WO2023041874A1 - Rotor de moteur électrique - Google Patents

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WO2023041874A1
WO2023041874A1 PCT/FR2022/051731 FR2022051731W WO2023041874A1 WO 2023041874 A1 WO2023041874 A1 WO 2023041874A1 FR 2022051731 W FR2022051731 W FR 2022051731W WO 2023041874 A1 WO2023041874 A1 WO 2023041874A1
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WO
WIPO (PCT)
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rotor
skin
shaft
casing
assembly
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/051731
Other languages
English (en)
Inventor
Camel SERGHINE
Thomas Klonowski
Original Assignee
Safran Helicopter Engines
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Safran Helicopter Engines filed Critical Safran Helicopter Engines
Priority to CN202280058547.XA priority Critical patent/CN117882279A/zh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/0012—Manufacturing cage rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • H02K17/168—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having single-cage rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/02—Details of the magnetic circuit characterised by the magnetic material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • 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.
  • one of the preferred ways is to reduce the mass of the electric motors of generation and/or 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 vertical take-off and landing) short landing).
  • VTOL Vertical Take Off and Landing, which means vertical take-off and landing
  • STOL Short Take Off and Landing, which means vertical take-off and landing
  • 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.
  • 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 from rotating parts of the machine rotor (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 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 the similar disadvantage of DC machines to have a maximum speed of the rotor relative to the stator of about 25,000 rpm. This speed limitation is due to the presence of conductive rings rubbing on the rotor.
  • 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. Thus, during an internal fault such as a short-circuit on the stator windings, the short-circuit is self-sustaining due to the rotation of the magnets which generate this short-circuit. It is therefore necessary to be able to stop the rotation of the rotor so that the fault does not propagate.
  • variable reluctance synchronous machine is a machine with strong electromagnetic performance
  • the rotor is magnetically passive in nature, so in the event of a problem on the stator windings, the machine is de-energized in 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 about ten years called asynchronous machine with massive rotor.
  • massive rotor comes from the fact that the rotor, which can be multi-material, is very compact and the rotor is resistant to much greater mechanical stresses 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 (ie speeds greater than 30,000 rpm).
  • the invention proposes an aircraft electric motor rotor comprising a shaft made of a first material and a skin made of a second material different from the first material, in which the shaft has a shoulder portion on which is fixed the skin, at the shoulder portion, the rotor has an interpenetration layer of the first material and the second material, the interpenetration layer comprising an alloy of the first material and the second material.
  • the skin may comprise 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 skin and the rings can be in one piece.
  • the skin may comprise two half-shells welded together.
  • 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 invention, comprising at least one of the steps of:
  • the step of inserting the shaft and an element intended to form the skin in a protective tubular envelope may include the phases of:
  • the step of inserting the shaft and an element intended to form the skin in a tubular protective casing may comprise a phase of positioning, around the shaft, a powder intended to form the skin.
  • the heating and pressurizing step of 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 heat treatment step can be carried out until the first stainless steel material becomes martensitic.
  • Figure 1 is a graph representing the maximum power of different electrical machines as a function of rotational speed
  • Figure 2 is a sectional view of a rotor according to the invention.
  • Figure 3 is a representation of a shaft, two half-shells and an envelope for implementing the method according to the invention
  • Figure 4 is a representation of an envelope comprising a shaft and two half-shells
  • Figure 5 is a representation of a tree and a skin extracted from the envelope
  • Figure 6 is a representation of a rotor obtained by an embodiment of the method according to the invention.
  • Figure 7 is a representation of a diagram of the change in microstructure of a steel as a function of the cooling rate
  • Figure 8 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 skin 4 made of a second material different from the first material.
  • the shaft 2 is a one-piece piece of revolution having in particular a shoulder portion 6. It is specified that by shoulder portion, it is understood 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 (i.e. each being a circular crown). Each end region 8 of the shoulder portion 6 has a groove intended to accommodate a ring 12.
  • the shaft 2 may have a longitudinal bore 1.
  • Bore 14 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 is a steel comprising mainly 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 in operation in an electric motor) so that the skin 4 receives as much magnetic field as possible.
  • the shaft alloy can be selected 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.
  • Skin 4 is a copper cylinder positioned over shoulder region 6. Copper is chosen for its excellent conductivity. According to another embodiment, the skin 4 could for example be made of silver or aluminum.
  • the material, such as copper or silver, constituting the skin 4 is not necessarily a pure material and may be an alloy based on copper, based on aluminum or based on silver.
  • the copper alloy may include addition elements such as chromium and zirconium or cobalt or even Beryllium.
  • the skin 4 consists of two half-shells 18 assembled and permanently bonded by a diffusion welding process.
  • the skin can advantageously have a thickness of the order of 1 to 5 millimeters.
  • the skin 4 can comprise two rings 12 which are each intended to be positioned in a groove of an end region 8.
  • each ring 12 is in one piece with a respective half-shell 18.
  • each ring 12 is made in one piece with a respective half-shell 18.
  • the rings 12 have a short-circuit function and are used to loop back the induced currents to the rotor.
  • the structure in two half-shells 18 makes it possible to assemble the skin 4 on the shaft 2.
  • each half-shell 18 has a first end comprising a ring 12 and a second end having a chamfer 22.
  • the chamfers 22 of the two half-shells 18 are complementary to each other to facilitate the assembly of the two half-shells 18.
  • a half-shell 18 can have a chamfer at +45° and the other half- shell 18 may have a chamfer 22 at -45°.
  • complementary assembly it is understood that once assembled the two half-shells 18 form a complete cylinder (i.e. without hole or opening at the junction between the two half-shells 18).
  • the skin 4 is welded to the portion of shoulders 6 and the end regions 8 of the shaft 2. This welding is carried out so that the rotor 1 has an interpenetration layer due to the existence of a diffusion of material between the skin 4 and the shaft 2, at the level of the shoulder portion 6 and the regions of ends 8.
  • the rotor has an interpenetration layer of the material of the shaft 2 and the material of the skin 4.
  • interpenetration is meant a layer of alloy of the material of the shaft 2 (first material) and of the material of the skin 4 (second material).
  • this interpenetration is carried out without the addition of a third material.
  • the welding of skin 4 and shaft 2 includes only skin 4 and shaft 2 and does not involve any additional material.
  • the interpenetration layer is the result of welding by diffusion of the skin 4 and of the shaft 2.
  • This arrangement very advantageously makes it possible to have a excellent mechanical strength over the entire surface of the shoulder portion 6, which enables the rotor 1 to withstand rotation speeds greater than 50,000 rpm in the present configuration.
  • 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 fusion, thanks to the simultaneous application of a temperature and a high pressure on a determined time.
  • the step of inserting the shaft 2 and an element intended to form the skin 4 in a protective tubular casing 30 comprises the phases of:
  • the step of inserting the shaft 2 and an element intended to form the skin 4 into a protective tubular casing 30 comprises a phase of positioning, around the shaft, a powder intended to form the skin 4.
  • the powder during the heating and pressurizing process in the envelope 30, binds and becomes a homogeneous element to form the skin 4.
  • 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 The pickling technique can be chemical pickling followed by rinsing with water during which the surface of the materials is rubbed using an abrasive pad, for example based on alumina fibers. This treatment can be repeated several times, the last rinsing being able to be carried out with demineralized water.
  • the degreasing solvent can be an organic solvent, for example of the acetone, ether, alcohol, alkane type, or of the chlorinated alkene type such as trichlorethylene, or a mixture of these solvents, 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 degreasing can be carried out by means of an organic solvent such as those mentioned above, for example by means of acetone or a ternary mixture acetone ethyl alcohol-ether of preferably in equal proportions.
  • the degreasing of this surface can optionally be followed by ultrasonic treatment for a period of, for example, one minute.
  • the surface can then be degreased in ethanol under ultrasound then dried for example by means of hot air.
  • This surface can then be pickled, for example by means of a bath of potassium dichromate, for example at a concentration of 0.23 to 0.30 moles/litre, of sulfuric acid at a concentration for example of 0.1 to 0 .13 moles/litre, and demineralized water, for example 1 to 3 minutes, for example for 1 minute and 30 seconds approximately.
  • the surface can then be rinsed in ethanol for example under ultrasound, then in demineralized water and dried for example by means of hot air.
  • the next step is a step of bringing the degreased and pickled surfaces of the elements into direct contact.
  • This contacting corresponds to a placement or positioning of the elements to be assembled surface against surface, according to a desired stacking.
  • this contacting is done within 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.
  • the 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 gases in the envelope for the assembly of the elements by diffusion welding therein.
  • the contacting step can also be done in the envelope directly.
  • 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 made by cutting, optionally by bending and then by 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.
  • Degassing can be carried out by means of a vacuum pump and heating of the assembly comprising the elements to be assembled and the envelope.
  • An example of degassing may consist in evacuating the envelope 30 at room 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 less than 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 comprises 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 temperature of the assembly 32 is increased gradually (linearly) up to a maximum temperature, then the maximum temperature is maintained for a fixed period.
  • the maximum heating temperature may be between 900° C. and 1040° C. to carry out the dissolution of the metallic components present in the casing 30.
  • 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 quenching can be homogeneous for the whole of the assembly 32 or can be monitored by 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 degrees/second or even several tens of degrees/second (°/s).
  • the objective of the quenching is to reach at least the zone bearing the reference V2 in figure 7 and at best the zone bearing the reference V1.
  • the quenching step is very advantageous to improve the electromagnetic properties as shown in Figure 8 which shows that the cooling rate has a direct impact on the electromagnetic properties of the material.
  • the magnetic hysteresis cycle H1 corresponds to a water quenched material
  • the magnetic hysteresis cycle H2 corresponds to air quenching.
  • a water-cooled specimen has better electromagnetic properties than an air-cooled specimen.
  • the assembly 32 is immersed in a cryogenic bath in order to reduce the presence of residual austenite.
  • 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 obtain the desired characteristics for the copper constituting the skin 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.
  • the tempering step is a step known 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 5.
  • the rotor 1, and more particularly its skin 4 are 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 high-speed operation.

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Abstract

La présente invention concerne un rotor (1) de moteur électrique d'aéronef comprenant un arbre (2) réalisé dans un premier matériau et une peau (4) réalisée 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) sur laquelle est fixée la peau (4), 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.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Rotor de moteur électrique
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 des 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, une des voies privilégiées est 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, le poids 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 peut 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 électrique (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 machine étant 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 dans lequel la machine est embarquée 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 de 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 pour inconvénient similaire aux machines à courant continu de présenter 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 à 3 étages : ces machines sont très largement utilisées dans le milieu aéronautique comme génératrice de courant car elles ont l’avantages d’être facilement pilotables et auto-excitables sans balais ou sans bagues 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) réduisant la fiabilité des 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 génèrent 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 variable est une machine avec de fortes performances électromagnétiques, un autre avantage est que le rotor est de nature passive 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 fonction de 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’années 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 le rotor est résistant 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 propose un rotor de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre réalisé dans un premier matériau et une peau réalisée dans un deuxième matériau différent du premier matériau, dans lequel l’arbre présente une portion d’épaulement sur laquelle est fixée la peau, au niveau de la portion d’épaulement, le rotor 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.
La peau 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.
La peau et les anneaux peuvent être monoblocs.
La peau peut comprendre deux demi-coquilles soudées l’une à l’autre.
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 l’invention, comprenant au moins une les étapes de :
- insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former la peau dans une enveloppe tubulaire de protection ;
- chauffage et mise en pression de l’ensemble contenant l’enveloppe, l’arbre et l’élément destiné à former la peau, jusqu’à une température de formation la peau et de soudure par diffusion de la peau 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 la peau dans une enveloppe tubulaire de protection peut comprendre les phases de :
- positionnement des deux demi-coquilles sur la portion d’épaulements et des régions d’extrémités de l’arbre ;
- insertion de l’arbre et des deux demi-coquilles dans une enveloppe tubulaire de protection. L’étape d’insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former la peau dans une enveloppe tubulaire de protection peut comprendre une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former la peau.
L’étape de chauffage et mise en pression de l’ensemble peut être est 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.
L’étape de traitement thermique peut être réalisée jusqu’à ce que le premier matériau en acier inoxydable devienne martensitique.
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 :
[Fig. 1] La figure 1 est un graphique représentant la puissance maximale de différentes machines électriques en fonction de la vitesse de rotation ;
[Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe d’un rotor selon l’invention ;
[Fig. 3] La figure 3 est une représentation d’un arbre, de deux demi-coquilles et d’une enveloppe pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention ;
[Fig. 4] La figure 4 est une représentation d’une enveloppe comprenant un arbre et deux demis-coquilles ;
[Fig. 5] La figure 5 est une représentation d’un arbre et d’une peau extraits de l’enveloppe ;
[Fig. 6] La figure 6 est une représentation d’un rotor obtenu par un mode de mise en oeuvre du procédé selon l’invention ;
[Fig. 7] La figure 7 est une représentation d’un diagramme de changement de microstructure d’un acier en fonction de la vitesse de refroidissement ; et
[Fig. 8] La figure 8 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 une peau 4 réalisée dans un deuxième matériau différent du premier matériau.
Arbre
L’arbre 2 est une pièce de révolution monobloc présentant 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, tel que représenté sur la figure 2, l’arbre 2 peut présenter un alésage 1 longitudinal. L’alésage 14 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 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 fonction dans un moteur électrique) pour que la peau 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.
Peau
La peau 4 est un cylindre de cuivre positionné sur la région d’épaulement 6. Le cuivre est choisi pour son excellente conductivité. Selon un autre mode de réalisation, la peau 4 pourrait par exemple être réalisée en argent ou en aluminium.
Il est précisé que le matériau, tel que le cuivre ou l’argent, constituant la peau 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.
Selon le mode de réalisation ici présenté et en référence à la figure 3, la peau 4 est constituée de deux demis-coquilles 18 assemblées et liées de façon permanente par un procédé de soudage diffusion.
La peau peut avantageusement avoir une épaisseur de l’ordre de 1 à 5 millimètres.
La peau 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 une demi-coquille 18 respective. En d’autres termes, d’une manière préférentielle, chaque anneau 12 est réalisé d’un seul tenant avec une demi-coquille 18 respective. Ainsi les anneaux 12 sont assimilables à des portions de peau 4 plus épaisses. Les anneaux 12 ont une fonction de court-circuit et servent à reboucler les courants induits au rotor.
La structure en deux demi-coquilles 18 permet d’assembler la peau 4 sur l’arbre 2.
Selon le mode de réalisation ici présenté, chaque demi-coquille 18 présente une première extrémité comprenant un anneau 12 et une deuxième extrémité présentant un chanfrein 22.
Les chanfreins 22 des deux demi-coquilles 18 sont complémentaire l’un de l’autre pour faciliter l’assemblage des deux demi-coquilles 18. Typiquement une demi-coquille 18 peut présenter un chanfrein à +45° et l’autre demi-coquille 18 peut présenter un chanfrein 22 à -45° . Par assemblage complémentaire, il est entendu qu’une fois assemblées les deux demis-coquilles 18 forment un cylindre complet (i.e. sans trou ou ouverture au niveau de la jonction entre les deux demi-coquilles 18).
Soudage par diffusion et couche d’interpénétration
Selon une disposition particulièrement avantageuse de l’invention, la peau 4 est soudée à la portion d’épaulements 6 et les régions d’extrémités 8 de l’arbre 2. Cette soudure est réalisée de sorte que le rotor 1 présente une couche d’interpénétration dû à l’existence d’une diffusion de matière entre la peau 4 et l’arbre 2, au niveau de la portion d’épaulement 6 et des régions d’extrémités 8.
En d’autres termes, au niveau de la portion d’épaulement 6 et des régions d’extrémité 8, le rotor présente une couche d’interpénétration du matériau de l’arbre 2 et du matériau de la peau 4.
Par interpénétration, il est entendu une couche d’alliage du matériau de l’arbre 2 (premier matériau) et du matériau de la peau 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 la peau 4 et de l’arbre 2 comprend uniquement la peau 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 la peau 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, 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 3 le procédé comprend les étapes de :
- insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former la peau 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection ;
- chauffage et mise en pression de l’ensemble 32 contenant l’enveloppe 30, l’arbre 2 et l’élément destiné à former la peau 4, jusqu’à une température de formation la peau 4 et de soudure par diffusion de la peau 4 et de l’arbre 2 pour obtenir un ensemble 32 comprenant l’enveloppe 30 et le rotor 1 ;
- traitement thermique de trempe de l’ensemble 32 ;
- traitement thermique de revenu de l’ensemble 32 ;
- 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 sur un temps déterminé.
Plus précisément, selon un premier mode de réalisation, l’étape d’insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former la peau 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection comprend les phases de :
- positionnement des deux demi-coquilles 18 sur la portion d’épaulement 6 et les régions d’extrémités 8 de l’arbre 2 ;
- insertion de l’arbre 2 et des deux demi-coquilles 18 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection.
Selon un deuxième mode de réalisation l’étape d’insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former la peau 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former la peau 4.
Selon ce deuxième mode de réalisation, la poudre, pendant le processus de chauffage et de mise en pression dans l’enveloppe 30, se lie et devient un élément homogène pour former la peau 4.
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 par 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, par exemple à base 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 est 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 acétone, éther, alcool, alcane, ou du type alcène chloré tel que le trichloroéthylène, ou un mélange de ces solvants, 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.
Pour la surface de l'élément comprenant du cuivre, le dégraissage peut être effectué au moyen d'un solvant organique tels que ceux cités ci-dessus, par exemple au moyen d'acétone ou d'un mélange ternaire acétone alcool éthylique-éther de préférence dans des proportions égales. Le dégraissage de cette surface peut éventuellement être suivi d'un passage aux ultrasons pendant une durée par exemple d'une minute. La surface peut ensuite être dégraissée dans de l'éthanol sous ultrasons puis séchée par exemple au moyen d'air chaud.
Cette surface peut alors être décapée par exemple au moyen d'un bain de bichromate de potassium par exemple à une concentration de 0,23 à 0,30 moles/litre, d'acide sulfurique à une concentration par exemple de 0,1 à 0,13 moles/litre, et d'eau déminéralisée, pendant par exemple 1 à 3 minutes, par exemple pendant 1 minute et 30 secondes environ. La surface peut ensuite être rincée dans de l'éthanol par exemple sous ultrasons, puis dans de l'eau déminéralisée et séchée par exemple au moyen d'air chaud.
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 ou 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 décrite 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 par 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 les gaz dans l'enveloppe pour l'assemblage des éléments par soudage par diffusion dans celle-ci. L’étape de mise en contact peut aussi être faite dans l'enveloppe directement.
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 par cintrage puis par 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 comprenant les éléments à assembler et l’enveloppe. Un exemple de dégazage peut consister à évacuer 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 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’intérieur 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 des composants métalliques présents dans l’enveloppe 30.
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 surveillée par 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 degrés/seconde voire plusieurs dizaines de degrés/seconde (° /s).
En référence au diagramme présenté en figure 7, l’objectif de la trempe est d’atteindre au moins la zone portant la référence V2 sur la figure 7 et au mieux la zone portant la référence V1 .
L’étape de trempe est très avantageuse pour améliorer les propriétés électromagnétiques comme le montre la figure 8 qui montre que la vitesse de refroidissement a une incidence directe sur les propriétés électromagnétiques du matériau. En effet, Le cycle magnétique d’hystérésis H1 correspond à un matériau trempé à l’eau, le cycle magnétique d’hystérésis H2 correspond à une trempe à l’air. Ainsi, il est observable sur la figure 8 qu’une éprouvette refroidie à l’eau présente de meilleures propriétés électromagnétiques qu’une éprouvette refroidie à l’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’austénite 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 d’obtenir les caractéristiques recherchées pour le cuivre constituant la peau 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’ébauche, comme cela est représenté sur la figure 5.
Puis, le rotor 1 , et plus particulièrement sa peau 4, sont usinés 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 pour un fonctionnement à haute vitesse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Rotor (1 ) de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre (2) réalisé dans un premier matériau et une peau (4) réalisée 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) sur laquelle est fixée la peau (4), 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.
2. Rotor (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel la peau (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).
3. Rotor (1 ) selon la revendication 2 dans lequel la peau (4) et les anneaux (12) sont monoblocs.
4. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la peau (4) comprend deux demi-coquilles (18) soudées l’une à l’autre.
5. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau contient au moins du fer et du carbone.
6. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième matériau contient au moins l’un des métaux choisis parmi du cuivre, de l’aluminium ou de l’argent.
7. Procédé de fabrication d’un rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins une les étapes de :
- insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former la peau (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection ;
- chauffage et mise en pression de l’ensemble (32) contenant l’enveloppe (30), l’arbre (2) et l’élément destiné à former la peau (4), jusqu’à une température de formation la peau (4) et de soudure par diffusion de la peau (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 ).
8. Procédé selon la revendication précédente pour la fabrication d’un rotor (1 ) selon la revendication A, dans lequel l’étape d’insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former la peau (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection comprend les phases de :
- positionnement des deux demi-coquilles (18) sur la portion d’épaulements (6) et des régions d’extrémités (8) de l’arbre (2) ;
- insertion de l’arbre (2) et des deux demi-coquilles (18) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection.
9. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l’étape d’insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former la peau (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former la peau (4).
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, 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.
11 . Procédé selon la revendication 7, 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.
12. Procédé selon la revendication précédente pour la fabrication d’un rotor (1 ) selon la revendication 5 dans lequel le premier matériau est en acier inoxydable et l’étape de traitement thermique est réalisée jusqu’à ce que le premier matériau devienne martensitique.
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