Des rotors révolutionnaires

Aug 01, 2023

La construction de rotors efficaces pour la mobilité électrique commence dès la première goutte de fonte

La demande de moteurs à induction est croissante. 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.

Grâce à 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 rotors désormais en aluminium et en cuivre offrent des avantages significatifs en termes d'efficacité et de sécurité.

Chaque rotor est constitué de plusieurs tôles d'acier électrique perforées individuellement qui sont empilées dans une cage moulée environnante. Cette cage est généralement fabriquée par 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 d'un coup. La matière fondue s'écoule d'abord à travers les fentes directement au niveau de la porte, puis dans l'anneau opposé et remplit enfin les fentes restantes par l'arrière avec ce qu'on appelle un remblayage. En conséquence, l’air, les gaz de procédé et les fronts de fusion contaminés par l’huile et l’oxyde ne peuvent pas s’échapper.

Lors du passage de l’état liquide à l’état solide, il se produit une diminution de volume, appelée retrait de solidification. Pour compenser ce retrait, le piston continue à appuyer, même après que le moule ait été rempli au maximum. La combinaison du gaz piégé et du retrait entraîne une porosité totale élevée. Les rotors moulés sous pression atteignent jusqu'à 10 % de porosité, bien au-dessus de la tolérance de cinq pour cent.

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 final, il faut s’attendre à des densités de courant élevées et à des contraintes mécaniques maximales dues aux forces centrifuges.

Pour réduire ces problèmes 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, présentent des limites similaires. Cela signifie que tout le potentiel de la technologie des moteurs asynchrones est resté longtemps inexploité.

Le procédé de moulage par compression laminaire développé par Wieland eTraction Systems est conçu pour couler des rotors à porosité nulle, appelés rotors à porosité zéro (ZPR). Le système de porte breveté garantit le remplissage simultané de toutes les fentes et de nouvelles géométries. Contrairement au remplissage turbulent classique, le processus de remplissage est ascendant et laminaire. Les exigences en main-d'œuvre ne diffèrent que légèrement de celles du moulage conventionnel, ce qui permet une production rentable.

Avec des débits plus faibles, le matériau coulé reste liquide plus longtemps dans la porte et facilite donc 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 lors du 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, contribuant ainsi à réduire considérablement la fluctuation caractéristique du couple et à minimiser le bruit émis.

L'Institut pour le 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.