformateur en est un bon exemple. Les contacts de certains appareils de commutation à haute tension fonctionnent dans de l'huile isolante, ce qui, en plus de l'isolation, aide à éteindre l'arc dessiné. Lorsque les contacts se séparent, l'huile isolante est fine et facilement inflammable.

Il se vaporise lorsqu'il est chauffé et, comme les vapeurs contiennent de l'hydrogène, les équipements remplis d'huile doivent être bien protégés contre le risque d'explosion.

Pyrochlor:

Ce type de liquide isolant est actuellement utilisé. Ce liquide est en fait plus lourd et possède une plus grande rigidité diélectrique que l'huile de transformateur utilisée régulièrement. Mais la difficulté avec ce liquide est une manipulation régulière, car il devient épais quand il fait froid et s'amincit avec une élévation de température. Ce type de liquide est principalement utilisé en Russie.

Porcelaine:

La porcelaine a une rigidité diélectrique très élevée et est donc couramment utilisée comme isolant dans les circuits à haute tension. En tant que forme de poterie, elle doit avoir la forme requise par le fabricant et, une fois cuite, ne peut pas être travaillée.

Il est principalement utilisé pour les isolateurs supportant les conducteurs de base, par exemple les supports de barres omnibus et les parties conductrices des appareils de commutation blindés, ainsi que les boîtes de dérivation. Les isolateurs pour lignes extérieures sont également en porcelaine.

Mica:

Substance minérale dure et fragile utilisée comme isolant de fente pour les enroulements de moteur et pour l’isolation entre les segments de commutateurs. Il résistera aux températures élevées et est imperméable à l'humidité. D'autres formes d'isolation à fentes sont constituées de matériaux tels que les papiers vernis, les fibres de verre, le stratifié d'amiante et le dernier millinex.

Panneau isolant:

Il existe différents types de panneaux isolants et d'isolants moulés. Press pahn, le tuffnol et le letheroid sont couramment utilisés dans les équipements électriques. Leurs utilisations incluent les borniers, les coffrages pour les bobines, l’isolation des fentes pour les enroulements du moteur et du transformateur, ainsi que les brosses et les rondelles isolantes.

Ébonite:

Une forme de caoutchouc vulcanisé très dur qui ressemble au bois d’ébène. Son utilisation inclut les borniers et les brosses et rondelles isolantes.

Bois Permali:

C'est un type de bois spécial avec une meilleure résistance diélectrique que le bois ordinaire. Ceux-ci ont plus de résistance à l'humidité. Celles-ci sont généralement utilisées pour les tableaux de contact, les séparateurs, les supports de bornes de traversée.

Ruban isolant:

Le ruban isolant est utilisé pour enrouler les bobines ou les conducteurs de base dans les enveloppes, par exemple dans les boîtiers d'appareillage et de moteur. Il est parfois utilisé pour réparer ou remplacer l'isolant endommagé. Les rubans sont fabriqués à partir de fibres vulcanisées (par exemple, Éléphantide), de coton verni, de tissu de soie ou de fibres de verre (par exemple, des rubans Empire) ou de copeaux de mica collés (Micanite).

Les bandes en plastique (PVC) ou en nylon ayant des propriétés électriques sont couramment utilisées pour une grande variété de circuits basse, moyenne et haute tension.

Composé isolant:

Le composé isolant est utilisé pour le remplissage des boîtes de jonction de câbles, des unités de connexion composées et des boîtiers de bornes. De nombreux composés sont à base de bitume et doivent être chauffés et versés dans l'enceinte pour être remplis immédiatement à chaud. Les composés de coulée à froid consistant en une huile minérale ou synthétique avec un durcisseur sont maintenant utilisés plus largement.

Génie électrique: catégorie n ° 4. Matériaux utilisés pour renforcer les champs magnétiques:

Les moteurs, transformateurs, relais, qui sont en fait des équipements électromagnétiques ont leurs bobines enroulées sur des noyaux. Les matériaux qui composent ces noyaux sont choisis pour leur capacité à produire un champ magnétique puissant lorsqu'ils sont magnétisés par un courant circulant dans le bobinage. Ces matériaux sont décrits comme ayant une perméabilité magnétique élevée.

Cependant, une forte perméabilité magnétique n'est pas la seule exigence des matériaux centraux. Les matériaux doivent être capables de devenir magnétisés très rapidement et de perdre leur magnétisme le plus tôt possible après la fin du courant magnétisant.

Cette exigence est particulièrement importante dans les appareils à courant alternatif, tels que les transformateurs, où les noyaux sont magnétisés et démagnétisés cent fois par seconde. Le retard dans la réponse aux changements du courant magnétisant est appelé hystérésis, tous les matériaux magnétiques sont sujets à des hystérésis, bien que, dans certains cas, ce facteur soit très petit.

Une autre exigence importante des matériaux de base est qu'ils doivent conserver le moins de magnétisme possible lorsque le courant de magnétisation cesse de circuler. Tous les matériaux magnétiques conservent un certain degré de magnétisme quand ils ont été placés dans un champ magnétique, mais la quantité de matériaux retenus varie considérablement. Une faible rétention est associée à une hystérésis faible et vice-versa.

Un aimant permanent, par exemple, a un facteur hystérésis extrêmement élevé et est donc difficile à magnétiser lorsque le courant magnétisant cesse. Cependant, les matériaux centraux sont facilement magnétisés et conservent une quantité de magnétisme à peine détectable lorsque le courant magnétisant cesse.

Les bons matériaux de base sont donc ceux qui ont une haute perméabilité magnétique et une faible hystérésis. En fait, le fer doux répond à ces exigences et a déjà été largement utilisé pour les noyaux électromagnétiques.

Certains alliages de fer se sont toutefois révélés beaucoup plus efficaces. Parmi les alliages actuellement utilisés, on trouve les alliages de silicium et de fer (par exemple, Lohys et Stalloys), les alliages de cobalt et de fer (Permendur) et les alliages de nickel et de fer (Permalloy).

Les noyaux des enroulements inductifs, tels que ceux des transformateurs, des moteurs et des générateurs sont invariablement constitués de minces couches de métaux (épaisseur de 0, 005 à 0, 007) appelées stratifications, qui sont isolées les unes des autres (par de minces couches de 0, 002 de film de vernis) et boulonné étroitement ensemble. Cette méthode de construction est adoptée pour empêcher les courants de Foucault de circuler dans le noyau.

Cependant, les matériaux de base étant principalement un métal ferreux est un conducteur dans le champ magnétique, de sorte que la force électromotrice y est générée lorsqu’il ya un quelconque changement dans l’intensité du champ. Si le noyau était solide, il existerait un chemin à faible résistance permettant la circulation de courants importants.

Si on les laisse circuler, les courants de Foucault créeraient un champ magnétique opposé à celui créé par le courant magnétisant, provoquant ainsi une surchauffe grave. L'isolation entre la stratification empêche les courants de Foucault de circuler, la stratification étant posée dans la direction du champ magnétique de manière à minimiser l'effet sur la force du champ lui-même.

Cadres, boîtiers:

La fonte, les alliages moulés et la tôle d'acier sont de loin les matériaux les plus courants pour les cadres et les logements d'équipements électriques utilisés dans les industries minières. Le plastique moulé dur est utilisé pour certaines pièces mécaniques et la résine époxy est maintenant utilisée à certaines fins. Les fenêtres d'éclairage et de contrôle électriques utilisent du verre blindé épais. Les aciers spéciaux sont utilisés pour les arbres de moteur et les surfaces de roulement.