Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
La plupart des rotors PM stratifiés se retrouvent avec l'une des trois réalités suivantes : un manchon métallique qui limite la vitesse et les pertes, un manchon composite qui limite la température et le refroidissement, ou un processus de banderolage qui limite discrètement le rendement de la production. L'astuce ne consiste pas à "trouver la meilleure" option. Il s'agit d'accepter la contrainte avec laquelle vous êtes prêt à vivre pour la prochaine génération de produits.
Lorsque vous passez d'un système solide à un système solide à un système solide à un système solide. des rotors aux piles stratifiéesDans ce cas, le manchon ne serre plus un simple cylindre. Il tente de maintenir ensemble une pile de plaques minces, d'aimants, d'adhésifs et parfois de manchons ou de coins polaires. Le champ de contrainte n'est plus propre. La conformité radiale de l'empilement de tôles, les fentes, les rainures et les caractéristiques des conduits modifient le chemin de la contrainte circulaire et changent la façon dont la bande ou le manchon partage la charge avec les aimants.
Les modèles analytiques qui traitent l'aimant et le manchon comme deux anneaux concentriques parfaits commencent à manquer des interactions importantes dès que la pile de tôles devient haute, fendue ou oblique. C'est précisément la raison pour laquelle les travaux les plus récents associent explicitement l'ajustement du manchon, l'élasticité de l'aimant et la géométrie du rotor dans les directions radiale et axiale, au lieu de résoudre chaque élément de manière isolée.
Ainsi, lorsque nous parlons d'"options de manchon et de cerclage" pour les rotors PM stratifiés, nous parlons en fait de la manière dont vous choisissez d'acheminer les contraintes mécaniques autour d'un empilement qui a été optimisé pour les performances électromagnétiques d'abord et pour le comportement structurel ensuite.
Les ingénieurs se répartissent généralement en trois familles de confinement pour les rotors PM stratifiés : les manchons métalliques, les manchons composites (généralement à base de carbone) et les approches basées uniquement sur le cerclage à l'aide de fibres ou de rubans enroulés directement autour de la pile de stratification ou des aimants extérieurs. Les constructeurs de machines commerciales et les travaux universitaires continuent de tourner autour de ces familles parce que les compromis fondamentaux refusent de disparaître.
Les manchons métalliques offrent une bonne capacité de température et une bonne conduction thermique, mais ils introduisent des pertes par courants de Foucault dans le rotor et ajoutent de la masse dans les rayons les plus larges. Les manchons en matériaux composites réduisent les pertes et l'inertie, mais se heurtent à des contraintes de chaleur et de durcissement. Le banderolage pur, souvent réalisé avec des machines automatiques, repose davantage sur le contrôle du processus et la précontrainte que sur la masse du matériau.
La pile de laminage se trouve en dessous de tout cela, légèrement élastique, légèrement discontinue, et c'est ce détail qui détermine généralement laquelle des trois voies fonctionne réellement en production.
Pour les rotors PM stratifiés, les manchons métalliques sont souvent le point de départ par défaut. L'inconel 718, les aciers inoxydables et les alliages de titane reviennent souvent, car ils combinent une limite d'élasticité de l'ordre de plusieurs centaines de MPa avec une ténacité et une facilité de fabrication acceptables.
Avec une pile de laminage sous le manchon, vous vous souciez de trois choses de plus que d'habitude.
Tout d'abord, le manchon ne voit pas un noyau parfaitement rigide. Les tôles se compriment sous l'effet de l'ajustement serré et de la charge centrifuge, ce qui réduit la pression de contact à la vitesse par rapport à ce que prévoient les équations simples des cylindres épais. Les analyses modernes incluent explicitement le module de laminage et la géométrie de la fente lors du calcul de l'ajustement serré et de la vitesse admissible, car la rigidité radiale effective peut être nettement inférieure à celle de l'acier massif.
Deuxièmement, la pile de laminage peut ne pas donner une surface extérieure lisse. L'emboutissage en biais, en escalier ou en canal à vent crée un diamètre extérieur ondulé. Si vous vous contentez de le rectifier et de glisser un manchon métallique serré, vous risquez une surcharge locale au niveau des crêtes restantes ou, pire, un contact incomplet qui compromet le flux de chaleur des aimants dans l'empilement, puis dans l'arbre. Plusieurs conceptions industrielles conservent intentionnellement une épaisseur de manchon modeste et s'appuient sur des limites de rectification et de faux-rond soigneusement spécifiées afin que le manchon puisse s'installer sans céder localement de manière imprévisible.
Troisièmement, le manchon devient un élément actif de votre budget de pertes. Un tube conducteur continu autour d'un rotor stratifié forme un chemin à faible résistance pour les champs à haute fréquence qui s'échappent des aimants et des fentes. Cela se traduit par une perte de courant de Foucault dans le rotor et par de la chaleur là où les aimants en ont le moins besoin. Des travaux plus récents explorent les manchons métalliques laminés, tels que les manchons en titane segmentés axialement avec des couches isolantes, qui réduisent la densité des courants de Foucault tout en conservant la plupart des avantages mécaniques.
Résultat net : les manchons métalliques sont intéressants sur les rotors stratifiés lorsque vous avez besoin de températures élevées, d'une vitesse de surface relativement modeste ou d'un chemin thermique fiable. Elles ne sont pas utiles si votre conception est déjà limitée par les pertes et si la vitesse de rotation est supérieure à ce que les aimants peuvent supporter mécaniquement.
Les gaines en fibre de carbone autour des rotors PM laminés sont devenues populaires parce qu'elles éliminent presque totalement la perte de courant de Foucault du rotor de la structure de confinement et permettent une vitesse de surface plus élevée avant que les limites de contrainte ne soient atteintes. Les valeurs typiques citées dans les études de l'industrie indiquent une vitesse linéaire de surface maximale d'environ 240 m/s pour les manchons métalliques et d'environ 320 m/s pour les manchons en fibre, avec une stratification et une précontrainte appropriées.
La difficulté réside dans le fait que les manchons composites se comportent très différemment lorsqu'ils sont enroulés sur une pile de pelliculage.
Les manchons en fibre sont excellents dans le sens du cercle, mais moins rigides dans le sens radial. En cas de fonctionnement à grande vitesse, ils maintiennent les aimants en compression, mais leur faible conductivité thermique signifie que la chaleur générée dans les aimants ou les zones d'extrémité a du mal à s'échapper. Plusieurs études soulignent que le simple fait d'augmenter l'épaisseur des manchons composites pour gagner en marge de contrainte se retourne contre eux : le manchon plus épais repousse l'entrefer et fait chuter la densité du flux tout en aggravant le refroidissement et en augmentant la température de l'aimant.
L'itinéraire de fabrication est plus important que ne le laissent entendre de nombreuses fiches techniques. Les manchons en carbone enroulés directement sur un rotor peuvent atteindre une précontrainte radiale de l'ordre de quelques centaines de MPa, limitée en partie par la tolérance à la température de l'aimant pendant le durcissement et par la capacité de votre processus d'enroulement. Les manchons en carbone pressés, fabriqués séparément puis expansés et montés sur le rotor, peuvent atteindre une contrainte de compression nette plus élevée dans les conditions de fonctionnement, mais nécessitent un contrôle très précis des dimensions et des interférences.
Lorsque le noyau est une pile stratifiée avec des aimants de surface, ces différences deviennent des problèmes pratiques.
Un manchon à enroulement direct doit suivre toutes les imperfections géométriques de l'empilement, et l'écoulement de la résine peut être perturbé par les trous d'aération de la stratification ou les ouvertures des fentes. Un manchon pressé a besoin d'un diamètre extérieur lisse et usiné avec précision sur l'empilement et les aimants ; dans le cas contraire, on obtient des espaces locaux qui érodent à la fois la marge de contrainte et la rigidité. Sur les petits rotors à très grande vitesse, les résultats des recherches montrent que l'épaisseur du manchon et l'ajustement serré sont étroitement liés ; il existe souvent une zone très étroite où la contrainte de traction de l'aimant, la contrainte du manchon et la fabricabilité restent acceptables.
Les approches composites plus récentes ajoutent encore un autre élément : le placement automatisé des fibres à l'aide de rubans thermoplastiques permet de contrôler étroitement la tension du cerceau et d'obtenir des fibres de module plus élevé, tout en réduisant l'absorption d'eau et le gonflement dimensionnel de la gaine. Pour les rotors stratifiés fonctionnant dans des environnements chauds et humides, ces détails peuvent faire la différence entre un jeu stable et des frottements après quelques milliers d'heures.
Lorsque l'on parle de "banderolage", on pense parfois au matériau (un bandage en fibres), parfois au processus (enroulement automatique d'un ruban pré-imprégné avec une pré-tension définie). Pour les rotors PM stratifiés, c'est le processus qui change vraiment la donne.
Les banderoleuses dédiées aux rotors à aimants permanents contrôlent la tension de la bande, la vitesse de rotation et le durcissement dans une station compacte. Ceci est intéressant lorsque vous avez des piles de laminage avec des aimants sur le diamètre extérieur ou légèrement enfouis dans des fentes, car l'opération de banderolage peut s'adapter à différentes géométries de rotor sans changer un manchon usiné.
Cependant, la pile de pelliculage se repousse. Littéralement.
Chaque couche de tôles est isolée, de sorte que la rigidité radiale effective est inférieure à celle d'un anneau plein. Sous la tension de la bande, les tôles extérieures peuvent s'affaisser légèrement, ce qui modifie la précontrainte finale une fois que le rotor est à la vitesse et à la température voulues. Les meilleurs procédés de cerclage tentent de tenir compte de ce phénomène en combinant la mesure de la compliance du rotor, la compensation de la température et, parfois, le bobinage par étapes avec différentes tensions. Des recherches récentes sur les techniques d'enroulement des manchons de rotor suggèrent de traiter l'enroulement et le durcissement comme faisant partie de la conception structurelle, et pas seulement comme une étape finale de l'assemblage.
Le cerclage interagit également fortement avec les caractéristiques de rétention axiale : embouts, épaulements et lèvres. Ces éléments interrompent l'empilement de tôles et créent des concentrations de contraintes locales sous la tension du cerceau. Par exemple, un chanfrein à la transition entre le diamètre extérieur de la stratification et une bague d'extrémité peut soulager les contraintes dans un manchon métallique, mais peut créer des poches riches en résine dans une bande composite, qui se fissurent ensuite sous l'effet de cycles thermiques répétés. Dans ce cas, la géométrie de l'empilement de tôles détermine jusqu'où il est possible de pousser la tension de la bande avant que la fiabilité à long terme ne s'effondre.
Récemment, les gaines hybrides et laminées ont commencé à apparaître dans la littérature et dans les premiers produits. L'idée est simple : au lieu de choisir entre "conducteur et résistant" ou "isolant et moins conducteur", vous les combinez de manière structurée.
Une branche explore les manchons métalliques laminés, tels que les manchons en alliage de titane avec segmentation axiale et isolation entre les segments. Les simulations et les essais montrent que ces manchons peuvent réduire les pertes par courants de Foucault du rotor de manière significative par rapport aux manchons en titane solides, tout en conservant la plupart des capacités mécaniques. Pour un PMSM à grande vitesse de 10 kW et 30 000 tr/min, un manchon en titane stratifié avec une couche isolante a permis de réduire les pertes par courants de Foucault du rotor par rapport aux manchons en titane massif et aux manchons composites, tout en restant dans les limites de contraintes admissibles.
Une autre branche explore les manchons composites avec des voies conductrices intégrées, par exemple des manchons qui intègrent des éléments en cuivre dans une structure composite. Des travaux récents ont montré que ces manchons composites intégrant du cuivre peuvent améliorer la marge de contrainte à grande vitesse par rapport à un manchon composite pur, grâce à une rigidité adaptée et à des modèles de précontrainte.
Pour les rotors PM stratifiés, ces manchons hybrides sont utiles : ils permettent de régler séparément les pertes électromagnétiques et les performances mécaniques tout en se conformant à un empilement de stratifiés qui n'est pas forcément idéal d'un point de vue structurel. Ils nécessitent toutefois une fabrication plus complexe et une analyse minutieuse du comportement thermique aux interfaces.
Le tableau ci-dessous compare les options typiques qui s'appliquent aux rotors PM laminés avec des aimants de surface ou proches de la surface. Les valeurs sont indicatives et non universelles ; elles reflètent les tendances signalées par plusieurs sources industrielles et universitaires.
| Option sur le rotor PM laminé | Matériaux et structure typiques | Vitesse approximative de la surface (m/s) | Capacité de température (zone du rotor) | Impact de la perte de rotor | Trajet thermique des aimants | Considérations relatives au processus de stratification | Cas d'utilisation typique |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Manchon métallique solide fretté sur la pile de pelliculage | Inconel 718, acier inoxydable, titane ; tube monobloc | Jusqu'à environ 200-240 avec une conception soignée | Jusqu'à environ 250-290°C avant que le matériau et les aimants ne limitent le système. | Perte de courant de Foucault plus importante au niveau du rotor en raison du tube conducteur | Bonne conduction entre les aimants, les tôles et l'arbre | Nécessite un laminage lisse et précis ; sensible à la conformité de l'empilage et aux fentes ; le module de laminage doit être pris en compte dans l'assemblage par rétraction. | Machines à moyenne et haute vitesse dans des environnements difficiles où la robustesse thermique est plus importante que l'efficacité maximale |
| Manchon composite (enroulé sur filament ou pressé) | Fibre de carbone ou fibre hybride, matrice époxy ou thermoplastique | Environ 250-320 lorsque la disposition et la précontrainte sont optimisées | Souvent limité à environ 150-180°C par la matrice et la qualité de l'aimant. | Très faible perte de courant de Foucault dans le manchon ; pertes principalement dans les aimants et les tôles | Faible conduction radiale ; le manchon peut agir comme une barrière thermique | Les manchons à enroulement direct s'adaptent à la géométrie mais dépendent du profil de cuisson ; les manchons pressés nécessitent un diamètre extérieur précis et un contrôle de l'interférence sur la pile conforme. | Machines à grande vitesse où l'efficacité et la faible perte de rotor sont dominantes, et où le refroidissement est assuré par d'autres moyens. |
| Banderolage automatique des fibres sur la pile de laminage | Ruban pré-imprégné ou fibre sèche avec résine, enroulé en plusieurs passes | Similaire au manchon composite si l'épaisseur est comparable ; souvent autour de 250-300 | Limité par la matrice ; typiquement similaire aux manchons composites | Faible perte de la gaine ; épaisseur de la bande et comportement de l'entraînement du matériau | Semblable aux manchons en composite, parfois pire s'ils sont riches en résine | Sensible au processus : la conformité du laminage, les trous d'aération et la géométrie de l'étape finale affectent la tension finale ; convient aux familles de rotors flexibles. | Rotors à grande vitesse produits en série, où le remplacement d'un manchon usiné par variante serait trop coûteux. |
| Pochette métallique laminée | Manchon segmenté en titane ou en acier avec isolation entre les segments | Comparables aux manches métalliques, parfois légèrement inférieures | Similaire à l'alliage de base ; la température locale peut être meilleure en raison d'une perte plus faible. | Réduction de la perte par courants de Foucault par rapport aux manchons pleins tout en restant conducteurs | Meilleur que le composite, un peu moins que le métal massif en raison de la segmentation et de l'isolation | Usinage et assemblage plus complexes ; le diamètre extérieur de la pile doit toujours être précis ; l'isolation de l'interface nécessite un collage durable. | Machines où la perte de rotor est limitée mais où les manchons en matériaux composites ne sont pas acceptables pour des raisons de température ou de structure. |
| Manchon composite hybride avec conducteurs incorporés | Matrice composite avec cuivre ou autres conducteurs incorporés | Conçus pour des vitesses élevées ; plages similaires à celles des manchons en composite | Limité par la matrice, souvent dans la même gamme que les composites haut de gamme | Possibilité de régler la perte en ajustant le volume et le motif des conducteurs | Conduction similaire au composite avec des améliorations localisées | Nécessite une fabrication avancée (AFP ou stratification sur mesure) ; l'alignement avec les caractéristiques de la stratification est important. | Conceptions préliminaires destinées à l'aérospatiale et à d'autres machines à contraintes multiples nécessitant à la fois une faible perte et une rigidité adaptée. |
Ces plages s'ajoutent aux limites propres de la pile de laminage : résistance à la traction de l'aimant, limite d'élasticité du laminage à la température, et toute augmentation de contrainte au niveau des rainures de clavette, des fentes d'aération ou des sièges de rétrécissement.
Les empilements de lamelles sont d'abord conçus pour les performances électromagnétiques. Cela signifie que l'ouverture de la fente, la largeur de la dent, l'épaisseur du pont et le diamètre extérieur du rotor sont tous choisis pour produire une ondulation de couple, un rendement et un profil d'inductance spécifiques. Les conséquences structurelles viennent plus tard.
Dans les rotors PM à grande vitesse, cet ordre de décision conduit parfois à des empilages dont les ponts extérieurs sont plus minces que l'idéal, ou dont les régions de l'âme sont trop flexibles. Sous l'effet de la précontrainte du manchon ou de la bande, ces caractéristiques se déforment, poussant légèrement les aimants et modifiant l'entrefer local. Sous l'effet de la vitesse de fonctionnement, elles se déforment à nouveau vers l'extérieur. Tout choix de manchon ou de bande qui ne tient pas compte de ces éléments se comportera différemment sur le rotor réel que dans les calculs.
Le flux de conception moderne des rotors PM stratifiés tend donc à suivre les étapes suivantes, même si elles ne sont pas toujours documentées de manière aussi claire.
Tout d'abord, il construit un modèle mécanique de la pile de laminage et des aimants seuls. Les raccords de rétraction, les bandes et les manchons ne sont ajoutés qu'une fois que la conformité du laminage est comprise. Cette étape permet de déterminer si les ponts et les âmes se déformeront avant même d'atteindre leurs limites de contraintes nominales.
Ensuite, la conception du manchon ou de la bande est adaptée à cette conformité. Pour un empilement très rigide, un manchon composite plus fin avec une précontrainte élevée peut être optimal. Pour un empilement plus souple, un manchon métallique avec une interférence plus faible mais une plus grande épaisseur peut fournir le même confinement avec une sensibilité moindre aux imperfections géométriques.
Enfin, les modèles thermiques et de courants de Foucault du rotor sont mis à jour avec la géométrie réelle du manchon ou de la bande. Les études montrent que le matériau et la structure du manchon peuvent déplacer les pertes des aimants vers le manchon ou les éloigner des deux, mais la bonne réponse dépend de la vitesse, de la fréquence et du système de refroidissement plus que du seul choix du matériau.
La géométrie de la pile de laminage pousse ces étapes dans une direction ou une autre, parfois subtilement, parfois très fortement.
Il est utile de penser à quelques cas stylisés plutôt qu'à des règles universelles, car les détails de l'empilage et de l'application du laminage sont prédominants.
Prenons l'exemple d'un petit rotor à très haute vitesse de quelques dizaines ou centaines de watts, tournant à plusieurs centaines de milliers de tours par minute avec un empilement stratifié. Dans ce cas, les aimants sont minuscules et le diamètre extérieur des tôles est faible. Les manchons composites ou le cerclage direct sont judicieux : les pertes par courants de Foucault dans un manchon métallique aussi petit peuvent représenter une fraction importante des pertes totales, et le chemin thermique à travers l'arbre et les roulements est souvent suffisant. La pile de laminage est généralement simple et peut être rectifiée à un diamètre extérieur très précis, ce qui permet au manchon composite de se comporter de manière prévisible.
Pour un entraînement de compresseur industriel à grande vitesse, de l'ordre de centaines de kilowatts à des mégawatts, fonctionnant à des dizaines de milliers de tours par minute avec un empilement stratifié, la situation change. Le diamètre du rotor est plus grand, l'environnement plus chaud et les conditions de défaillance plus sévères. Les manchons métalliques deviennent plus attrayants en raison de leur résistance à la température et de leur robustesse. Si la perte du rotor est problématique, les manchons métalliques stratifiés ou une ventilation et un blindage soigneusement conçus peuvent la réduire, tandis que les manchons composites peuvent avoir du mal à évacuer la chaleur et à assurer la stabilité à long terme à des températures élevées.
Dans les moteurs de traction automobile utilisant des rotors laminés avec des aimants de surface ou des aimants enterrés près du diamètre extérieur, les manchons et les bandes composites sont intéressants, en particulier les manchons renforcés de fibres de carbone. Ils réduisent l'inertie du rotor et peuvent améliorer la gamme et la réponse transitoire. Cependant, ils exigent un durcissement bien contrôlé et une gestion robuste de la température de l'aimant, et leur effet de barrière thermique doit être compensé par un refroidissement agressif dans d'autres parties du système.
Chacun de ces cas est déterminé par la géométrie de l'empilement de tôles et par le système dans son ensemble, et non par une préférence abstraite pour une famille de matériaux.
Si vous connaissez déjà votre conception électromagnétique et votre pile de laminage, la décision concernant le manchon ou la bande se résume à quelques questions pratiques.
Vous demandez quelle est la marge de vitesse mécanique dont vous avez besoin, y compris les essais de survitesse et les cas de défaillance. Vous demandez quelle perte de courant de Foucault du rotor vous pouvez accepter avant que les aimants ne dépassent leur budget de température. Vous demandez quelles variations de fabrication sont réalistes pour le diamètre extérieur, le faux-rond et la rectitude de l'empilement. Vous demandez dans quelles conditions la machine doit démarrer, s'arrêter et s'assouplir.
Une fois que ces limites sont claires, les comparaisons précédentes cessent d'être génériques.
Si votre pile de laminage est rigide, que votre budget de perte de rotor est serré et que vous pouvez contrôler les températures du rotor, un manchon composite ou une solution de cerclage finira probablement par l'emporter, en particulier lorsque l'enroulement automatisé ou le placement automatisé des fibres est disponible.
Si l'environnement est chaud, que des contaminants sont probables et que votre pile de laminage présente une géométrie délicate ou un grand diamètre, un manchon métallique ou métallique stratifié est souvent l'option la plus sûre, éventuellement avec des caractéristiques locales pour contrôler les pertes et gérer les contraintes autour des trous d'aération et des rainures de clavette.
Si votre famille de produits comprend plusieurs variantes de rotors qui partagent des piles de laminage mais diffèrent par la qualité de l'aimant, le nombre de pôles ou la vitesse, le banderolage en tant que processus devient alors intéressant : un outil de laminage, une famille de rotors de base, plusieurs motifs et épaisseurs de banderolage différents. La station de banderolage devient un élément de la feuille de route de votre produit, et non une simple cellule de travail.
Dans toutes ces directions, la pile de laminage n'est pas un participant passif. Elle définit la rigidité, les tolérances et la géométrie. Le manchon ou la bande s'adapte alors à cette réalité ou la combat. Les meilleures conceptions s'en accommodent, par choix.
Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
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