Fabrication de lamelles de moteurs eVTOL : Résoudre les problèmes d'emboutissage à faible épaisseur, de rétention à haut régime et d'empilement thermique

Nous tamponnons, empilons et expédions piles de laminage de moteurs pour les systèmes de propulsion eVTOL. Voici ce que nous avons appris sur les points où les conceptions s'effondrent et où elles tiennent bon.

Principaux enseignements

• La dégradation du bord de coupe sur l'acier au silicium de 0,20 mm consomme 25-40% de la section transversale d'une dent étroite du stator. Le recuit de détente à 750-800°C permet de récupérer 20-30% de cette pénalité de perte de noyau (méthode du noyau annulaire, 1,0T/400Hz).
• Les ponts de rotor inférieurs à 0,5 mm dans un stock de 0,20 mm sont réalisables mais ne sont pas stables. pour des séries de production supérieures à ~2 000 pièces sans maintenance accélérée des matrices.
• Les piles collées (backlack ou adhésives) sont toujours plus performantes que les piles imbriquées. sur la perte par courants de Foucault et la conductivité thermique dans les moteurs à densité de puissance de la classe eVTOL.
• La largeur du pont estampillé n'est pas la largeur du pont dessiné. Le renversement et la bavure modifient la section structurelle effective. Spécifiez les deux sur votre dessin.

Le moteur d'un eVTOL n'est pas en roue libre. Pendant le vol stationnaire, la batterie se décharge à 3-5C. Le moteur atteint son couple maximum pendant 12 à 20 minutes d'affilée, parfois plus pendant les approches interrompues. Ensuite, il passe en croisière et le profil de charge électromagnétique change complètement. Puis il retourne en vol stationnaire pour l'atterrissage. Chaque vol est un cycle thermique qui ne serait pas remarquable dans un entraînement industriel, mais qui est pénible pour les densités de puissance requises par l'eVTOL.

Nous ne concevons pas les moteurs. Nous construisons les piles de laminage qu'ils contiennent. Mais les problèmes arrivent quand même sur notre bureau, car c'est au niveau de la stratification que l'intention électromagnétique rencontre la réalité de la fabrication. Un pont de rotor qui passe l'analyse des éléments finis à 0,35 mm ne survit pas nécessairement à 50 000 cycles d'emboutissage à cette largeur. Une dent de stator optimisée pour une densité de flux à 12 000 tours/minute peut ne pas avoir assez de matériau après la dégradation du bord de coupe pour transporter le flux promis par le modèle.

En Laminations eVTOL, Le véritable défi n'est pas seulement de survivre à 15 000 tours/minute, mais de survivre à 15 000 tours/minute à un écartement de 0,20 mm tout en maintenant un contact thermique absolu entre chaque feuille de la pile.

Cet article traite des défis spécifiques liés au laminage que nous rencontrons dans les programmes eVTOL - pas la théorie, mais les compromis qui apparaissent lorsqu'un client nous envoie un DXF et que nous devons trouver comment le faire fonctionner.

Pourquoi les exigences de lamination de l'eVTOL sont-elles différentes de celles de l'EV ?

Les gens pensent que le passage des moteurs de traction automobiles aux moteurs de propulsion des eVTOL est progressif. Ce n'est pas le cas.

Le laminage d'un moteur de traction automobile peut tolérer quelques grammes supplémentaires. Il se trouve à l'intérieur d'un boîtier boulonné à un sous-châssis. Des enveloppes de refroidissement l'entourent. Le cycle de travail comprend de longues périodes de charge partielle. Si la perte de noyau dépasse la simulation de 5%, le système thermique l'absorbe.

Un moteur eVTOL n'a pas cette marge de manœuvre. Chaque gramme d'acier laminé est un gramme que l'avion porte à chaque vol stationnaire, à chaque montée, à chaque transition. Le circuit de refroidissement est limité par l'emballage du fuselage - parfois, il s'agit simplement d'un flux d'air sur le carter. Et le cycle d'utilisation en vol stationnaire est brutal : un fonctionnement soutenu à pleine puissance où toute perte de courant de Foucault ou d'hystérésis excédentaire se transforme en chaleur qui n'a nulle part où aller.

Cette colonne de volume est plus importante qu'on ne le pense. À partir de 200-5 000 unités, on ne peut pas amortir une matrice progressive de la même manière. Certains de nos empilements eVTOL utilisent des matrices composées ou même l'électroérosion à fil pour les prototypes. L'économie de la voie d'emboutissage se répercute sur les géométries réellement réalisables à une phase donnée du programme.

Acier de faible épaisseur : Le problème des 0,20 mm

Le fait d'être mince réduit les pertes par courants de Foucault. En théorie, c'est simple. À partir de 0,20 mm, nous travaillons avec un matériau qui se déforme sous l'effet de presque tous les contacts mécaniques.

La zone endommagée du bord de coupe d'une tôle emboutie a une profondeur d'environ 0,3-0,5 mm de chaque côté, en fonction de la qualité de l'acier, du jeu de la matrice et de l'affûtage de l'outil. Sur une tôle automobile de 0,35 mm avec une dent de stator de 4 mm, cette zone endommagée occupe peut-être 15-25% de la largeur de la dent. C'est gérable.

Sur un feuilletage eVTOL de 0,20 mm avec une dent de 2,5 mm, la même zone endommagée mange 25-40% de la section active. La perméabilité de cette zone est dégradée. La perte de noyau est élevée. La dent ne transporte pas le flux comme le modèle électromagnétique le prévoit - les formes d'ondes de rétrofréquence se déplacent, le couple de cogging augmente légèrement et la carte d'efficacité s'écarte de la simulation.

Nous avons appris trois choses pour gérer cette situation :

Le jeu des matrices doit être plus serré que dans l'industrie automobile.

Nous utilisons 5-7% d'épaisseur de matériau par côté pour les jauges eVTOL, au lieu des 8-10% habituels pour les matériaux plus épais. Cela réduit la zone de déformation plastique et raccourcit le profil de bavure et de retournement, mais augmente l'usure de la matrice. La durée de vie de l'outil diminue d'environ 25-35%. Nous réaffûtons plus souvent. C'est un coût que le client absorbe, mais c'est mieux que d'absorber une pénalité de 15% de perte de noyau sur l'ensemble de l'enveloppe de fonctionnement.

Le recuit de détente n'est pas facultatif

Pour les programmes automobiles, nous expédions parfois des piles non recuites lorsque le budget thermique du client le permet. Sur l'eVTOL, nous recuisons presque tout. Un cycle contrôlé à 750-800°C dans une atmosphère sèche d'azote/hydrogène (point de rosée inférieur à -40°C) permet de récupérer la plupart des propriétés magnétiques perdues lors de l'emboutissage.

Les chiffres, mesurés sur des échantillons de noyaux annulaires conformément à la norme IEC 60404-6 à 1,0T/400Hz : Réductions des pertes dans le noyau de 20-30% après le recuit sur un matériau de 0,20 mm. La perméabilité relative à 1,0T passe de 2 500 (tel qu'estampillé) à 5 500-7 000 (recuit). Ce n'est pas un raffinement - c'est la différence entre un moteur qui atteint son objectif thermique et un autre qui ne l'atteint pas.

La découpe laser a sa place, mais pas là où on l'attendrait

Certains clients demandent des tôles découpées au laser en pensant que la qualité de la découpe est meilleure. C'est possible, mais la zone affectée par la chaleur d'un laser à fibre sur un acier au silicium fin introduit sa propre dégradation magnétique, parfois comparable à l'estampage en termes de perte de perméabilité dans un rayon de 0,2 mm autour du bord. Nous utilisons le laser pour les prototypes, pour les géométries trop complexes pour l'estampage et pour les très faibles quantités pour lesquelles le coût de l'outillage n'a pas de sens. Pour une production supérieure à ~500 piles, une matrice d'estampage bien entretenue gagne encore en qualité de bord à 0,20 mm, à condition que le jeu de la matrice et le calendrier d'entretien soient corrects.

Haut régime : Ponts de rotor et limites structurelles

Les moteurs d'eVTOL - en particulier les configurations à entraînement direct utilisées sur les architectures à rotors basculants - ne tournent pas toujours aux régimes extrêmes que l'on trouve dans un moteur automobile à grande vitesse. Certains tournent entre 2 000 et 4 000 tours/minute. Mais ceux qui entraînent des hélices plus petites ou qui passent par un étage de réduction peuvent atteindre 12 000 à 20 000 tours par minute, et les contraintes centrifuges exercées sur la tôle du rotor à ces vitesses sont réelles.

Le pont du rotor est la fine section d'acier située entre le logement de l'aimant et le diamètre extérieur du rotor. Il sert à retenir les aimants contre la force centrifuge. D'un point de vue électromagnétique, il doit être aussi fin que possible car il constitue un chemin de flux de fuite - tout flux qui prend un raccourci à travers le pont au lieu de traverser l'entrefer est gaspillé, ce qui réduit la densité du couple et déforme la forme d'onde de la FEM arrière. Sur le plan structurel, il doit résister à la charge centrifuge à la survitesse maximale avec une marge de sécurité conforme à la certification aérospatiale.

Voici la tension : le concepteur électromagnétique veut un pont de 0,3 mm. L'analyste structurel demande un minimum de 0,6 mm à 15 000 tours/minute avec un facteur de sécurité de 1,5×. L'ingénieur en emboutissage dit que tout ce qui est inférieur à 0,5 mm dans une matrice progressive avec une épaisseur de 0,20 mm sera incohérent après 10 000 frappes.

Ce que nous pouvons retenir en matière de production

• Inférieur à 0,4 mm dans un matériau estampé de 0,20 mmLa qualité de la production : réalisable en faible volume avec un nouvel outillage et un contrôle très strict du processus. Il n'est pas stable pour les séries de production supérieures à quelques milliers de pièces. La caractéristique se déforme progressivement à mesure que le poinçon s'use.
• 0,5-0,7 mm: notre gamme de production fiable pour les ponts de rotor eVTOL en jauge fine. La durée de vie de la matrice est acceptable. La cohérence dimensionnelle se maintient sur l'ensemble d'un lot de production.
• Supérieure à 0,7 mmLes ponts minces sont confortables à estampiller, mais le concepteur électromagnétique commence à perdre de l'efficacité à cause des fuites dans les ponts. C'est là que nous poussons nos clients vers des arrangements de poches magnétiques en forme de V ou des topologies de rotor à rayons (concentrant le flux) qui éloignent la contrainte structurelle d'un seul pont mince.

État estampillé vs. largeur nominale du pont

Une chose qui apparaît rarement dans les transferts de simulation : la largeur du pont sur le dessin est nominale. Après l'emboutissage, le pont présente une bavure d'un côté et un retournement de l'autre. La section structurelle effective n'est pas la même que la dimension dessinée - elle est généralement inférieure de 0,03 à 0,08 mm, en fonction du matériau et de l'état de l'outil. Nous la mesurons. Nous le signalons. La plupart de nos clients eVTOL incluent désormais sur leurs dessins une tolérance de largeur de pont conditionnée par estampage, distincte de la largeur nominale de conception. Si ce n'est pas le cas chez vous, vous devriez le faire.

Étude de cas : Programme de rotor extérieur à entraînement direct de 130 kW

Nous ne pouvons pas citer le nom du client. Ce que nous pouvons partager, c'est la séquence de résolution du problème, car elle illustre comment les contraintes de fabrication du laminage se répercutent sur la conception du moteur, et non l'inverse.

Le programme portait sur un moteur de rotor extérieur à entraînement direct de 130 kW pour une configuration multicoptère. Spécifications initiales de la conception : Acier au silicium non orienté de 0,20 mm, stator à 48 fentes, rotor à 40 pôles, vitesse maximale de 3 200 tr/min. La largeur des dents du stator était de 2,8 mm. Le pont du rotor a été dessiné à 0,45 mm.

Ce qui s'est passé au prototype : La perte de noyau sur le premier lot d'empilements de stator a été mesurée à 181 T au-dessus de la simulation électromagnétique (échantillons témoins à noyau annulaire, 1,0 T/400 Hz, avant le recuit). Après le recuit, l'écart s'est réduit à 61 TTP6T - une amélioration, mais toujours en dehors de la marge thermique de ±41 TTP6T que le système de refroidissement du client pouvait absorber. Les ponts de rotor des 50 premières pièces présentaient une variation de ±0,06 mm, ce que l'analyse structurelle a accepté, mais la variation du flux de fuite créait une dispersion mesurable du couple de cogging entre les moteurs.

Ce que nous avons changé :

1. Réduction du jeu de matrice de 71 à 5,51 TTP6T par côté sur l'outil du stator. La perte de noyau sur les échantillons témoins après recuit est tombée à 3,51 TTP6T au-dessus de la simulation - dans les limites du budget.
2. Ajout d'une étape dédiée à l'inspection de la largeur du pont en utilisant une mesure optique sur chaque 10ème laminage du rotor, plutôt qu'un échantillonnage statistique. La variation a été réduite à ±0,03 mm.
3. Passage d'une matrice composée à une petite matrice progressive pour le stator, ce qui a permis d'améliorer l'homogénéité des arêtes sur un plus long cycle de production, au prix d'un investissement plus important dans l'outillage. Le client a approuvé le delta de coût car l'amélioration de la perte par pièce le justifiait par rapport à la commande de production initiale de 800 unités.

Résultat : Les essais du prototype du moteur ont montré une puissance de vol stationnaire continue à moins de 2% de la cible de simulation thermique. Le client a procédé à la production initiale à faible cadence (LRIP) sans modifier la conception du circuit électromagnétique.

Il s'agit d'un engagement typique de l'eVTOL pour nous. L'intention de la conception est bonne. Le résultat de la fabrication au premier passage n'est pas tout à fait satisfaisant. L'itération se fait au niveau du jeu de matrices, du contrôle des processus et de la stratégie d'inspection, et non pas au niveau de la reconception du moteur.

Défis thermiques : Lorsque les piles de laminage deviennent des problèmes de chaleur

La pile de tôles n'est pas seulement un composant électromagnétique. C'est aussi une voie thermique - souvent la principale voie conductrice pour évacuer la chaleur des enroulements du stator vers le système de refroidissement, quel qu'il soit.

Il en résulte des exigences parfois contradictoires :

Compression de la pile et conductivité thermique

Une pile mal comprimée présente des espaces d'air entre les lamelles. L'air est un isolant thermique. Plus l'empilement est serré, meilleur est le chemin thermique entre les couches. Mais une compression excessive endommage le revêtement isolant et crée des courts-circuits entre les couches, ce qui augmente les pertes par courants de Foucault, et donc la chaleur. Nous visons un facteur d'empilement de 95-97% pour les empilements eVTOL, ce qui est dans la fourchette haute de ce que nous utiliserions pour l'automobile. Pour y parvenir sans endommager le revêtement, il faut un pressage contrôlé avec une surveillance de la force en temps réel - nous enregistrons les courbes force-déplacement sur chaque pile et signalons automatiquement les anomalies.

Piles collées et piles imbriquées

L'emboîtement crée une déformation locale à chaque point d'emboîtement, ce qui perturbe la couche d'isolation et crée des poches d'air autour de la caractéristique d'emboîtement. Chaque point d'enclenchement devient une micro-source de perte par courant de Foucault et de résistance thermique. Pour l'eVTOL, la plupart de nos clients spécifient le backlack (revêtement auto-adhésif) ou le collage. La couche adhésive comble les micro-lacunes et améliore en fait le transfert thermique entre les laminés tout en maintenant l'isolation électrique. Le compromis est le temps de cycle et la complexité du processus - le collage nécessite une étape de durcissement contrôlé (généralement 180-200°C pendant 30-60 minutes sous pression de serrage), ce qui n'est pas le cas de l'emboîtement.

Géométrie des fentes et extraction thermique du bobinage

C'est techniquement le problème du concepteur du moteur, mais il nous est posé parce que la forme de la fente que nous estampillons détermine la façon dont le bobinage s'appuie sur la paroi de la dent du stator, ce qui affecte directement le facteur de remplissage du cuivre et le couplage thermique entre le conducteur et le fer.

Une fente avec des rayons serrés et des bords propres permet au bobinage de s'emboîter plus étroitement, réduisant ainsi l'espace d'air entre le cuivre et l'acier. Une fente présentant des bavures ou un retournement éloigne le bobinage de la paroi, ce qui réduit l'efficacité du remplissage de la fente.

Sur un moteur eVTOL fonctionnant à haute puissance continue, ces 0,1 mm supplémentaires d'entrefer effectif entre le bobinage et la dent peuvent se traduire par une augmentation de 5 à 10°C de la température du point chaud du bobinage. Nous l'avons vérifié lors d'essais thermiques consécutifs (moteur instrumenté par thermocouple, même processus de bobinage, même point de fonctionnement) avec une pile à une hauteur de bavure de 15 µm et une autre à 30 µm. La différence était cohérente et reproductible sur trois échantillons de moteurs.

Flux axial et flux radial : implications pour la stratification

La plupart des programmes eVTOL avec lesquels nous travaillons utilisent des moteurs synchrones à aimant permanent à flux radial. La pile de tôles est une géométrie cylindrique conventionnelle - anneau du stator, disque du rotor - estampée à partir d'une feuille plate. Nous savons comment les fabriquer. L'outillage est connu. Le processus d'empilage est bien rodé.

Mais les moteurs à flux axial sont de plus en plus fréquents. L'avantage de la densité de couple - une longueur axiale plus courte pour le même couple de sortie - est intéressant pour les eVTOL où l'espace axial est limité mais l'espace radial est disponible.

Les laminations à flux axial sont un animal différent. Le flux traverse l'empilement dans le sens axial plutôt que dans le sens radial, ce qui signifie que le plan de stratification doit être orienté différemment. Certains modèles à flux axial utilisent des bandes d'acier au silicium enroulées (noyaux enroulés en bande). D'autres utilisent des noyaux en poudre SMC (soft magnetic composite). D'autres utilisent des tôles segmentées disposées radialement, comme les tranches d'une tarte.

Ce que nous fabriquons pour Axial Flux

Nous produisons des tôles de stator segmentées pour les topologies à flux axial. L'estampage est simple - chaque segment est une petite forme relativement simple. La difficulté réside dans l'assemblage : il s'agit d'aligner, de coller et de comprimer des dizaines de segments en un anneau présentant des propriétés magnétiques cohérentes et une tolérance géométrique serrée.

La partie la plus difficile des laminations à flux axial n'est pas la fabrication de la pièce. C'est la fabrication de la pile. Un défaut d'alignement de 0,05 mm entre les segments crée une variation locale de réluctance qui perturbe la distribution du flux et crée un point chaud. La fixation est d'une importance capitale. Nous utilisons des assemblages collés avec des dispositifs d'alignement personnalisés et vérifions la concentricité à l'aide d'une MMT après la polymérisation.

Pour les rotors à flux axial, les tôles sont moins courantes - de nombreuses conceptions utilisent de l'acier massif ou du SMC. Lorsque des tôles sont spécifiées, il s'agit généralement d'anneaux minces ou de formes annulaires qui nécessitent un outillage de découpage spécialisé.

Sélection des matériaux : Ce que nous utilisons réellement

Il ne s'agit pas d'un catalogue, mais de ce à partir de quoi nous avons construit des piles, mesuré, recuit et expédié aux clients qui les ont mis dans des moteurs d'essai fonctionnels.

Si vous optimisez le poids par kilowatt au niveau du moteur, le fer au cobalt vous donne le plus petit empilement de tôles pour un couple donné. Si vous optimisez les coûts unitaires d'une flotte, l'acier au silicium à 0,20 mm est le point d'ancrage de la plupart des programmes. La décision est généralement prise dans le contexte du budget poids total de l'aéronef - parfois, une économie de 200 g dans l'empilement de moteurs permet d'ajouter 200 g de batterie, ce qui modifie le profil de la mission.

Qualité et certification : Ce que l'aérospatiale exige d'un fournisseur de pelliculage

La qualité automobile est basée sur la norme ISO/IATF. La qualité aérospatiale pour les composants de moteurs eVTOL évolue, mais la trajectoire est orientée vers la conformité AS9100 et EASA/FAA Part 21. Ce que nos clients eVTOL exigent actuellement :

• Traçabilité complète des matériaux : numéro de chaleur de l'aciérie → ID de la bobine → lot d'estampage → numéro de série de la pile finie.
• Rapports d'inspection des premiers articles avec données CMM pour chaque dimension critique
• Essai de perte de noyau sur des échantillons témoins de chaque lot de production (méthode du noyau annulaire selon la norme IEC 60404-6, ou cadre d'Epstein selon la norme IEC 60404-2 lorsque cela est spécifié).
• Tolérance du poids de la pile à ±0,5% de la valeur nominale
• Mesure de la bavure sur un échantillon statistique par lot (profilométrie optique, seuil selon les spécifications du client)
• Contrôle documenté du processus de recuit : profil temps-température, composition de l'atmosphère (rapport N₂/H₂), log du point de rosée.
• Contrôle des modifications : pas de substitution de matériaux, de changement de processus ou de modification de l'outillage sans notification et approbation du client.

Il s'agit d'une documentation plus importante que celle de la plupart des programmes automobiles. Les volumes sont plus faibles, mais la paperasserie par pièce est plus lourde. Nous avons construit notre système de qualité pour y faire face car nous voyons ce marché se développer et les exigences se renforcer au fur et à mesure que les programmes de certification de type progressent dans le processus EASA/FAA.

FAQ

Vous avez des difficultés avec la déformation du pont du rotor dans vos prototypes actuels ? Vous voyez des chiffres de perte de noyau qui ne correspondent pas à votre simulation ? Envoyez-nous votre fichier DXF pour un examen DFM gratuit-nous évaluerons le risque de dégradation des bords, la fabricabilité des ponts et la compression de l'empilement thermique pour votre géométrie et votre volume spécifiques. Aucun accord de confidentialité n'est nécessaire pour l'examen initial.