Révolutionner les rotors

La construction de rotors efficaces pour l'e-mobilité commence avec la première goutte de fonte

La demande de moteurs à induction est en croissance. La rareté des terres rares, le changement climatique, l'électrification de la mobilité et d'autres tendances sont à l'origine de cette demande. Cependant, le moteur à induction industriel courant présente des faiblesses.

Avec sa technologie de moulage sous pression laminaire, le fabricant allemand de rotors Wieland eTraction Systems améliore les performances des moteurs asynchrones. Tout en conservant les avantages connus des moteurs asynchrones, ces types de rotor désormais en aluminium et en cuivre offrent des avantages significatifs en termes d'efficacité et de sécurité.

Chaque rotor se compose de plusieurs tôles d'acier électriques perforées individuellement qui sont empilées dans une cage moulée environnante. Cette cage est généralement fabriquée à l'aide d'un moulage sous haute pression. Avec des temps de cycle d'une à deux minutes, ce processus peut être hautement automatisé. Mais du point de vue du moulage, les rotors sont des structures très complexes.

Après avoir placé les piles de tôles dans l'outil, la chambre de coulée est remplie de métal en fusion. Un piston force le métal liquide dans l'outil de coulée à grande vitesse. Une fois dans le moule, l'aluminium ou le cuivre fondu se solidifie rapidement. La technologie industrielle nécessite donc des temps de remplissage courts inférieurs à 0,1 seconde avec des débits supérieurs à 50 m/s.

Pour y parvenir, l'industrie utilise des portes ponctuelles. L'inconvénient : ces portes ne remplissent pas tous les emplacements de la pile à la fois. La masse fondue s'écoule d'abord à travers les fentes directement au niveau de la porte, puis dans l'anneau opposé, et remplit finalement les fentes restantes par l'arrière avec ce que l'on appelle un remblayage. Par conséquent, l'air, les gaz de procédé et les fronts de fusion contaminés par l'huile et les oxydes ne peuvent pas s'échapper.

Lors du passage de l'état liquide à l'état solide, il y a une diminution de volume, appelée retrait de solidification. Pour compenser ce retrait, le piston continue à presser, même après que le moule ait été rempli à sa pleine capacité. La combinaison de gaz piégé et de retrait entraîne une porosité totale élevée. Les rotors moulés sous pression atteignent jusqu'à 10 % de porosité, bien au-dessus de la tolérance de 5 %.

Chaque pore réduit la zone conductrice, provoque un déséquilibre et a un impact négatif sur les propriétés mécaniques du rotor. Lorsque les pores sont centrés à la transition de la fente à l'anneau de terminaison, il faut s'attendre à des densités de courant élevées et à une contrainte mécanique maximale due aux forces centrifuges.

Pour réduire ces points douloureux potentiels, de nombreuses fonderies limitent la géométrie et réduisent le nombre, la longueur et la largeur des fentes. Les procédés de fabrication alternatifs, comme l'usinage ou le soudage, ont des limitations similaires. Cela signifie que tout le potentiel de la technologie des moteurs asynchrones est resté longtemps inexploité.

Le processus de coulée par pression laminaire développé par Wieland eTraction Systems est conçu pour couler des rotors à porosité nulle - appelés rotors à porosité nulle (ZPR). Le système de gating breveté garantit le remplissage simultané de toutes les fentes et de nouvelles géométries. Contrairement au remplissage turbulent conventionnel, le processus de remplissage est ascendant et laminaire. Les besoins en main-d'œuvre ne sont que légèrement différents de la coulée conventionnelle, ce qui permet une production rentable.

Avec des débits plus faibles, la matière coulée reste plus longtemps liquide dans la vanne et facilite ainsi la réalimentation. La gestion thermique active contrôle la progression de la solidification du noyau laminaire vers les zones non critiques. Étant donné que toutes les fentes sont remplies en même temps dans le processus de coulée par compression laminaire, les fronts de fusion contaminés sont dirigés vers le trop-plein.

Le processus de moulage par compression laminaire entraîne une augmentation typique de 3 à 5 % de la conductivité électrique, ce qui contribue à réduire considérablement la fluctuation caractéristique du couple et à minimiser le bruit émis.

L'Institut de formage des métaux de l'Université d'Aix-la-Chapelle a scanné différentes structures de pores à l'aide de la tomographie par ordinateur. De plus, le comportement mécanique du matériau aux limites extrêmes a été simulé. Les résultats indiquent qu'une augmentation de vitesse d'environ 12,5 % est techniquement possible avec un rotor sans porosité. Des tests d'éclatement réels ont confirmé ce comportement.

Outre la taille des pores, la géométrie de la fente est un facteur important affectant la résistance du rotor. La coulée par pression laminaire offre également des avantages en permettant des géométries de fente complexes. Des géométries de rainures avec des contre-dépouilles radiales, qui augmentent la liaison au noyau laminé, ont déjà été coulées avec succès. Dans ce contexte, on utilise des tôles électriques en acier à haute résistance mécanique, qui sont adaptées de manière optimale aux forces centrifuges des fentes en cuivre.

À des vitesses circonférentielles supérieures à 80 m/s, il est également courant d'appliquer des renforts tels que des manchons en fibre de carbone ou des capuchons en bronze sur l'anneau de protection lors d'une étape de processus supplémentaire pour permettre ces vitesses élevées. La coulée par pression laminaire permet d'intégrer cette étape directement dans le processus de coulée grâce au remplissage uniforme et constant. Les rotors coulés avec ce procédé breveté ont atteint des vitesses allant jusqu'à 200 m/s avant d'éclater.

Peter Szilágyi est le directeur général deWieland eTraction Systems.