Puis-je mélanger différentes épaisseurs de stratification dans un même stator et rotor ?

Réponse courte : oui, vous peut Il est possible de combiner différentes épaisseurs de laminage dans un même stator ou rotor, mais il s'agit presque toujours d'un choix de conception délibéré ou d'un compromis de fabrication que vous acceptez en toute connaissance de cause. Les moteurs standard conservent une seule épaisseur pour une bonne raison : le mélange est réservé aux cas particuliers, aux considérations de coût ou aux situations de réparation où vous privilégiez l'aspect pratique au détriment de l'élégance.

La plupart des informations publiques sur les laminages se limitent à « plus fin signifie moins de pertes dans le noyau, plus épais signifie meilleure rigidité et estampage moins coûteux ». Vous connaissez déjà cette partie. Les machines modernes typiques se situent dans la fourchette de 0,25 à 0,50 mm pour tôles d'acier électriques, souvent un peu plus fines dans les stators et légèrement plus épaisses dans les rotors pour plus de résistance. Ce dont on parle rarement, c'est ce qui se passe réellement si l'on commence à mélanger ces épaisseurs dans la même pile au lieu de choisir une seule valeur globale.

Ouvrons ça.

Que signifie réellement « mélanger les épaisseurs de stratification » ?

Quand quelqu'un demande s'il est possible de mélanger différentes épaisseurs, il fait généralement référence à l'une des trois possibilités suivantes, même s'il ne le dit pas explicitement. La première possibilité est le mélange axial : une partie de la longueur de la pile est d'une épaisseur donnée et le reste d'une autre épaisseur, par exemple des lamelles de 0,35 mm dans la partie centrale et de 0,50 mm près des extrémités. Une autre possibilité est le mélange radial : des laminages plus proches de l'alésage dans une épaisseur, des laminages vers le fer arrière ou le bord extérieur dans une autre, en utilisant différents jeux d'estampage ou pièces composites. Un troisième cas, plus chaotique, est le mélange motivé par la réparation ou l'approvisionnement, où vous remplacez un lot de laminages d'épaisseur différente au milieu d'une pile par ailleurs uniforme, car c'est ce que vous pouvez obtenir.

Les trois sont techniquement possibles. Les noyaux de stator et de rotor sont généralement construits en empilant des lamelles distinctes qui peuvent différer en termes de géométrie, de revêtement et d'alliage ; aucune règle physique n'impose que toutes les feuilles soient identiques. Les méthodes modernes d'assemblage par empilement (emboîtement, soudage, collage) permettent déjà de traiter des ensembles de plaques distinctes. La véritable question n'est pas « est-ce autorisé ? », mais « quels coûts cachés vais-je devoir supporter si je le fais ? ».

Comment l'épaisseur du laminage affecte les fondamentaux (très brièvement)

Vous connaissez les bases, donc juste un petit rappel. Les pertes par courants de Foucault dans un laminage augmentent approximativement avec le carré de l'épaisseur pour un même matériau, un même flux de crête et une même fréquence. C'est pourquoi tout le monde s'oriente vers des tôles plus fines dans les machines à grande vitesse et à haute fréquence, souvent jusqu'à 0,2-0,35 mm, voire moins dans les conceptions spécialisées. Dans le même temps, des tôles plus fines signifient plus de couches pour une même hauteur d'empilement, plus d'interfaces d'isolation et un facteur d'empilement plus faible, ce qui réduit légèrement la section transversale effective du fer.

Sur le plan mécanique, des laminages plus épais et des parties solides plus larges augmentent la rigidité et facilitent le respect des marges d'éclatement du rotor et des limites de vibration, en particulier à très haute vitesse. La fabrication reste en retrait, discrètement mécontente : les feuilles plus fines ralentissent l'estampage, augmentent l'usure des matrices et exigent plus de soin lors de l'empilage et du collage.

Mélanger les épaisseurs signifie que vous jouez avec ce compromis localement plutôt que globalement.

Quand mélanger les épaisseurs est réellement utile

Il existe des situations où mélanger différentes épaisseurs n'est pas seulement acceptable, mais utile.

L'un concerne les rotors à grande vitesse, dont la partie extérieure nécessite une robustesse mécanique supplémentaire, tandis que vous vous souciez toujours des pertes dans le fer plus profondément dans le noyau. Un concepteur peut envisager des lamelles plus épaisses, voire un anneau extérieur semi-solide pour renforcer la résistance circonférentielle, combinées à des lamelles plus fines près de la zone magnétique ou de l'arbre afin de gérer les pertes. Les modèles structurels montrent déjà comment l'épaisseur des lamelles et le diamètre du noyau solide sont directement liés à la rigidité et à la contrainte du rotor.

Un autre facteur est l'ajustement des coûts pour les moteurs à faible vitesse. Pour les moteurs à induction à fréquence réseau à vitesse modérée, la différence de perte entre les tôles de 0,35 mm et 0,50 mm est notable, mais ne change pas la donne pour toutes les zones du noyau. Des études montrent que le passage de tôles de 0,50 mm à 0,35 mm peut augmenter le rendement d'environ un point de pourcentage dans les petites machines à induction, principalement en réduisant les pertes dans le noyau du rotor. Si les réglementations énergétiques vous obligent à tirer un peu plus de rendement d'un châssis existant, vous pouvez envisager d'utiliser des tôles plus fines uniquement là où le produit de la densité de flux et de la fréquence est le plus préjudiciable, en conservant une épaisseur moins coûteuse pour le reste.

Il y a également l'aspect réparation et modernisation. Parfois, vous ne pouvez tout simplement plus vous procurer la jauge de laminage d'origine, ou le délai de livraison est inacceptable. Dans ce cas, le mélange des épaisseurs peut constituer un écart contrôlé qui sauve un projet, à condition que vous acceptiez d'être désormais responsable de la validation des pertes, du courant à vide, de l'élévation de température, des vibrations et du bruit.

Les effets secondaires électromagnétiques liés au mélange des épaisseurs

Passons maintenant aux aspects moins agréables.

Sur le plan électromagnétique, la pile ne se comporte plus comme un milieu uniforme lorsque vous mélangez différentes épaisseurs. Pour une géométrie extérieure et une hauteur nominale données, le fait de modifier l'épaisseur dans une région modifie localement le facteur d'empilement et la surface ferreuse effective. Cela modifie la densité de flux, ce qui modifie à son tour l'hystérésis et les pertes par courants de Foucault. Si le mélange est axial, par exemple 0,35 mm au milieu 60% de la pile et 0,50 mm près des enroulements d'extrémité, vous pouvez obtenir différentes courbes de magnétisation locales sur toute la longueur. Cela peut légèrement déformer la distribution axiale du flux et des pertes, ce qui peut se traduire par des gradients de température ou des anneaux chauds sur une image thermique.

Le mélange radial est plus délicat. Si les laminages plus fins sont placés près des dents où le flux est déjà élevé et les plus épais près du culasse, vous pouvez réduire les pertes dans les dents tout en conservant la rigidité du fer arrière. Cela semble intéressant. Mais l'avantage réel dépend de la fréquence de fonctionnement réelle, de la forme d'onde et de la part du chemin magnétique total qui traverse chaque région. À une fréquence électrique plus élevée ou avec un contenu harmonique riche provenant des onduleurs, la partie plus fine gagne en importance, et vous devrez peut-être mener une étude FEA approfondie pour savoir si la perte totale est réellement améliorée par rapport à une conception à épaisseur uniforme.

Si le mélange est imprévu et aléatoire, par exemple si l'on dépose un lot de laminages de 0,50 mm au milieu d'un noyau conçu pour 0,35 mm, le flux tente alors d'éviter la zone à pertes plus élevées. Vous vous retrouvez avec une saturation locale subtile dans les couches plus fines juste avant et après la section épaisse, de légers décalages dans les chemins de fuite et parfois de mauvaises surprises en termes de pertes parasites. Rien de tout cela ne détruit nécessairement la machine, mais cela rend les prévisions analytiques moins fiables et peut compromettre les garanties d'efficacité strictes.

Conséquences mécaniques et vibratoires

Mécaniquement, la pile n'est plus un simple « ressort » à rigidité uniforme. La variation de l'épaisseur de stratification modifie la répartition de la rigidité radiale et axiale. La région extérieure du rotor est particulièrement sensible à grande vitesse ; si le profil de rigidité change par paliers avec le rayon ou sur la longueur, les fréquences naturelles du rotor peuvent se rapprocher de la vitesse de fonctionnement ou de multiples de celle-ci. À ce stade, vous commencez à vous inquiéter des résonances que vous n'aviez pas prévues.

Le collage et l'emboîtement dépendent également d'une géométrie uniforme. De nombreux systèmes d'assemblage reposent sur des éléments répétitifs, des languettes ou des motifs de soudure qui supposent une épaisseur de stratification et des conditions de surface similaires. Si une partie de la pile est plus épaisse, la répartition de la pression de serrage change ; les éléments d'emboîtement peuvent ne pas s'engager exactement de la même manière, et vous risquez un desserrage local ou un frottement entre les feuilles. Un mauvais collage se traduit déjà dans la pratique par des vibrations du noyau, des bruits mécaniques et une durée de vie réduite, même avec des stratifications uniformes. Le mélange des épaisseurs ajoute une variable supplémentaire.

Dans les stators, le mélange axial peut affecter la manière dont le noyau interagit avec le châssis. Les zones d'extrémité subissent déjà des contraintes différentes dues au serrage et aux ajustements par contraction ; modifier la rigidité près des extrémités peut modifier l'endroit où le noyau « respire » sous l'effet des forces électromagnétiques, ce qui modifie les schémas de bruit et de vibration. Certains concepteurs l'acceptent si le moteur est utilisé dans des environnements industriels où les limites acoustiques sont tolérantes. Dans le contexte automobile ou électroménager, où les réglementations en matière de bruit sont strictes, cela est moins intéressant.

La réalité de la fabrication : là où les épaisseurs de mélange font le plus mal

Du point de vue de l'usine, les épaisseurs mixtes sont presque toujours gênantes.

Des épaisseurs différentes impliquent soit des jeux de matrices différents, soit des matrices réglables, des cycles séparés, des registres de qualité séparés et, généralement, des processus d'empilage différents. Les lignes de poinçonnage modernes sont réglées pour des épaisseurs de tôle spécifiques, et la vitesse d'estampage et la durée de vie des outils dépendent fortement de l'épaisseur. Par exemple, les données industrielles montrent que les lamelles de stator plus fines réduisent le nombre d'empilements produits par heure pour une hauteur de moteur donnée, tout en sollicitant davantage les outils. Changer d'épaisseur en cours d'empilage perturbe le bon déroulement du processus.

L'empilement lui-même devient plus délicat. La hauteur des bavures, la planéité, les contraintes résiduelles et l'épaisseur du revêtement varient tous en fonction de l'épaisseur et des paramètres du processus. Si le profil des bavures ne correspond pas, les couches peuvent ne pas être planes, ce qui entraîne de minuscules espaces d'air ou des fentes inclinées. Cela dégrade le facteur d'empilement et peut former des chemins d'eddy locaux si les bavures pontent l'isolation. Plus vous introduisez de variations dans la pile, plus le processus dépend des compétences de l'opérateur et d'une inspection rigoureuse.

Ainsi, même si l'idée électromagnétique semble astucieuse sur le papier, l'ingénieur de production pourrait la rejeter simplement parce que la chaîne doit produire des milliers de piles par semaine et ne peut se permettre des modèles de mélange délicats sans que cela engendre des coûts supplémentaires.

Comment les transformateurs laissent entrevoir ce qui est possible

Les fabricants de noyaux de transformateurs mélangent depuis longtemps les géométries de laminage : différentes pièces de jonction à recouvrement, différentes largeurs, différents segments de branches et de culasse. Certains brevets décrivent l'utilisation de types de laminage alternés pour obtenir une épaisseur cible et contrôler les performances magnétiques. La plupart du temps, cependant, l'épaisseur de l'acier électrique lui-même reste constante sur l'ensemble du noyau. Ils modifient la forme et les motifs de chevauchement, mais pas l'épaisseur, car le mélange des épaisseurs complique le facteur d'empilement, le comportement des joints et les pertes.

Les concepteurs de moteurs et de générateurs tirent la même leçon. Utilisez d'abord la géométrie et la segmentation de manière créative. Considérez l'épaisseur mixte des tôles comme une opération plus complexe que vous ne justifiez que lorsque vous avez une raison claire en termes de performances ou de coûts et la capacité d'analyse pour l'étayer.

Aperçu de la décision : quand le mélange des épaisseurs est judicieux

Voici une façon concise d'y réfléchir.

Ce tableau n'est pas un recueil de règles, mais il reflète la façon dont pensent de nombreux concepteurs expérimentés une fois que l'enthousiasme initial rencontre la réalité végétale.

Si vous décidez de mélanger les épaisseurs, faites-le délibérément.

Si vous comptez mélanger, considérez cela comme une véritable variable de conception, et non comme un accident.

Commencez par le problème électromagnétique que vous résolvez : il peut s'agir de la perte dans le fer du rotor à une harmonique spécifique, de l'échauffement des dents du stator ou de la température des aimants dans une machine à aimants permanents. Déterminez à quel endroit du trajet du flux se situera le changement d'épaisseur et quel pourcentage de la perte totale du noyau vous prévoyez de déplacer. Utilisez votre chaîne FEA habituelle (coupe transversale 2D d'abord, puis 3D ou segmentaire) afin de voir la densité de flux locale, les pertes locales du noyau et tout schéma de fuite inhabituel. Incluez la différence réelle du facteur d'empilement entre les jauges au lieu de supposer une constante unique.

Puis superposez l'analyse structurelle. Pour les rotors, incluez la contrainte circonférentielle, les vitesses clés et l'effet des différentes rigidités de stratification sur les modes propres. Pour les stators, examinez comment le serrage du châssis et les ajustements par contraction répartissent les contraintes le long de la pile, en particulier si les zones axiales diffèrent en termes d'épaisseur ou de matériau. Les travaux publiés sur la modélisation de la résistance des rotors montrent à quel point les résultats peuvent être sensibles à la géométrie de la stratification et aux dimensions du noyau solide. C'est là que vous évitez les résonances indésirables et les limitations de vitesse.

Du côté de la fabrication, impliquez l'usine dès le début. Demandez combien de calibres et de jeux de matrices différents sont réalistes. Vérifiez si la méthode d'assemblage par empilement (emboîtement, soudage, collage) reste fiable tout au long de la transition d'épaisseur. Les tôles minces peuvent être beaucoup plus sensibles aux choix de soudage et de collage, avec des augmentations mesurées des pertes lorsque les paramètres du processus ne sont pas adaptés au calibre spécifique. Cela est d'autant plus important lorsque vous mélangez les matériaux.

Enfin, validez le matériel à l'aide d'instruments qui tiennent compte des risques spécifiques que vous avez introduits. Cela peut impliquer des tests supplémentaires de perte de puissance, une cartographie thermique le long de la pile ou des mesures spécifiques des vibrations à proximité des nouvelles transitions mécaniques.

Stator vs rotor : différentes réponses à la même question

Dans les stators, les arguments en faveur du mélange des épaisseurs sont généralement moins convaincants. Le noyau du stator est serré, il ne tourne pas, les exigences mécaniques sont donc moins strictes. Il est souvent possible d'atteindre les objectifs d'efficacité et de température simplement en choisissant une épaisseur appropriée et une nuance d'acier adaptée, tout en accordant une attention particulière à la géométrie des encoches, à la largeur des dents et à la profondeur de la culasse. Lorsque les concepteurs souhaitent procéder à un réglage local, ils modifient plus souvent la forme des tôles ou utilisent des stators segmentés plutôt que de mélanger les jauges.

Les rotors sont l'inverse. Pour les rotors à induction à cage d'écureuil, l'argument est plus fort : la concentration des pertes et les contraintes mécaniques cohabitent dans le même espace. La modification de l'épaisseur des tôles ou même l'ajout de zones de support solides vous offre un autre levier, utilisé dans certaines conceptions à grande vitesse ou à haute densité de puissance. Pour les rotors à aimants permanents, la disposition des aimants et la construction du manchon dominent souvent les aspects mécaniques, mais l'épaisseur des tôles continue d'influencer la saturation du fer arrière et le comportement du rotor à grande vitesse.

On pourrait donc résumer ainsi : mélanger différentes épaisseurs de stratification est plus utile dans les rotors que dans les stators, et plus souvent dans les machines spécialisées que dans les produits standardisés.

Alors, peut-on mélanger différentes épaisseurs de laminage ?

Oui, c'est possible, et certaines personnes le font, mais surtout lorsqu'elles recherchent quelque chose de très spécifique : un peu plus d'efficacité sans nouveau cadre, une vitesse de sécurité plus élevée, un profil thermique particulier ou une réparation ponctuelle. Le prix à payer est une complexité supplémentaire dans l'analyse, la fabrication et le contrôle qualité. La pratique standard consistant à utiliser « un calibre par pile » existe parce qu'elle est prévisible, reproductible et facile à mettre en œuvre à grande échelle.

Si vous envisagez de mélanger différentes épaisseurs dans un stator ou un rotor, traitez cela comme vous traiteriez un matériau exotique ou une forme de fente inhabituelle. Notez précisément ce que vous espérez gagner, modélisez-le avec suffisamment de détails pour que les risques soient visibles, et impliquez l'usine suffisamment tôt pour que la vérification de la réalité intervienne avant la commande d'outillage, et non après. Ensuite, si les chiffres sont toujours valables, vous ne faites pas simplement un mélange d'épaisseurs. Vous réalisez une conception intentionnelle.