Le laminage CRGO peut-il être utilisé dans les moteurs ? Avantages, inconvénients et cas de niche

Réponse courte pour les équipes d'achat et de conception très occupées

Oui, Laminés CRGO peuvent être utilisés dans les moteurs. Mais pas de la même manière que l'on introduit un matériau d'échange dans la nomenclature et que l'on considère que c'est fait.

Dans les moteurs à induction ou à particules standard avec des empilages stator/rotor conventionnels :

• Utilisation de CRGO sans la refonte est généralement blessures performances : pertes localisées plus importantes, saturation plus précoce dans certaines régions, ondulation du couple plus importante, bruit moins prévisible.
• La plupart des moteurs commerciaux utilisent de l'acier au silicium non orienté parce que le champ magnétique dans le noyau tourne ; ils ont besoin d'un comportement quasi isotrope dans le plan de la feuille, ce que le CRGO n'a tout simplement pas.
• Le CRGO dans les moteurs ne prend tout son sens que lorsque l'on façonne délibérément les trajectoires du flux et la géométrie de l'empilement de manière à ce que le flux suive principalement la direction de roulement dans chaque pièce (stators segmentés, empilements décalés, flux axial, etc.).

La règle pratique :

Le CRGO n'est pas une solution de remplacement pour les moteurs standard. C'est un outil pour les topologies spéciales et les prototypes à haut rendement, lorsque la conception et la fabrication peuvent supporter la complexité.

Pourquoi les moteurs utilisent généralement de l'acier électrique non orienté ?

Récapitulation très courte, sans diagramme de manuel.

• Dans les transformateurs, le flux reste principalement le long d'une trajectoire rectiligne.
• Dans les moteurs, le flux continue de tourner : dents, culasse, ouvertures de fentes, géométrie du rotor. La direction de l'aimantation locale varie au cours du cycle électrique.

L'acier à grains orientés est fabriqué de manière à ce que la direction de magnétisation “facile” s'aligne sur la direction de laminage. Le long de cette direction, les pertes sont faibles et l'induction élevée ; perpendiculairement, les pertes et la perméabilité se dégradent fortement.

L'acier non orienté répartit ses performances de manière plus uniforme. La perte est plus élevée que le CRGO le long de la meilleure direction, mais bien meilleure que le CRGO lorsque le champ n'est pas dans l'axe. C'est la raison pour laquelle les fiches techniques et les manuels ne cessent de répéter :

• CRGO → noyaux statiques (transformateurs de puissance/distribution).
• CRNO/CRNGO → moteurs, générateurs, machines tournantes. 

La trajectoire du flux de votre moteur n'est pas une flèche bien nette. Il ressemble plutôt à une boucle qui a oublié de rester dans un plan.

C'est la raison principale.

Que se passe-t-il réellement si vous spécifiez CRGO pour une pile de laminage de moteurs ?

Prenons un cas courant : une machine à courant alternatif à flux radial, stator à fentes, rotor conventionnel. Vous demandez à votre fournisseur de laminage de perforer la même géométrie en CRGO au lieu de CRNGO.

1. Comportement magnétique dans le noyau construit

La fiche technique du CRGO fait état d'une faible perte impressionnante à 1,5 T, 50/60 Hz dans le sens du roulement. Tout va bien.

A l'intérieur de votre moteur :

• Dents Les flux sont principalement visibles sur toute leur longueur, mais ne sont pas parfaitement alignés partout.
• Attelage se déroule de manière circonférentielle. Certaines parties de cette trajectoire seront alignées, d'autres seront inclinées par rapport à la direction du laminage, en fonction de la façon dont vos découpes ont été emboîtées.
• Autour des ouvertures de fentes, des encoches et des ponts, les lignes de flux coupent le sens du roulement de manière désordonnée.

Résultat :

• Les régions alignées sur le sens du roulement se comportent comme prévu.
• Les régions décalées de 45 à 90° présentent une perte de noyau locale plus importante et une perméabilité plus faible que prévu.

Les outils de conception qui supposent l'isotropie ne prévoient pas suffisamment ce désordre. Les modèles FEA avec des données anisotropes BH et de perte appropriées peuvent le montrer, mais la plupart des modèles de moteurs existants ne comportent pas de surfaces de perte directionnelles complètes.

Vous obtenez donc quelque chose comme :

• L'efficacité globale pourrait ne pas s'améliorer.
• La répartition de la perte de fer devient inégale, des points chauds apparaissent.
• L'ondulation du couple et le comportement acoustique se modifient d'une manière que vous n'aviez pas prévue.

2. Carte des pertes et des températures

Les études académiques et industrielles qui ont testé les stators GOES dans des machines à courant alternatif rapportent souvent :

• La réduction des pertes de fer n'est possible que lorsque les tôles sont décalé ou segmenté afin que le flux puisse continuer à trouver une direction facile à travers les couches ou les segments.
• Avec de “simples” stators fabriqués à partir de CRGO coupé comme de l'acier NO, le gain est faible, voire négatif.

Dans un exemple de machine à induction de 10 kW, le passage à des tôles de stator GO décalées a permis d'améliorer le rendement d'environ 2 points de pourcentage, mais cela dépendait d'un angle de décalage soigneusement choisi et d'une modélisation anisotrope dans le flux de conception.

Le CRGO peut donc être utile, mais seulement si vous laissez la géométrie en tirer parti. Il ne suffit pas de changer le code de qualité dans les spécifications pour y parvenir.

3. Fabrication et construction de piles

Les achats sont généralement les premiers à souffrir de cette situation.

• Épaisseur
  • De nombreuses qualités de CRGO destinées aux transformateurs ont une épaisseur de 0,23 à 0,27 mm.
  • Les qualités CRNGO standard pour moteurs ont tendance à être de 0,35-0,50 mm, parfois 0,65 mm pour les conceptions axées sur les coûts.
  • Les feuilles plus minces permettent de réduire les pertes, mais exigent un contrôle plus étroit de l'outillage, une meilleure gestion de la planéité et des réglages de presse différents.
• Contrôle du poinçonnage et des bavures
  • Le CRGO peut être plus sensible aux contraintes mécaniques ; les bords endommagés nuisent aux propriétés mêmes pour lesquelles vous avez payé.
  • Les spécifications relatives à la hauteur des bavures doivent être renforcées, sinon vous perdez une grande partie des avantages en raison des pertes et des bruits supplémentaires.
• Contrôle de l'orientation
  • Vous vous intéressez maintenant à l'orientation de chaque ébauche par rapport à la direction de laminage.
  • Cela signifie une imbrication plus complexe, une utilisation potentiellement plus faible des feuilles et une traçabilité plus stricte pour chaque bobine.
• Facteur de revêtement et d'empilage
  • De nombreuses bobines de CRGO sont livrées avec des revêtements optimisés pour la coupe et l'empilage de bandes de transformateurs, et non pour les lignes d'emboutissage de moteurs à grande vitesse. Le choix du revêtement influence directement le facteur d'empilage, la résistance interlaminaire, l'usure du poinçon et le risque de collage des tôles.

Tout cela entraîne une augmentation des coûts et des risques de production. Parfois plus que les watts que vous essayez d'économiser.

4. Coût et chaîne d'approvisionnement

Même en faisant abstraction de la physique :

• Le CRGO est généralement plus cher par kg que le CRNGO de qualité moteur à teneur en silicium similaire, en raison d'itinéraires de traitement plus serrés.
• La largeur des bobines et la logistique sont alignées sur les marchés des transformateurs. Les dimensions et les volumes de laminage des moteurs peuvent ne pas correspondre à ce que les laminoirs aiment rouler et les lignes de refendage à ce qu'elles aiment faire.
• Vous risquez de vous retrouver avec des MOQ “non standard” et des délais de livraison plus longs, en particulier si vous souhaitez des combinaisons spécifiques d'épaisseur + de revêtement + de qualité optimisées pour l'utilisation du moteur.

Ainsi, si votre conception ne permet pas de tirer des performances claires du CRGO, l'acheteur devra payer plus cher pour une pile plus difficile à fabriquer qui n'améliore pas de manière évidente la fiche technique du moteur.

CRGO vs CRNO/CRNGO pour les moteurs - comparaison rapide

D'un point de vue purement automobile :

Cas de moteurs de niche pour lesquels CRGO commence à avoir du sens

C'est là que les choses deviennent intéressantes pour les ingénieurs qui recherchent les quelques points de pourcentage supplémentaires et qui sont prêts à accepter la complexité.

1. Tôles GO décalées dans les machines à induction

Plusieurs groupes de recherche ont testé des stators constitués de feuilles de GO, empilées de manière à ce que chaque feuille soit tournée d'un angle fixe par rapport à la précédente.

L'idée :

• La direction de roulement de chaque couche pointe vers un autre endroit du cercle.
• Le flux est encouragé à “sauter” d'une feuille à l'autre et à rester proche d'une direction facile dans chaque couche, au lieu de lutter contre une direction difficile dans une seule feuille.

Les résultats rapportés sont les suivants :

• Réduction mesurable des pertes dans le noyau par rapport aux stators NO équivalents à la même épaisseur.
• Gain d'efficacité de l'ordre de quelques points de pourcentage pour les machines à induction de moyenne puissance.

Mais il est accompagné de :

• Construction complexe du stator, puisque chaque tôle a son propre angle.
• Processus d'empilage et d'alignement plus rigoureux.
• Contrôle de qualité plus sensible - un mauvais alignement ruine le concept.

Ce n'est pas quelque chose que l'on fait avec désinvolture sur une ligne de moteurs de base. Elle convient mieux aux produits spécialisés à haut rendement où le volume est modeste et où chaque watt compte.

2. Stators segmentés avec dents CRGO

Les machines modernes à PM à enroulement concentré utilisent déjà des stators segmentés pour d'autres raisons (assemblage, remplissage de cuivre, chemins thermiques). Cette architecture est pratique si l'on veut expérimenter le GO uniquement dans des parties spécifiques :

• Dents en GO, orientées de façon à ce que le flux suive le sens du laminage pendant le fonctionnement.
• Pièces d'étrier en acier NO, qui permettent de gérer des trajectoires de flux plus complexes.

Les études sur ces machines montrent que

• Réduction des pertes de fer par rapport aux conceptions tout NO.
• Gains principalement dans les régions où le flux est bien aligné sur les dents GO.

Compromis de conception :

• Beaucoup d'arêtes de coupe et d'interfaces supplémentaires → écarts parasites, réluctance supplémentaire et plus de surfaces à gérer mécaniquement.
• Outillage : matrices ou processus de coupe distincts pour les dents et l'étrier, matériaux différents, règles de manipulation différentes.

C'est donc un candidat réaliste si vous aimez déjà les stators segmentés pour d'autres raisons. Les dents GO deviennent alors un autre bouton à régler.

3. Machines à flux axial et à réluctance spéciale

Les topologies à flux axial et certaines machines à réluctance commutée ou à commutation de flux ont des trajectoires de flux plus planes et peuvent être alignées sur les directions de roulement de manière astucieuse.

Par exemple :

• Les machines à réluctance commutée à flux axial dotées de rotors GO présentent un meilleur couple par volume que les rotors NO, car une grande partie de la trajectoire du rotor peut suivre la direction facile.
• Certains moteurs synchrones à particules avec des noyaux de stator anisotropes (culasse/dents séparées) présentent des réductions de perte de fer de l'ordre de 5-15% lorsque le GO est utilisé correctement.

Là encore, il ne s'agit pas d'un simple choix de matériau. Toute la conception électromagnétique est adaptée à l'anisotropie, y compris la géométrie du rotor/stator et la stratégie de contrôle dans certains cas.

4. Moteurs de traction à grande vitesse avec trajectoires de flux accordées

À des vitesses très élevées (des dizaines de milliers de tours par minute), les pertes dues au fer dominent souvent. Certains concepts de moteurs de traction utilisent des noyaux GO minces dans des structures soigneusement façonnées pour réduire les pertes à l'induction de fonctionnement.

Caractéristiques typiques :

• Tôles minces (≤0,23 mm) pour réduire les courants de Foucault.
• Chemins de flux disposés de manière à ce que les composantes à haute fréquence restent proches de la direction de roulement.
• Contrôles de fabrication très stricts ; même de petites déviations dans l'orientation ou la contrainte peuvent éroder les gains de performance.

Il s'agit de conceptions de niche, généralement dans le domaine de la R&D ou de produits haut de gamme, et non de moteurs à châssis IE3 de catalogue.

5. Noyaux et coins hybrides

Vous voyez également des propositions où CRGO apparaît comme :

• Inserts locaux ou cales spéciales dans les régions à fort flux.
• Parties d'un rotor ou d'un stator segmenté où la direction du flux est bien définie.

Cette approche tente d'obtenir certains avantages sans reconstruire l'ensemble du noyau à partir de GO. Mais.. :

• D'un point de vue magnétique, vous avez maintenant des interfaces entre des matériaux ayant des perméabilités et des comportements de saturation différents.
• D'un point de vue mécanique, ces inserts doivent résister au rainurage, à l'assemblage et aux vibrations.

Cela peut fonctionner, mais chaque frontière matérielle supplémentaire est un autre moyen de perdre la prévisibilité.

Liste de contrôle pratique pour les acheteurs et les ingénieurs

Si quelqu'un propose du CRGO pour une pile de laminage de moteur, traitez-le comme un projet de conception, Il ne s'agit pas seulement d'un changement de source d'approvisionnement.

Voici les questions à se poser.

1. Modèle de flux et topologie

• La topologie de la machine permet-elle à la majeure partie du flux dans chaque pièce de stratification (dent, segment, pôle du rotor) de suivre une direction claire ?
• Disposez-vous de données anisotropes sur le BH et les pertes dans vos outils de simulation, ou devrez-vous faire des suppositions ?
• Êtes-vous prêt à ajuster la géométrie des dents et des branches ou à opter pour un segment ou un décalage afin d'exploiter le matériau ?

Si vous répondez “non” à ces questions, vous êtes en train d'acheter des problèmes.

2. Matériau et revêtement

• Quelle est la qualité et l'épaisseur exactes du GO que vous envisagez ? (Pas seulement “M3”, mais aussi les spécifications de l'usine, l'épaisseur et le revêtement).
• Le revêtement est-il adapté à votre ligne de poinçonnage, à votre méthode d'empilage et à tout traitement ultérieur (détente, collage, soudage) ?
• Quel est le facteur d'empilage que vous observerez en production réelle, et comment cela modifie-t-il la surface effective de la fente et l'épaisseur du fer arrière ?

3. Capacité de l'outillage et du processus

• Vos presses, matrices et pratiques d'entretien actuelles peuvent-elles maintenir la hauteur des bavures et l'endommagement des arêtes dans une fenêtre plus étroite ?
• Votre imbrication peut-elle respecter le sens de laminage de chaque pièce sans nuire au rendement du matériau ?
• Comment allez-vous valider le sens et l'orientation du laminage lors du contrôle à la réception ?

4. Coût et risque

• Quel est le delta de coût par moteur pour les volumes prévus (matériaux + outillage + rendement) ?
• Existe-t-il une voie crédible - simulation et essai de prototype - qui montre un gain tangible en termes d'efficacité, de densité de couple ou de température ?
• L'analyse de rentabilité tolère-t-elle quelques cycles de prototypes, le temps d'apprendre comment GO se comporte dans votre pile et votre processus spécifiques ?

Si, à l'issue de cet exercice, les avantages semblent toujours solides, le GO peut valoir la peine d'être piloté. Si ce n'est pas le cas, les laminés CRNGO de qualité supérieure ou les laminés NO plus fins constituent généralement un levier plus simple.

FAQ : Laminations CRGO dans les moteurs

Résumé :

Laminés CRGO peut peuvent être utilisés dans les moteurs, mais seulement de manière rentable lorsque la conception électromagnétique et le flux de fabrication sont construits autour de l'anisotropie. Pour la majorité des moteurs industriels et des moteurs de véhicules électriques, les aciers électriques non orientés de haute qualité restent le choix pratique.