WO2023041873A1 - Rotor de moteur électrique - Google Patents
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- H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
Definitions
- the present invention relates to the field of electric motors and more particularly relates to the field of electric motor rotors for aeronautical applications.
- the preferred ways are to reduce the mass of the electric motors of generation and/or starting or electric propulsion if we are in the field of "VTOL" (Vertical Take Off and Landing, which means vertical take-off and landing)" or “STOL” (Short Take Off and Landing, which means take-off and landing short).
- VTOL Vertical Take Off and Landing, which means vertical take-off and landing
- STOL Short Take Off and Landing, which means take-off and landing short.
- the mass of these systems can reach several tens of kilograms for powers that can go beyond a hundred kilowatts. Current limitations on electric machines hardly exceed a power/mass ratio of 3.5 kW/kg.
- the first performance limitation is essentially due to the electromagnetic circuit itself, which is governed by the quality of the ferromagnetic materials used or even the quality of the magnets (remanent induction Br) when these machines include them.
- the second limitation is the mechanical limitation in the rotation speed of the machines. This speed limitation depends on the nature of the electrical machine. We distinguish three main families of electric machines (ie electric motors): direct current machines, synchronous machines and asynchronous machines.
- machines (d) are rotor mounted permanent magnet synchronous machines and machines (e) are solid rotor induction asynchronous machines.
- the machine can contain high-energy debris originating from rotating parts of the rotor of the machine (i.e. the machine must continue to operate despite the breakage and the presence within it of parts of the rotor). Moreover, in many other cases of failure, it is necessary that the electrical machine continues to operate.
- DC machines are the machines most used in the aeronautical industry. Their main advantage is to operate on direct current networks without the mandatory use of power electronics. Their main disadvantage is to include brushes energizing the rotor which causes a premature wear of the latter and imposes limitations in terms of rotation speed (max speed ⁇ 20,000 rpm).
- Wound-rotor synchronous machines are machines which have the main advantage of being very easily controllable in terms of torque and speed. Indeed, it is possible to manage the flux of the machine very easily by injecting a direct current into the inductor of the machine (rotor part) using conductive rings linking the stator and the rotor. These machines have a similar drawback to DC machines which is a maximum rotor speed relative to the stator of around 25,000 rpm. This speed limitation is due to the presence of conductive rings rubbing on the rotor.
- 3-stage synchronous machine these machines are very widely used in the aeronautical world as current generators because they have the advantage of being easily controllable and self-excitable without brushes or ring thanks to the rotation of magnets in front of the rotor winding of the machine, the alternating current thus created is then rectified by rotating diodes going as far as the field winding of the machine.
- the disadvantages of these machines are their relatively large masses due to the fact that they comprise several conversion stages and also a limitation of the rotation speed ( ⁇ 25,000 rpm) which comes to weaken the rotating diodes when the speed becomes too high. important.
- permanent magnet machines are one of the most efficient categories of machines in terms of torque density, it is moreover for their excellent performance that these machines emerge in aeronautical electrical systems.
- Their advantage which is also their main drawback, is that these machines have magnets in the rotor, which has the main advantage that these machines do not have brushes and are self-excited due to the rotation of the magnets.
- the short-circuit is self-sustaining due to the rotation of the magnets which generates this short-circuit. It is therefore necessary to be able to stop the rotation of the rotor so that the fault does not propagate.
- Another disadvantage of this machine is that, when very high rotational speeds (above 30,000 rpm) must be reached, the machine must include surface magnets whose thickness becomes non-negligible compared to the magnetic air gap which generates a significant increase in magnetic losses.
- the synchronous reluctance machine is a machine with strong electromagnetic performance
- another advantage is that the rotor is magnetically passive in nature, so in the event of a problem with the stator windings, the machine is de-energized by de-energizing the stator.
- the main drawback of this machine for use in an aeronautical environment is that this machine imposes a very small air gap ( ⁇ 0.5 mm) hence an increased complexity for the integration of this machine in a fairly severe vibratory environment.
- the squirrel cage asynchronous machine is a machine with lower electromagnetic performance compared to synchronous machines due to the fact that the induction of rotor currents generated by the stator currents tend to heat the rotor .
- the concept of sliding is also to be considered in this machine.
- the slip is the difference between the pulsation of the currents created in the rotor and the pulsation of the stator currents. This slip is a fundamental notion because the greater the slip (and tends towards 1), the more torque the machine provides.
- the fundamental problem of this principle is that the Joule effect created in the rotor part of the machine is directly proportional to the slip.
- asynchronous machine with massive rotor To solve this problem of electromagnetic performance limitation, new topologies of asynchronous machines have recently appeared for ten years called asynchronous machine with massive rotor.
- the notion of a massive rotor comes from the fact that the rotor, which can be multi-material, is very compact and resistant to much greater mechanical stress than squirrel-cage asynchronous machines.
- the objective of the present invention is to propose a new asynchronous machine rotor topology exhibiting better performance at high speed (i.e. speeds greater than 30,000 rpm).
- the invention relates to an aircraft electric motor rotor comprising a shaft made of a first material and a conductor assembly made of a second material different from the first material, in which the shaft has a shoulder portion having at least one longitudinal notch and the conductive assembly is a one-piece structure comprising at least one conductive bar intended to be positioned in the at least one notch and comprising a skin intended to be fixed on the shoulder portion.
- the rotor may have an interpenetration layer of the first material and of the second material, the interpenetration layer comprising an alloy of the first material and of the second material.
- the conductor assembly may include two rings, a first ring being attached to the rotor at a first end region of the shoulder portion and a second ring being attached to the rotor at a second end region of the shoulder portion .
- the rotor may comprise a plurality of notches tangentially distributed and/or radially superimposed in the shoulder.
- the plurality of notches may comprise two contiguous radially superimposed notches in the shoulder, an opening connecting said two contiguous notches.
- the first material may contain at least iron and carbon.
- the second material may contain at least one of the metals chosen from among copper, aluminum or silver.
- the invention relates to a method for manufacturing a rotor according to the first aspect comprising at least one of the steps of:
- the step of inserting the shaft and an element intended to form the conductor assembly into a protective tubular casing comprises a phase of positioning, around the shaft, a powder intended to form the assembly driver.
- the step of heating and pressurizing the assembly can be carried out in a dedicated enclosure and in a neutral atmosphere.
- the heat treatment step may include quenching selected from natural or forced convection gas quenching, water quenching or oil quenching.
- the first material may contain at least iron and carbon, and the heat treatment step may be carried out until the first material becomes martensitic.
- the method may include a prior step of machining the shaft.
- the step of machining the shaft may include at least one phase of machining at least one notch.
- Figure 1 is a graph representing the maximum power of different electric machines as a function of rotational speed.
- Figure 2 is a schematic representation, in perspective, of a rotor according to the invention.
- Figure 3 is a schematic representation, in perspective, and in partial section of a rotor according to the invention.
- Figure 4 is a schematic representation, in perspective, of a tree according to the invention.
- Figure 5 is a schematic representation, from the front, of a shaft according to the invention.
- Figure 6 is a schematic representation of two contiguous radially superimposed notches.
- Figure 7 is a schematic representation of the positioning of a shaft in an envelope according to the invention.
- FIG. 8 is a sectional view of the representation of Figure 7.
- FIG. 9 is a representation of an envelope containing a shaft and a powder making it possible to form a conductive assembly.
- Figure 10 is a representation of a tree and a conductor assembly extracted from the envelope.
- Figure 11 is a representation of a rotor obtained by a method according to the invention.
- Figure 12 is a representation of a diagram of change in microstructure of a steel, in a time interval, as a function of temperature.
- Figure 13 is a comparative representation of the magnetic hysteresis of two samples of a material having received two different tempers.
- the invention proposes an aircraft electric motor rotor 1 comprising a shaft 2 made of a first material and a conductor assembly 4 made of a second material different from the first material.
- conductor it is understood an electrically conductive element, that is to say capable of allowing the circulation of electricity within it.
- Shaft 2 is a one-piece revolution part.
- an orthogonal reference is defined linked to the shaft 2.
- the longitudinal direction corresponds to the axis of revolution of the shaft 2.
- the radial direction is a direction perpendicular to the longitudinal direction, s extending from the longitudinal direction towards an outer cylindrical surface of the shaft 2.
- the tangential direction is a direction perpendicular to the longitudinal direction and to the radial direction.
- the tangential direction is tangent to an outer cylindrical surface of shaft 2.
- the shaft 2 has in particular a shoulder portion 6. It is specified that by shoulder portion is meant a portion comprised between two circular crowns normal to the axis of revolution of the shaft 2 and resulting from a sudden change in diameter.
- the shoulder portion 6 has two end regions 8 (ie each being a circular crown). Each end region 8 of the shoulder portion 6 has a groove intended to accommodate a ring 12.
- the shoulder portion 6 comprises a plurality of longitudinal notches 25.
- Each notch 25 is in the form of a groove (or groove) in the shoulder 6.
- the notches 25 are recessed sculptures in the surface of the shoulder 6.
- Each notch 25 has an opening emerging in the surface of the shoulder 6.
- FIG. 6 shows schematically in Figure 6, several notches 25 can be radially superimposed in the shoulder 6.
- radially superimposed it is understood that - for example - two notches 25 can follow one another in the same radial direction.
- two adjoining notches 25 radially superimposed have an opening 30 connecting said two adjoining notches.
- two radially superimposed and contiguous notches 25 communicate through an opening 30 connecting them.
- the so-called double notch 25 architecture (i.e. two radially superimposed notches 25) makes it possible to optimize the profile of the torque that can be delivered by an electric motor comprising a rotor 1 .
- the notches 25 may be tangentially distributed in the shoulder 6. Even more preferably, the notches 25 are evenly distributed.
- the shaft 2 may have a longitudinal bore.
- the bore may include a splined portion.
- the shaft 2 is made of a magnetic material comprising an alloy of iron and carbon.
- the alloy of the shaft 2 is a steel mainly comprising iron and carbon.
- the alloy is a martensitic steel comprising more than 1% carbon.
- This structure of the steel allows the shaft 2 to channel the magnetic field lines coming from the windings to the stator (when the rotor is operating in an electric motor) so that the conductive element 4 receives as much magnetic field as possible.
- the shaft alloy can be chosen from 17-4PH, ⁇ ISI 416 (EN-1 -4005), ⁇ ISI 431 (EN-1 -4057), ⁇ ISI 1020 (XC18), ⁇ ISI 1045 (XC48).
- this alloy can include other components in addition to iron and carbon, so for example to make stainless steel (example: Chrome Cr, Nickel Ni).
- the geometry of the shaft 2 can for example be obtained by turning and the martensitic structure is obtained by heat treatment.
- the conductor assembly 4 is a one-piece structure - preferably made of copper - positioned on the shoulder region 6.
- the conductor assembly 4 comprises a plurality of conductor bars 28 and a skin 29.
- each conductive bar 28 is positioned in a notch 25. It is remarkable that the conductive bars 28 have a geometry complementary to the notches 25. In other words, each conductive bar 28 fills the whole ( or almost all) of a notch 25.
- all the notches 25 are filled with a conductive bar 28 and all of the shoulder 6 and the conductive bars 28 are entirely covered by the skin 29.
- the skin 29 can advantageously have a thickness of the order of 1 to 5 millimeters.
- the conductor assembly 4 may comprise two rings 12 which are each intended to be positioned in a groove of an end region 8.
- each ring 12 is integral with the conductor assembly 4.
- each ring 12 is made in one piece with the conductor assembly 4.
- the rings 12 have a short-circuit function and are used to loop back the induced currents to the rotor.
- the conductor assembly 4 is made of copper. Copper is chosen for its excellent conductivity. According to another embodiment, the conductor assembly 4 could for example be made of silver or aluminum. It is specified that the material such as copper or silver, constituting the conductor assembly 4 is not necessarily a pure material and may be an alloy based on copper, based on aluminum or based on money. For example, the copper alloy may comprise addition elements such as chromium and zirconium or cobalt or even Beryllium.
- the conductor assembly 4 is welded to the portion of shoulders 6 and to the end regions 8 of the shaft 2. More specifically, each conductor bar 28 is welded in a notch 25 and the skin 29 is welded to the shoulder portion 6, the rings 12 are welded to the end regions 8.
- This welding is carried out so that the rotor 1 has a layer of interpenetration due to the existence of a diffusion of material between the conductor assembly 4 and the shaft 2, at the level of the portion of shoulders 6 and 8 and notches 25.
- the rotor has a layer of interpenetration of the material of the shaft 2 and the material of the conductor assembly 4.
- interpenetration is meant a layer of alloy of the material of the shaft 2 (first material) and of the material of the conductor assembly 4 (second material).
- this interpenetration is carried out without the addition of a third material.
- the welding of conductor assembly 4 and shaft 2 includes only conductor assembly 4 and shaft 2 and does not involve any additional material.
- the interpenetration layer is the result of diffusion welding of the conductor assembly 4 and of the shaft 2.
- This arrangement very advantageously makes it possible to have excellent mechanical strength over the entire surface of the shoulder portion 6, the end regions 8, and the notches 25, which allows the rotor 1 to withstand rotational speeds greater than 50,000 rpm in the present setup.
- the invention relates to a method of manufacturing a rotor 1 as described previously.
- the method comprises the steps of:
- diffusion welding is a technique allowing the assembly of elements in solid phase, that is to say without melting thanks to the simultaneous application of a temperature and a high pressure.
- the step of inserting the shaft 2 and an element intended to form the conductor assembly 4 into a protective tubular casing 30 comprises a positioning phase, around the shaft, of a powder intended to form the conductor assembly 4.
- This metallic powder has a particle size equivalent to that required for a sintering process, for example from ten to a few tens of ⁇ m in average diameter, and a distribution which is also controlled.
- the powder agglomerates and fuses, similar to the sintering process, in the casing 30 to form the conductor assembly 4.
- the method may include a prior step of machining the shaft 2. More specifically, this prior step may include at least one phase of machining the notches 25.
- the diffusion welding phase can be carried out in an enclosure using a hot isostatic compression (CIC) method.
- CIC hot isostatic compression
- diffusion welding is a technique allowing the assembly of elements in solid phase, that is to say without melting thanks to the simultaneous application of a temperature and a high pressure.
- a hot isostatic pressing (CIC) method may include a step of degreasing and stripping the surfaces of the elements to be assembled, a step of bringing the degreased and stripped surfaces of the elements to be assembled into direct contact, and a step of assembly by diffusion welding of the surfaces of the elements in contact.
- the step of degreasing and pickling the surfaces of the elements to be assembled can consist of conventional treatments for degreasing and pickling metal surfaces.
- the purpose of this step is to obtain clean, degreased and oxidation-free surfaces.
- the degreasing of these surfaces can for example be carried out using a solvent or a conventional detergent for degreasing metals.
- Pickling can be a chemical or mechanical pickling, it can for example be carried out by means of an acid or basic solution, or by rectification or polishing.
- the stripping technique can be chemical stripping followed by rinsing with water during which the surface of the materials is rubbed with the aid of an abrasive pad based, for example, on fibers of alumina. This treatment can be repeated several times, the last rinsing being able to be carried out with demineralised water.
- the degreasing solvent can be an organic solvent, for example of the ketone, ether, alcohol, alkane or chlorinated alkene type such as trichloroethylene, or a mixture of these. here, etc.
- a preferred solvent is a mixture of equal proportions of ethyl alcohol, ether and acetone.
- Another preferred solvent is trichlorethylene.
- Chemical pickling can be carried out with an acid solution, for example a 10% hydrofluoric acid bath or a mixture comprising 1 to 5% hydrofluoric acid with 30 to 40% nitric acid.
- the pickling time can be for example from 10 seconds to 5 minutes, for example from 20 to 30 seconds, at a temperature of 15°C, for example 20°C.
- the pickled surfaces can then be rinsed in one or more successive baths, for example of demineralised water.
- the next step is a step of bringing the degreased and pickled surfaces of the elements into direct contact.
- This bringing into contact corresponds to placing or positioning the elements to be assembled surface against surface, according to a desired stack.
- this contacting is carried out within a period of less than one hour following the step of degreasing and stripping the surfaces to be assembled, so as to limit the risks of oxidation, except in the case where special precautions have been taken.
- these precautions possibly consisting, for example, in keeping the elements in a clean and non-oxidizing atmosphere such as nitrogen by means of bagging them in sealed bags.
- the step which follows the bringing into contact of the surfaces of the elements to be assembled is a step of assembly by diffusion welding of the surfaces brought into direct contact. Diffusion welding can be carried out, for example, by isostatic compression or by hot uniaxial pressing, for example, by conventional techniques known to those skilled in the art.
- the materials brought into contact can be introduced into an envelope which makes it possible to isolate the elements to be assembled from the atmosphere and to evacuate the air from the envelope for the assembly of the elements by diffusion welding therein.
- the casing 30 can be made of any impermeable material, strong enough to withstand an at least partial vacuum therein, and to withstand the high temperatures and pressures necessary to assemble the elements.
- the casing can be a metal casing, for example made of stainless steel, mild steel or titanium and its alloys. It can for example be formed from a sheet having a thickness for example of 1 to 20 mm approximately, for example of 1 to 10 mm approximately.
- the envelope can match the external shape of the elements to be assembled.
- the martensitic stainless steel element (the shaft 2) can close the casing 30 by playing the role of cover of the casing 30, the shaft 2 then being able to be welded to the casing 30
- this casing 30 can be produced by cutting, optionally bending and welding a metal sheet or by any method known to those skilled in the art.
- the envelope 30 is then degassed so as to create a vacuum therein.
- the degassing can be carried out by means of a vacuum pump and heating of the elements to be assembled/envelope assembly.
- An example of degassing may consist in evacuating the air from the casing 30 at ambient temperature until a residual vacuum of less than or equal to 10 Pa is obtained, then in heating the assembly to a moderate temperature, for example lower at 300°C for a few hours, for example 5 hours, while continuing to evacuate.
- the casing 30 is made completely sealed by closing the opening which served for its evacuation, the closing being carried out for example using TIG welding.
- the elements brought into contact in the degassed envelope can then be assembled by diffusion welding.
- the assembly can be carried out in a hot isostatic compression chamber.
- the heating step includes a phase of pressurizing the assembly 32.
- a heating enclosure i.e. an oven
- the pressure inside a heating enclosure can be brought to a value between 1000 and 2000 bars (preferably the pressure can be around 1500 bars).
- the heating is carried out in a so-called neutral atmosphere.
- the heating chamber of the oven used is saturated with an inert gas (i.e. a rare gas according to the periodic table of the elements).
- the neutral gas used may be argon.
- the atmosphere of the heating enclosure can be saturated with nitrogen.
- One of the objectives of the saturation of the heating enclosure with argon or nitrogen is to drive out the oxygen to avoid a potential oxidation reaction.
- the heating step is carried out by bringing the assembly 32 to a temperature allowing welding by diffusion but lower than a temperature of liquefaction of the copper (and consequently of the steel).
- the maximum heating temperature can be between 900° C. and 1040° C. to carry out the solution treatment of the steel.
- the heating step is carried out gradually over several hours. In a particularly preferred manner, the heating step lasts about ten hours.
- the heat treatment step may comprise quenching selected from open air quenching, water quenching or oil quenching.
- the hardening can be homogeneous for the whole of the assembly 32 or can be monitored via in-situ measurements.
- the quenching heat treatment step is determined so that the steel of the shaft 2 becomes martensitic. More specifically, the heat treatment step removes any presence of residual austenite in the steel of shaft 2.
- quenching must correspond to a cooling rate greater than the critical rate to create the martensitic phase, i.e. several tens of degrees/second (°/s).
- the objective of quenching is to reach at least the zone indicated V2 in figure 12 and at best the zone indicated V1.
- the quenching step is very advantageous to improve the electromagnetic properties as shown in Figure 13 which shows that the cooling rate has a direct impact on the electromagnetic properties of the material.
- the magnetic hysteresis H1 corresponds to a material quenched in water
- the magnetic hysteresis H2 corresponds to quenching in air.
- the cryogenic bath can be at a temperature below -20° C.
- the assembly 32 is immersed in the cryogenic bath for a period that can be between 10 minutes and 60 minutes.
- the tempering step makes it possible to recover the characteristics sought for the copper constituting the conductor assembly 4 (mechanical resistance, electrical conductivity, etc.), and makes it possible to soften the martensitic steel to increase its ductility while preserving its electromagnetic properties, which makes it possible to optimize the overall performance of the rotor 1.
- tempering step is a known step in the field of metallurgy. In a usual way, income can also be called “ageing”.
- tempering is carried out by bringing assembly 32 to a plateau temperature of between 450° C. and 650° C., over a period of between 1 hour and 4 hours.
- This optimized treatment makes it possible to guarantee for the copper alloy a conductivity equal to or greater than 90% of the conductivity of pure copper (%I ⁇ CS) and ensures that the desired mechanical properties are maintained.
- Separation of casing 30 and rotor 1 is achieved by machining casing 30 to retain only rotor 1 .
- the envelope 30 is extracted by machining, typically by turning.
- the rotor 1 obtained then has rough dimensions, as shown in figure 10.
- the rotor 1, and more particularly its conductor assembly 4 is machined to have the final dimensions and geometries.
- the rotor 1 obtained has the geometric characteristics necessary for its use, and also has structural and electromagnetic characteristics guaranteeing its resistance when used at speeds of rotation greater than 50,000 rpm.
- the bonding zone by interdiffusion on the part obtained according to the process typically has a thickness of a few tens of ⁇ m.
- the rotor 1 having a structure of the monolithic type can easily be statically and dynamically balanced (by localized removal of material), which makes it possible to guarantee the lowest possible vibration level compatible with a high speed of rotation of the rotor 1 .
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
Abstract
La présente invention concerne un rotor (1) de moteur électrique d'aéronef comprenant un arbre (2) réalisé dans un premier matériau et un ensemble conducteur (4) réalisé dans un deuxième matériau différent du premier matériau, Le rotor (1) étant caractérisé en ce que l'arbre (2) présente une portion d'épaulement (6) présentant au moins une encoche (25) longitudinale et, l'ensemble conducteur (4) est une structure monobloc comprenant au moins une barre conductrice (28) destinée à être positionnée dans l'au moins une encoche (25) et comprenant une peau (29) destinée à être fixée sur la portion d'épaulement.
Description
Rotor de moteur électrique
DESCRIPTION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des moteurs électriques et concerne plus particulièrement le domaine des rotors de moteurs électriques pour applications aéronautiques.
ETAT DE LA TECHNIQUE
D’une manière connue, dans l’objectif de réduire la masse globale d’un moteur d’hélicoptère ou plus généralement d’une chaîne de propulsion pour hélicoptère, les voies privilégiées sont de diminuer la masse des moteurs électriques de génération et/ou de démarrage ou encore de propulsion électrique si nous sommes dans le domaine des « VTOL » (Vertical Take Off and Landing, ce qui signifie décollage et atterrissage vertical)» ou « STOL » (Short Take Off and Landing, ce qui signifie décollage et atterrissage court). En effet la masse de ces systèmes peut atteindre plusieurs dizaines de kilogrammes pour des puissances pouvant aller au-delà de la centaine de kilowatts. Les limitations actuelles sur les machines électriques dépassant difficilement un ratio puissance/masse de 3,5 kW/kg.
La première limitation des performances est essentiellement due au circuit électromagnétique lui-même qui est régi par la qualité des matériaux ferromagnétiques utilisés ou encore de la qualité des aimants (induction rémanente Br) lorsque ces machines en comportent.
Les voies d’investigation actuelles sont portées essentiellement sur l’amélioration des performances électromagnétiques des machines électriques. Il est en particulier connu d’essayer d’optimiser le matériau constituant le circuit magnétique, en utilisant les meilleurs grades de fer-cobalt ou encore de fer-silicium. Une autre voie d’amélioration connue est de minimiser les pertes au niveau du rotor et stator de la machine en affinant les tôles composants le stator et ou rotor réduisant ainsi les pertes par courant de Foucault.
Pour également améliorer la densité de couple de la machine électrique, il est connu d’adjoindre des aimants permanents au rotor et/ou au stator dont l’induction magnétique rémanente pouvant s’additionner au champ magnétique créé par le bobinage qui est généralement placé au stator de la machine électrique.
La deuxième limitation est la limitation mécanique en vitesse de rotation des machines. Cette limitation en vitesse dépend de la nature de la machine électrique. On distingue
trois grandes familles de machines électriques (i.e. moteurs électriques) : les machines à courant continu, les machines synchrones et les machines asynchrones.
En effet comme le montre le graphique de la figure 1 qui représente la puissance maximale des machines électriques en fonction de la vitesse de rotation, les puissances maximales disponibles en sortie de la machine sont inversement proportionnel au cube de la vitesse. Une fois la vitesse fixée par les limitations amenées par l’environnement où sera intégré la machine, le choix de la nature de la machine devient alors primordial pour obtenir un optimum sur le ratio poids puissance.
Aujourd’hui le besoin visé en matière de puissance électrique pour une intégration dans un hélicoptère est dans une gamme assez large allant d’environ de 50 kilowatts jusqu’à plusieurs centaines de kilowatts par machine. Ainsi, en référence au graphique de la figure 1 , les machines identifiées (d) et (e) sont particulièrement intéressantes du fait que ces machines sont intégrées sur des boites d’accessoires mécaniques qui ont des régimes très élevés de plusieurs milliers de tours par minute.
Sur la figure 1 , les machines (d) sont des machines synchrones à aimants permanents montés sur le rotor et les machines (e) sont des machines asynchrones d’induction à rotor massif.
Enfin, une troisième limitation est identifiée. Celle-ci est intrinsèque au milieu embarqué et plus précisément au domaine aéronautique. Cette troisième limitation concerne l’intégrité de l’équipement ainsi que de son environnement en cas de défaut interne de la machine électrique.
Ainsi, il est nécessaire que, pour des vitesses de rotation allant de 10000 tr/min à plus de 100 000 tr/min, la machine puisse contenir des débris haute énergie provenant de parties en rotation du rotor de la machine (i.e. la machine doit continuer de fonctionner malgré la casse et la présence en son sein de pièces du rotor). De plus, dans de nombreux autres cas de défaillance, il est nécessaire que la machine électrique continue de fonctionner.
Dans une application aéronautique c'est-à-dire dans le cadre d’un système embarqué exigeant de fortes contraintes en termes de compacité, masse et fiabilité, différentes technologies de machines électriques sont utilisées on peut citer les plus connues :
- Machine à courant continu : les machines à courant continu sont les machines les plus utilisées dans le milieu aéronautique. Leur principal avantage est de fonctionner sur des réseaux à courant continu sans utilisation obligatoire d’électronique de puissance. Leur principal inconvénient est de comporter des balais énergisant le rotor ce qui provoque une
usure prématurée de ces derniers et impose des limitations en termes de vitesse de rotation (vitesse max < 20 000 tr/min).
- Machine synchrone à rotor bobiné : les machines synchrones à rotor bobiné sont des machines qui ont le principal avantage d’être très facilement pilotables en couple et en vitesse. En effet, il est possible de gérer le flux de la machine très facilement en injectant un courant continu dans l’inducteur de la machine (partie rotorique) à l’aide de bagues conductrices liant le stator et le rotor. Ces machines ont un inconvénient similaire aux machines à courant continu qui est une vitesse maximum du rotor par rapport au stator d’environ 25 000 tr/min. Cette limitation en vitesse est due à la présence des bagues conductrices frottant sur le rotor.
- Machine synchrone dite 3 étages : ces machines sont très largement utilisées dans le milieu aéronautique comme génératrice de courant car elles ont l’avantages d’être facilement pilotable et auto-excitable sans balais ou bague grâce à la mise en rotation d’aimants devant le bobinage rotorique de la machine, le courant alternatif ainsi créé est ensuite redressé par des diodes tournantes allant jusqu’au bobinage inducteur de la machine. Les inconvénients de ces machines sont leurs masses relativement importantes du fait qu’elles comportent plusieurs étages de conversion et également une limitation de la vitesse de rotation (<25 000 tr/min) qui vient à défiabiliser les diodes en rotation lorsque la vitesse devient trop importante.
- Machine synchrone à aimants permanents : les machines à aimants permanents sont l’une des catégories de machines les plus performantes en termes de densité de couple, c’est d’ailleurs pour leurs excellentes performances que ces machines émergent dans les systèmes électriques aéronautiques. Leur avantage qui est aussi leur principal défaut est que ces machines comportent des aimants au rotor, ce qui a comme principal avantage que ces machines ne comportent pas de balais et s’auto-excitent du fait de la rotation des aimants. Ainsi, lors d’un défaut interne tel qu’un court-circuit sur les bobinages statoriques, le court-circuit est auto-entretenu du fait de la rotation des aimants qui génère ce court-circuit. Il faut donc nécessairement pouvoir arrêter la rotation du rotor pour ne pas que le défaut se propage. Un autre inconvénient de cette machine est que, lorsque des vitesses de rotation très élevées (au-delà de 30 000 tr/min) doivent être atteintes, la machine doit comporter des aimants en surface d’une épaisseur devenant non négligeable par rapport à l’entrefer magnétique ce qui génère une augmentation des pertes magnétiques importantes.
- Machine synchrone à reluctance variable : la machine synchrone à reluctance est une machine avec de fortes performances électromagnétiques, un autre avantage est que le
rotor est de nature passif magnétiquement, donc en cas de problème sur les bobinages statoriques, la machine est désexcitée en désalimentant le stator. Le principal inconvénient de cette machine pour une utilisation dans un milieu aéronautique est que cette machine impose un entrefer très petit (<0.5 mm) d’où une complexité accrue pour l’intégration de cette machine dans un environnement vibratoire assez sévère.
- Machine asynchrone à cage d’écureuil : la machine asynchrone à cage d’écureuil est une machine avec des performances électromagnétiques inférieures par rapport aux machine synchrones du fait que l’induction des courants rotoriques générés par les courants statoriques ont tendance à échauffer le rotor. La notion de glissement est aussi à considérer dans cette machine. Le glissement est la différence entre la pulsation des courants créés dans le rotor et la pulsation des courants statoriques. Ce glissement est une notion fondamentale car plus le glissement est important (et tend vers 1 ) plus la machine fournit du couple. La problématique fondamentale de ce principe est que l’effet joule créé dans la partie rotorique de la machine est directement proportionnel au glissement. Ces machines ont des limitations thermiques importantes d’une part, du fait que les barreaux dans lesquels circulent les courants rotoriques induits sont des conducteurs électriques de conductivité électrique modérée du fait que ces barreaux doivent aussi résister aux efforts mécaniques (efforts centrifuges) donc avoir également des propriétés mécaniques assez élevées ; et d’autres part, du fait que le matériau magnétique (circuit magnétique rotorique) composant également le rotor est un matériau ayant des caractéristiques magnétiques intéressantes mais également une comptabilité avec le matériau des barreaux conducteurs. La performance électromagnétique, étant une fonction de la résistance mécanique et de la performance thermique de l’ensemble rotorique s’en retrouve généralement dégradée.
Pour résoudre ce problème de limitation des performances électromagnétiques, des nouvelles topologies de machines asynchrones sont récemment apparues depuis une dizaine d’année appelées machine asynchrone à rotor massif. La notion de rotor massif vient du fait que le rotor, pouvant être multi matériaux est d’une compacité très importante et résistante à des efforts mécaniques beaucoup plus importants que les machines asynchrones à cage d’écureuil.
Dans ce contexte, la présente invention a pour objectif de proposer une nouvelle topologie de rotor de machine asynchrone présentant de meilleures performances à haute vitesse (i.e. des vitesses supérieures à 30 000 tr/min).
EXPOSE DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, l’invention concerne un rotor de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre réalisé dans un premier matériau et un ensemble conducteur réalisé dans un deuxième matériau différent du premier matériau, dans lequel l’arbre présente une portion d’épaulement présentant au moins une encoche longitudinale et, l’ensemble conducteur est une structure monobloc comprenant au moins une barre conductrice destinée à être positionnée dans l’au moins une encoche et comprenant une peau destinée à être fixée sur la portion d’épaulement.
Àu niveau de la portion d’épaulement, le rotor peut présenter une couche d’interpénétration du premier matériau et du deuxième matériau, la couche d’interpénétration comprenant un alliage du premier matériau et du deuxième matériau.
L’ensemble conducteur peut comprendre deux anneaux, un premier anneau étant fixé au rotor à une première région d’extrémité de la portion d’épaulement et un deuxième anneau étant fixé au rotor à une deuxième région d’extrémité de la portion d’épaulement.
Le rotor peut comprendre une pluralité d’encoches tangentiellement réparties et/ou radialement superposées dans l’épaulement.
La pluralité d’encoches peut comprendre deux encoches contiguës radialement superposées dans l’épaulement, une ouverture reliant lesdites deux encoches contiguës.
Le premier matériau peut contenir au moins du fer et du carbone.
Le deuxième matériau peut contenir au moins l’un des métaux choisis parmi du cuivre, de l’aluminium ou de l’argent.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un rotor selon le premier aspect comprenant au moins une des étapes de :
- insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur dans une enveloppe tubulaire de protection ;
- chauffage et mise en pression de l’ensemble contenant l’enveloppe, l’élément destiné à former l’ensemble conducteur et l’arbre, jusqu’à une température de formation de l’ensemble conducteur et de soudure par diffusion de l’ensemble conducteur et de l’arbre pour obtenir un ensemble comprenant l’enveloppe et le rotor ;
- traitement thermique de refroidissement de l’ensemble ;
- revenu de l’ensemble ;
- séparation de l’enveloppe et du rotor.
L’étape d’insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur dans une enveloppe tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former l’ensemble conducteur.
L’étape de chauffage et mise en pression de l’ensemble peut être réalisée dans une enceinte dédiée et dans une ambiance neutre.
L’étape de traitement thermique peut comprendre une trempe choisie parmi une trempe au gaz en convection naturelle ou forcée, une trempe à l’eau ou une trempe à l’huile.
Le premier matériau peut contenir au moins du fer et du carbone, et l’étape de traitement thermique peut être réalisée jusqu’à ce que le premier matériau devienne martensitique.
Le procédé peut comprendre une étape préalable d’usinage de l’arbre.
L’étape d’usinage de l’arbre peut comprendre au moins une phase d’usinage d’au moins une encoche.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est un graphique représentant la puissance maximale de différentes machines électriques en fonction de la vitesse de rotation.
La figure 2 est une représentation schématique, en perspective, d’un rotor selon l’invention.
La figure 3 est une représentation schématique, en perspective, et en coupe partielle d’un rotor selon l’invention.
La figure 4 est une représentation schématique, en perspective, d’un arbre selon l’invention.
La figure 5 est une représentation schématique, de face, d’un arbre selon l’invention.
La figure 6 est une représentation schématique de deux encoches contiguës radialement superposées.
La figure 7 est une représentation schématique du positionnement d’un arbre dans une enveloppe selon l’invention.
La figure 8 est une vue en coupe de la représentation de la figure 7.
La figure 9 est une représentation d’une enveloppe contenant un arbre et une poudre permettant de former un ensemble conducteur.
La figure 10 est une représentation d’un arbre et un ensemble conducteur extraits de l’enveloppe.
La figure 11 est une représentation d’un rotor obtenu par un procédé selon l’invention.
La figure 12 est une représentation d’un diagramme de changement de microstructure d’un acier, dans un intervalle de temps, en fonction de la température.
La figure 13 est une représentation comparative de l’hystérésis magnétique de deux échantillons d’un matériau ayant reçus deux trempes différentes.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Rotor
Selon un premier aspect, l’invention propose un rotor 1 de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre 2 réalisé dans un premier matériau et un ensemble conducteur 4 réalisé dans un deuxième matériau différent du premier matériau.
Il est précisé que dans le présent document, par conducteur, il est entendu un élément électriquement conducteur, c’est-à-dire apte à permettre une circulation d’électricité en son sein.
Arbre
L’arbre 2 est une pièce de révolution monobloc.
Dans le présent document on définit un repère orthogonal lié à l’arbre 2. Dans ce repère orthogonal, la direction longitudinale correspond à l’axe de révolution de l’arbre 2. La direction radiale est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale, s’étendant de la direction longitudinale vers une surface cylindrique extérieure de l’arbre 2. La direction tangentielle est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction radiale. La direction tangentielle est tangente à une surface cylindrique extérieure de l’arbre 2.
L’arbre 2 présente notamment une portion d’épaulement 6. Il est précisé que par portion d’épaulement, il est entendu une portion comprise entre deux couronnes circulaires normales à l’axe de révolution de l’arbre 2 et résultant d’une variation brusque de diamètre.
La portion d’épaulement 6 présente deux régions d’extrémités 8 (i.e. chacune étant une couronne circulaire). Chaque région d’extrémité 8 de la portion d’épaulement 6 présente une gorge destinée à accueillir un anneau 12.
En sus, comme représenté notamment sur les figures 4 et 5, la portion d’épaulement 6 comprend une pluralité d’encoches 25 longitudinales. Chaque encoche 25 se présente sous la forme d’une rainure (ou d’une saignée) dans l’épaulement 6. En d’autres termes, les encoches 25 sont des sculptures en creux dans la surface de l’épaulement 6. Chaque encoche 25 présente une ouverture débouchant dans la surface de l’épaulement 6.
Selon une disposition particulière, schématisée sur la figure 6, plusieurs encoches 25 peuvent être radialement superposées dans l’épaulement 6. Par radialement superposée, il est entendu que - par exemple - deux encoches 25 peuvent se succéder selon une même direction radiale. Selon cette disposition qui peut être appelée « double encoche », deux encoches 25 contiguës radialement superposées, présentent une ouverture 30 reliant lesdites deux encoches contiguës. En d’autres termes, deux encoches 25 radialement superposées et contiguës, communiquent par le biais d’une ouverture 30 les reliant.
Lorsque les encoches 25 sont comblées par des barres conductrices de l’ensemble conducteur 4, l’architecture dite à double encoche 25 (i.e. deux encoches 25 radialement superposées) permet d’optimiser le profil du couple que peut délivrer un moteur électrique comprenant un rotor 1 .
Tel que cela est représenté sur les figures 4 à 8, les encoches 25 peuvent être tangentiellement réparties dans l’épaulement 6. D’une manière encore plus préférentielle, les encoches 25 sont équi réparties.
En sus, selon une disposition non représentée sur les figures, l’arbre 2 peut présenter un alésage longitudinal. L’alésage peut comprendre une portion cannelée.
Typiquement l’arbre 2 est réalisé dans un matériau magnétique comprenant un alliage de fer et de carbone.
Préférentiellement, l’alliage de l’arbre 2 est un acier comprenant principalement du fer et du carbone. D’une manière particulièrement préférentielle, l’alliage est un acier martensitique comprenant plus de 1% de carbone. Cette structure de l’acier permet à l’arbre 2 de canaliser les lignes de champ magnétique provenant des bobinages au stator (lorsque le rotor est en fonctionnement dans un moteur électrique) pour que l’élément conducteur 4 reçoive le plus de champ magnétique possible.
Par exemple, l’alliage de l’arbre peut être choisi parmi 17-4PH, ÀISI 416 (EN-1 -4005), ÀISI 431 (EN-1 -4057), ÀISI 1020 (XC18), ÀISI 1045 (XC48).
Il est précisé que cet alliage peut comprendre d’autre composants en plus du fer et du carbone, de sorte par exemple à rendre l’acier inoxydable (exemple : Chrome Cr, Nickel Ni...).
La géométrie de l’arbre 2 peut par exemple être obtenue par tournage et la structure martensitique est obtenue par traitement thermique.
Ensemble conducteur
L’ensemble conducteur 4 est une structure monobloc - préférentiellement en cuivre - positionnée sur la région d’épaulement 6.
Tel que représenté sur les figures, l’ensemble conducteur 4 comprend une pluralité de barres conductrices 28 et une peau 29.
La peau 29 recouvre l’épaulement 6. Chaque barre conductrice 28 est positionnée dans une encoche 25. Il est remarquable que les barres conductrices 28 présentent une géométrie complémentaire des encoches 25. En d’autres termes, chaque barre conductrice 28 comble la totalité (ou la quasi-totalité) d’une encoche 25.
D’une manière préférentielle, toutes les encoches 25 sont comblées par une barre conductrice 28 et l’ensemble de l’épaulement 6 et des barres conductrices 28 sont entièrement recouverts par la peau 29.
La peau 29 peut avantageusement avoir une épaisseur de l’ordre de 1 à 5 millimètres.
En outre, l’ensemble conducteur 4 peut comprendre deux anneaux 12 qui sont chacun destinés à être positionnés dans une gorge d’une région d’extrémité 8.
D’une manière préférentielle, chaque anneau 12 est monobloc avec l’ensemble conducteur 4. En d’autres termes, d’une manière préférentielle, chaque anneau 12 est réalisé d’un seul tenant avec l’ensemble conducteur 4. Ainsi les anneaux 12 sont assimilables à des portions de peau 29 plus épaisses. Les anneaux 12 ont une fonction de court-circuit et servent à reboucler les courants induits au rotor.
Comme indiqué précédemment, d’une manière préférentielle, l’ensemble conducteur 4 est réalisé en cuivre. Le cuivre est choisi pour son excellente conductivité. Selon un autre mode de réalisation, l’ensemble conducteur 4 pourrait par exemple être réalisé en argent ou en aluminium.
Il est précisé que le matériau tel que le cuivre ou l’argent, constituant l’ensemble conducteur 4 n’est pas nécessairement un matériau pur et peut-être un alliage à base de cuivre, à base d’aluminium ou à base d’argent. Par exemple l’alliage de cuivre peut comprendre des éléments d’addition tels que le chrome et le zirconium ou le cobalt ou bien encore le Béryllium.
Soudage par diffusion et couche d’interpénétration
Selon une disposition particulièrement avantageuse de l’invention, l’ensemble conducteur 4 est soudé à la portion d’épaulements 6 et aux régions d’extrémités 8 de l’arbre 2. Plus précisément, chaque barre conductrice 28 est soudée dans une encoche 25 et la peau 29 est soudée sur la portion d’épaulement 6, les anneaux 12 sont quant à eux soudés aux régions d’extrémités 8.
Cette soudure est réalisée de sorte que le rotor 1 présente une couche d’interpénétration due à l’existence d’une diffusion de matière entre l’ensemble conducteur 4 et l’arbre 2, au niveau de la portion d’épaulements 6 et 8 et des encoches 25.
En d’autres termes, au niveau de la portion d’épaulements 6 et 8 et des encoches 25, le rotor présente une couche d’interpénétration du matériau de l’arbre 2 et du matériau de l’ensemble conducteur 4.
Par interpénétration, il est entendu une couche d’alliage du matériau de l’arbre 2 (premier matériau) et du matériau de l’ensemble conducteur 4 (deuxième matériau).
Il est précisé que d’une manière particulièrement avantageuse, cette interpénétration est réalisée sans apport d’un troisième matériau. En d’autres termes, la soudure de l’ensemble conducteur 4 et de l’arbre 2 comprend uniquement l’ensemble conducteur 4 et l’arbre 2 et n’implique pas de matériau supplémentaire.
D’une manière avantageuse, et tel que cela sera décrit ci-après, la couche d’interpénétration est le résultat d’une soudure par diffusion de l’ensemble conducteur 4 et de l’arbre 2. Cette disposition permet très avantageusement d’avoir une excellente résistance mécanique sur toute la surface de la portion d’épaulement 6, des régions d’extrémités8, et des encoches 25, ce qui permet au rotor 1 de résister à des vitesses de rotation supérieures à 50 000 tr/min dans la présente configuration.
Procédé de fabrication
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un rotor 1 tel que décrit précédemment.
En référence à la figure 8 le procédé comprend les étapes de :
- insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection ;
- chauffage et mise en pression de l’ensemble 32 contenant l’enveloppe 30, l’élément destiné à former l’ensemble conducteur 4 et l’arbre 2, jusqu’à une température de formation de soudure par diffusion de l’ensemble conducteur 4 et de l’arbre 2 pour obtenir un ensemble 32 comprenant l’enveloppe 30 et le rotor 1 ;
- traitement thermique de refroidissement de l’ensemble 32 ;
- revenu de l’ensemble 32 ; et
- séparation de l’enveloppe 30 et du rotor 1 .
Il est précisé que le soudage par diffusion est une technique permettant l'assemblage d'éléments en phase solide, c'est-à-dire sans fusion grâce à l'application simultanée d'une température et d'une pression élevée.
D’une manière préférentielle, l’étape d’insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former l’ensemble conducteur 4. Cette poudre métallique possède une granulométrie équivalente à celle requise pour un procédé de frittage, par exemple d’une dizaine à quelques dizaines de pm de diamètre moyen, et une distribution également maîtrisée.
Selon ce mode de réalisation, la poudre s’agglomère et fusionne, assimilable au procédé de frittage, dans l’enveloppe 30 pour former l’ensemble conducteur 4.
Selon une disposition particulière, le procédé peut comprendre une étape préalable d’usinage de l’arbre 2. Plus précisément, cette étape préalable peut comprendre au moins une phase d’usinage des encoches 25.
Avantageusement la phase de soudage par diffusion peut s’effectuer dans une enceinte selon une méthode de compression isostatique à chaud (CIC).
Il est précisé que le soudage par diffusion est une technique permettant l'assemblage d'éléments en phase solide, c'est-à-dire sans fusion grâce à l'application simultanée d'une température et d'une pression élevée.
Typiquement, une méthode de compression isostatique à chaud (CIC) peut comprendre une étape de dégraissage et de décapage des surfaces des éléments à assembler, une étape de mise en contact direct des surfaces dégraissées et décapées des éléments à assembler, et une étape d'assemblage par soudage diffusion des surfaces des éléments en contact.
L'étape de dégraissage et de décapage des surfaces des éléments à assembler peut consister en des traitements classiques de dégraissage et de décapage de surfaces métalliques.
Le but de cette étape est d'obtenir des surfaces propres, dégraissées et exemptes d'oxydation. Le dégraissage de ces surfaces peut par exemple être effectué au moyen d'un solvant ou d'un détergent classique pour dégraisser des métaux. Le décapage peut être un décapage chimique ou mécanique, il peut par exemple être réalisé au moyen d'une solution acide ou basique, ou par rectification ou polissage. D’une manière connue, la technique de décapage peut être un décapage chimique suivi d'un rinçage à l'eau durant lequel la surface des matériaux est frottée à l'aide d'un tampon abrasif à base, par exemple de fibres d'alumine. Ce traitement peut être répété plusieurs fois, le dernier rinçage pouvant être réalisé avec de l'eau déminéralisée.
Cette liste n'est pas limitative, le choix de toute technique permettant d'éliminer des traces de pollution et d'oxydation sur les surfaces des éléments à assembler étant possible.
Pour la surface de l'élément en acier inoxydable martensitique à assembler, le solvant de dégraissage peut être un solvant organique, par exemple du type cétone, éther, alcool, alcane, ou alcène chloré tel que le trichloroéthylène, ou un mélange de ceux-ci, etc.
Un solvant préféré est un mélange en proportions égales d'alcool éthylique, d'éther et d'acétone. Un autre solvant préféré est le trichloroéthylène. Le décapage chimique peut être réalisé avec une solution acide, par exemple un bain d'acide fluorhydrique à 10% ou un mélange comprenant de 1 à 5% d'acide fluorhydrique avec 30 à 40% d'acide nitrique. La durée de décapage peut être par exemple de 10 secondes à 5 minutes, par exemple de 20 à 30 secondes, à une température de 15°C, par exemple de 20°C. Les surfaces décapées peuvent ensuite être rincées dans un ou plusieurs bains successifs par exemple d'eau déminéralisée.
D’une manière connue, l'étape suivante est une étape de mise en contact direct des surfaces dégraissées et décapées des éléments. Cette mise en contact correspond à une mise en place ou un positionnement des éléments à assembler surface contre surface, selon un empilement désiré. De préférence, cette mise en contact est faite dans un délai inférieur à une heure suivant l'étape de dégraissage et de décapage des surfaces à assembler, de manière à limiter les risques d'oxydation, sauf dans le cas où des précautions particulières ont été prises pour stocker les éléments dégraissés et décapés, ces précautions pouvant consister par exemple à maintenir les éléments dans une atmosphère propre et non oxydante telle que l'azote au moyen d'un ensachage dans des sacs étanches.
Cette mise en contact est dite "directe", car elle se fait selon la présente invention sans disposer sur les surfaces à assembler une couche intermédiaire d'un alliage telle que celle décrites dans l'art antérieur. Selon l'invention, l'étape qui suit la mise en contact des surfaces des éléments à assembler est une étape d'assemblage par soudage par diffusion des surfaces mises en contact direct. Le soudage par diffusion peut être effectué par exemple par compression isostatique ou par pressage uniaxial à chaud, par exemple, par des techniques classiques connues de l'homme du métier.
Lorsque le soudage par diffusion est effectué par compression isostatique à chaud, les matériaux mis en contact peuvent être introduits dans une enveloppe qui permet d'isoler les éléments à assembler de l'atmosphère et d'évacuer l’air de l'enveloppe pour l'assemblage des éléments par soudage par diffusion dans celle-ci.
Il est précisé que l'enveloppe 30 peut être constituée de tout matériau étanche, suffisamment résistant pour supporter un vide au moins partiel dans celle-ci, et pour supporter les températures et les pressions élevées nécessaires pour assembler les éléments. Par exemple, l'enveloppe peut être une enveloppe métallique, par exemple en acier inoxydable, en acier doux ou en titane et ses alliages. Elle peut être par exemple formée à partir d'une tôle ayant une épaisseur par exemple de 1 à 20 mm environ, par exemple de 1 à 10 mm environ. De préférence, l'enveloppe peut épouser la forme extérieure des éléments à assembler.
D’une manière connue, l'élément en acier inoxydable martensitique (l’arbre 2) peut fermer l’enveloppe 30 en jouant le rôle de couvercle de l'enveloppe 30, l'arbre 2 pouvant alors être soudé à l'enveloppe 30. D’une manière connue, cette enveloppe 30 peut être réalisée par découpage, éventuellement cintrage et soudage d'une tôle métallique ou par un quelconque procédé connu de l'homme du métier.
L'enveloppe 30 est ensuite dégazée de manière à créer un vide dans celle-ci. Le dégazage peut être réalisé au moyen d'une pompe à vide et d'un chauffage de l'ensemble éléments à assembler/enveloppe.
Un exemple de dégazage peut consister à évacuer l’air de l'enveloppe 30 à température ambiante jusqu'à l'obtention d'un vide résiduel inférieur ou égal à 10 Pa, puis à chauffer l'ensemble à température modérée, par exemple inférieure à 300 °C pendant quelques heures, par exemple 5 heures, tout en continuant à évacuer.
Il peut être utile de vérifier que l'enveloppe est étanche, avant la réalisation de l'opération de soudage par diffusion, par exemple au moyen d'un test à l'hélium.
Une fois l'étape de dégazage effectuée, l'enveloppe 30 est rendue totalement étanche par l'obturation de l'ouverture ayant servi à son évacuation, l'obturation étant réalisée par exemple à l'aide d'une soudure TIG.
Les éléments mis en contact dans l'enveloppe dégazée peuvent ensuite être assemblés par soudage par diffusion. L'assemblage peut être réalisé dans une enceinte de compression isostatique à chaud.
Chauffage
Plus précisément, l’étape de chauffage, comprend une phase de mise sous pression de l’ensemble 32. Typiquement la pression à l’intérieure d’une enceinte de chauffage (i.e. un four) peut être amenée à une valeur comprise entre 1000 et 2000 bars (de manière privilégiée la pression peut se situer aux alentours de 1500 bars).
En sus, d’une manière préférentielle, le chauffage est réalisé dans une atmosphère dite neutre. Pour ce faire, l’enceinte de chauffage du four utilisé est saturée d’un gaz neutre (i.e. un gaz rare selon la classification périodique des éléments). Préférentiellement, le gaz neutre utilisé peut-être de l’argon. Selon une autre disposition, l’atmosphère de l’enceinte de chauffage peut être saturée en azote.
L’un des objectifs de la saturation de l’enceinte de chauffage en argon ou en azote est de chasser l’oxygène pour éviter une potentielle réaction d’oxydation.
En outre, d’une manière préférentielle, l’étape de chauffage est réalisée en amenant l’ensemble 32 à une température permettant la soudure par diffusion mais inférieure à une température de liquéfaction du cuivre (et par conséquent de l’acier).
Il est précisé que par « amener l’ensemble à une température permettant la soudure par diffusion », il est entendu que la température de l’ensemble 32 est augmentée progressivement (linéairement) jusqu’à une température maximale, puis la température maximale est maintenue pendant une durée déterminée.
D’une manière particulièrement préférée, la température maximale de chauffage peut être comprise entre 900° C et 1040°C pour réaliser la mise en solution de l’acier.
D’une manière préférentielle, l’étape de chauffage est réalisée de manière progressive sur plusieurs heures. D’une manière particulièrement préférée, l’étape de chauffage dure une dizaine d’heures.
Traitement thermique
D’une manière préférentielle, l’étape de traitement thermique peut comprendre une trempe choisie parmi une trempe à l’air libre, une trempe à l’eau ou une trempe à l’huile.
Il est précisé que la trempe peut être homogène pour la totalité de l’ensemble 32 ou peut être monitorée via des mesures in-situ.
D’une manière préférentielle, l’étape de traitement thermique de trempe est déterminée afin que l’acier de l’arbre 2 devienne martensitique. Plus précisément, l’étape de traitement thermique permet de supprimer une éventuelle présence d’austénite résiduelle dans l’acier de l’arbre 2.
D’une manière privilégiée, la trempe doit correspondre à une vitesse de refroidissement supérieure à la vitesse critique pour créer la phase martensitique, soit plusieurs dizaines de degrés/seconde (° /s).
En référence au diagramme présenté en figure 12, l’objectif de la trempe est d’atteindre au moins la zone indiqué V2 sur la figure 12 et au mieux la zone indiqué V1 .
L’étape de trempe est très avantageuse pour améliorer les propriétés électromagnétiques comme le montre la figure 13 qui montre que la vitesse de refroidissement a une incidence directe sur les propriétés électromagnétiques du matériau. En effet, L’hystérésis magnétique H1 correspond à un matériau trempé à l’eau, l’hystérésis magnétique H2 correspond à une trempe sous air. Ainsi, il est observable sur la figure 13 qu’une éprouvette refroidie sous eau présente de meilleures propriétés électromagnétiques qu’une éprouvette refroidie sous air.
Suite à la trempe, il est possible de poursuivre cette phase de traitement thermique en immergeant l’ensemble 32 dans un bain cryogénique afin de réduire la présence d’austénitique résiduelle. Typiquement le bain cryogénique peut être à une température inférieure à -20° C. D’une manière privilégiée, l’ensemble 32 est plongé dans le bain cryogénique pendant une durée pouvant être comprise entre 10 minutes et 60 minutes.
Revenu
Suite au traitement thermique de trempe, l’étape de revenu permet de recouvrir les caractéristiques recherchées pour le cuivre constituant l’ensemble conducteur 4 (résistance mécanique, conductivité électrique ...), et permet d’adoucir l’acier martensitique pour augmenter sa ductilité tout en préservant ses propriétés électromagnétiques, ce qui permet d’optimiser les performances globales du rotor 1.
L’étape de revenu est une étape connue dans le domaine de la métallurgie. D’une manière usuelle, le revenu peut aussi être appelé « vieillissement ».
D’une manière préférentielle, le revenu est réalisé en amenant l’ensemble 32 à une température de palier comprise entre 450° C et 650° C, sur une durée comprise entre 1 heure et 4 heures. Ce traitement optimisé permet de garantir pour l’alliage de cuivre une conductivité égale ou supérieure à 90% de la conductivité du Cuivre pur (%IÀCS) et assure le maintien des propriétés mécaniques recherchées.
Séparation et finition
La séparation de l’enveloppe 30 et du rotor 1 est réalisée en usinant l’enveloppe 30 pour ne conserver que le rotor 1 . En d’autres termes, l’enveloppe 30 est extraite par usinage, typiquement par tournage.
Le rotor 1 obtenu présente alors des cotes d’ébauches, comme cela est représenté sur la figure 10.
Puis, le rotor 1 , et plus particulièrement son ensemble conducteur 4, est usiné pour avoir les cotes et géométries finales.
À l’issue de cette dernière étape d’usinage de finition, le rotor 1 obtenu présente les caractéristiques géométriques nécessaires à son utilisation, et présente aussi des caractéristiques structurelles et électromagnétiques garantissant sa résistance lors d’une utilisation à des vitesses de rotation supérieures à 50 000 tr/min.
La zone de liaison par interdiffusion sur la pièce obtenue selon le procédé présente typiquement une épaisseur de quelques dizaines de pm.
Le rotor 1 possédant une structure de type monolithique peut facilement être équilibré statiquement et dynamiquement (par enlèvement de matière localisé), ce qui permet de garantir un niveau vibratoire le plus bas possible et compatible avec une haute vitesse de rotation du rotor 1 .
Claims
1. Rotor (1 ) de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre (2) réalisé dans un premier matériau et un ensemble conducteur (4) réalisé dans un deuxième matériau différent du premier matériau, le rotor (1 ) étant caractérisé en ce que l’arbre (2) présente une portion d’épaulement (6) présentant au moins une encoche (25) longitudinale et, l’ensemble conducteur (4) est une structure monobloc comprenant au moins une barre conductrice (28) destinée à être positionnée dans l’au moins une encoche (25) et comprenant une peau (29) destinée à être fixée sur la portion d’épaulement.
2. Rotor (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel au niveau de la portion d’épaulement (6), le rotor (1 ) présente une couche d’interpénétration du premier matériau et du deuxième matériau, la couche d’interpénétration comprenant un alliage du premier matériau et du deuxième matériau.
3. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l’ensemble conducteur (4) comprend deux anneaux (12), un premier anneau (12) étant fixé au rotor (1 ) à une première région d’extrémité (8) de la portion d’épaulement (6) et un deuxième anneau (12) étant fixé au rotor (1 ) à une deuxième région d’extrémité (8) de la portion d’épaulement (6).
4. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rotor (1 ) comprend une pluralité d’encoches (25) tangentiellement réparties et/ou radialement superposées dans l’épaulement (6).
5. Rotor selon la revendication 4, dans lequel la pluralité d’encoches (25) comprend deux encoches (25) contiguës radialement superposées dans l’épaulement (6), une ouverture (30) reliant lesdites deux encoches contiguës.
6. Procédé de fabrication d’un rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins une des étapes de :
- insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection ;
- chauffage et mise en pression de l’ensemble (32) contenant l’enveloppe (30), l’élément destiné à former l’ensemble conducteur (4) et l’arbre (2), jusqu’à une température de formation de l’ensemble conducteur (4) et de soudure par diffusion de l’ensemble conducteur (4) et de l’arbre (2) pour obtenir un ensemble (32) comprenant l’enveloppe (30) et le rotor (1 ) ;
- traitement thermique de refroidissement de l’ensemble (32) ;
- revenu de l’ensemble (32) ;
- séparation de l’enveloppe (30) et du rotor (1 ).
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l’étape d’insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former l’ensemble conducteur (4).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel l’étape de chauffage et mise en pression de l’ensemble (32) est réalisée dans une enceinte dédiée et dans une ambiance neutre.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel l’étape de traitement thermique comprend une trempe choisie parmi une trempe au gaz en convection naturelle ou forcée, une trempe à l’eau ou une trempe à l’huile.
10. Procédé selon l’une des revendications 6 à 9 dans lequel le premier matériau contient au moins du fer et du carbone, et l’étape de traitement thermique est réalisée jusqu’à ce que le premier matériau devienne martensitique.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 10 comprenant une étape préalable d’usinage de l’arbre (2).
12. Procédé selon la revendication 11 , dans lequel l’étape d’usinage de l’arbre (2) comprend au moins une phase d’usinage d’au moins une encoche (25).
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