Laminations des générateurs d'éoliennes : Défis liés à la fabrication d'empilages de grand diamètre

Les empilements de tôles de grand diamètre modifient toute la logique de fabrication d'un générateur d'éolienne. Pour les diamètres petits et moyens, la construction du noyau est essentiellement un problème d'emboutissage et d'empilage. À l'échelle de l'éolienne, ce n'est pas vraiment le cas. Il s'agit alors d'un problème combiné de qualité des bords de coupe, assemblage des segments, rétention de la compression, contrainte du logement, limites de transport et contrôle de l'entrefer. Lorsque le diamètre moyen de l'entrefer atteint plusieurs mètres, les structures monoblocs deviennent moins pratiques, la construction segmentée devient courante et la gestion des tolérances commence à décider de la rigidité structurelle et de la capacité de charge.

Les aérogénérateurs à entraînement direct rendent la tâche plus difficile. Un couple plus élevé entraîne des structures de générateur plus grandes et plus lourdes, et des études récentes indiquent que la fabrication et l'assemblage sont les principaux goulets d'étranglement de la mise à l'échelle, et pas seulement la conception électromagnétique. Dans cette gamme, le noyau du stator n'est plus une pièce magnétique passive. Il fait partie de la boucle structurelle qui protège l'entrefer.

Principaux enseignements

• Éolienne de grand diamètre tôles de générateur échouent d'abord aux interfacesLes éléments d'étanchéité doivent être en bon état : bords coupés, joints de segments, cordons de soudure, zones de serrage et surfaces de contact avec le boîtier.
• La segmentation résout les contraintes de transport et d'assemblage, mais ajoute des arêtes de coupe supplémentaires, des espaces entre les joints et un empilement de tolérances. 
• La méthode d'assemblage n'est jamais un simple choix de résistance. Il modifie la perte de noyau, la contrainte résiduelle, la survie du revêtement et la durabilité à long terme du joint sous l'effet des vibrations.
• Le contrôle de l'espace aérien doit être le principe organisateur de l'itinéraire de fabrication. Il ne s'agit pas d'un élément de l'inspection finale.

Ce qui différencie les piles de lamination de grand diamètre

Les principes de base de la physique des piles sont familiers. Les feuilles isolées minces réduisent les pertes par courants de Foucault. Cette question est réglée. Le changement de fabrication vient de l'échelle.

Pour les noyaux de stator des éoliennes, la pile doit survivre :

• diamètre plus important et rigidité structurelle moindre
• plus d'interfaces de segments
• plus d'étapes de levage et de repositionnement
• une plus grande sensibilité à la dérive de la rondeur
• dépendance plus étroite à l'égard de l'uniformité finale de l'entrefer

Les travaux de conception mécanique publiés sur les aérogénérateurs à entraînement direct font état de diamètres d'entrefer moyens dans les 4-6 m Les structures de plus grande taille passent généralement à une construction segmentée en raison des limites de fabrication et de transport. C'est à partir de ce seuil que la conception des empilages de laminage commence à se comporter comme un système d'assemblage de précision, et non comme un sous-composant de tôle.

Principaux défis liés à la production de noyaux de stator de grand diamètre

1. Les dommages sur les arêtes de coupe s'accumulent rapidement

Le poinçonnage a encore du sens pour les volumes de production. Mais l'usure de l'outil modifie l'état de l'arête au fil du temps, et le problème des bavures ne reste pas localisé. Les travaux d'analyse sur la fabrication d'acier électrique indiquent que l'émoussage croissant des poinçons et la formation de bavures réduisent le facteur d'empilage et dégradent la qualité de l'empilage en aval. À un grand diamètre, répété sur de nombreux segments et de nombreuses couches, un petit défaut d'arête devient un problème de géométrie au niveau du système.

Le véritable problème n'est pas la hauteur des bavures en elle-même. C'est la réaction en chaîne :

bavure -> moins bonne imbrication et facteur d'empilement -> incohérence de la compression locale -> risque accru de pontage interlaminaire ou de frottement sous charge

C'est dans cette chaîne que les pertes, la chaleur et les dommages à long terme causés par l'isolation commencent à se rencontrer.

2. Les joints de segments créent des discontinuités magnétiques et mécaniques.

Les tôles segmentées sont courantes car l'anneau complet est souvent trop grand pour être estampé, déplacé, fixé ou transporté efficacement. Elles sont également utiles lorsque l'assemblage complet pèse plusieurs tonnes. Mais la segmentation introduit des arêtes de coupe supplémentaires et des espaces d'air parasites entre les segments, qui peuvent tous deux altérer les performances de la machine.

Une articulation segmentaire défectueuse se manifeste généralement de l'une des quatre façons suivantes :

• inadéquation de la hauteur de la pile locale
• charge de compression inégale au niveau de la ligne de démarcation
• ouverture du joint après le relâchement de la retenue
• dérive de la circularité après l'insertion du boîtier ou le transport

Aucun de ces éléments n'est un défaut abstrait. Ils déplacent tous l'entrefer.

3. Le soudage et la contention peuvent résoudre un problème et en créer un autre

La jonction est l'endroit où de nombreuses constructions de noyaux de stator sont compromises.

Les études de recherche répartissent les méthodes d'assemblage en deux groupes : les méthodes intégrées à l'empilement pendant la production du laminage et les méthodes appliquées après l'empilement, telles que le soudage, le serrage et le collage. L'objectif est toujours le même ensemble de compromis : stabilité mécanique, faible dégradation magnétique, coût acceptable, facteur d'empilement élevé et vitesse de production. Il n'est pas possible de maximiser les cinq. Pas sur un noyau éolien de grand diamètre.

Un détail qui a plus d'importance qu'il n'en a : pour obtenir le facteur d'empilage requis, le paquet est généralement pressé axialement avant le soudage. Après relâchement, la soudure est soumise à une contrainte de traction. Une fois le noyau monté dans le boîtier, des contraintes radiales et de cisaillement peuvent apparaître en raison des écarts géométriques et du frottement des parois. Ensuite, les vibrations de service et la force électromagnétique ajoutent un autre cas de charge sur la soudure. Ainsi, une soudure qui semble correcte sur le banc d'essai peut déjà se trouver dans un état de contrainte incorrect lorsque le stator est entièrement assemblé.

Méthodes d'assemblage par stratification : Ce qui compte vraiment

Verrouillage mécanique

L'emboîtement est efficace et facilite la production. Il s'adapte bien aux itinéraires d'emboutissage. L'inconvénient est qu'il perturbe localement le trajet magnétique et augmente les pertes par rapport à une pile de référence idéalement isolée. La résistance à la fatigue dans le sens de l'épaisseur est également plus faible que celle d'un joint soudé solide. Pour les grandes tôles d'éoliennes, les verrouillages peuvent encore fonctionner, mais ils doivent être utilisés avec modération. Un trop grand nombre de points de rétention, de mauvais emplacements ou une mauvaise planification de la ligne de séparation se traduiront plus tard par une perte ou un relâchement localisé.

Soudage par fusion

Le soudage permet une meilleure rétention. Il crée également le risque le plus évident de pontage électrique local, d'endommagement du revêtement, de contrainte résiduelle et de changement microstructurel affecté par la chaleur. Des travaux comparatifs montrent que le soudage au laser produit généralement une zone affectée par la chaleur plus petite et une contrainte résiduelle plus faible que le soudage de type TIG, ce qui se traduit par un meilleur comportement magnétique. Cela ne rend pas le soudage “bon” par défaut. Il fait du laser la version la moins dommageable d'une opération qui reste intrusive.

Collage

Les empilages collés préservent l'isolation et éliminent de nombreuses pénalités liées à la soudure. Ils sont intéressants du point de vue du magnétisme et de l'amortissement. La question en suspens est celle de la durabilité en fonction de la température, de la charge cyclique, du coût du processus et de l'évolutivité dans les applications lourdes. Pour les très grandes tôles de générateurs d'éoliennes, le collage est généralement une solution sélective et non universelle.

Stratégies de laser adaptatif ou pulsé

Il s'agit de l'une des orientations les plus utiles pour la fabrication de piles de grand diamètre. Les données d'examen montrent que les approches adaptatives par laser pulsé peuvent réduire fortement l'apport énergétique total, dans un cas rapporté jusqu'à environ 23% de l'énergie utilisée par une voie traditionnelle à impulsions. Mais il y a un hic. La variation de l'épaisseur de la feuille peut atteindre jusqu'à 8%, Ce qui signifie que la détection des écarts et le contrôle de la trajectoire en temps réel deviennent nécessaires si le processus est censé n'atteindre que les interfaces qui ont besoin d'être jointes. Bonne idée de processus. Problème de production plus difficile.

Tableau de comparaison : Risques et contrôles liés aux piles de lamination de grand diamètre

Il s'agit de la séquence pratique. Ce n'est pas parce que c'est bien rangé. Mais parce que c'est à ces endroits que les grands noyaux de stator cessent généralement de se comporter comme dans le modèle de CAO.

Pourquoi la tolérance de l'entrefer doit-elle guider le plan de l'ensemble du processus ?

Pour les machines éoliennes, en particulier les machines à entraînement direct, le comportement de l'entrefer n'est pas un détail en aval. Les études structurelles des générateurs à entraînement direct montrent que l'entrefer doit rester petit et uniforme pour un transfert de couple correct, et que la non-uniformité augmente la sensibilité au déséquilibre de la force magnétique, à la compliance des roulements et à la déformation structurelle. Dans une ligne d'analyse, l'excentricité acceptable est traitée comme devant rester à peu près dans les limites de ±10% de la longueur de l'entrefer. Au-delà, le risque augmente rapidement.

Il y a également un échange peu glorieux. Un vide d'air plus important offre une plus grande marge de tolérance et peut être plus facile à vivre sur le plan structurel. Mais il augmente généralement la demande et le coût des matériaux actifs. Un entrefer plus petit améliore les performances électromagnétiques, mais demande plus de rigidité, un contrôle plus étroit de l'assemblage et un meilleur comportement des roulements. La pile de tôles est donc coincée au milieu de ce compromis. Encore une fois. C'est toujours le cas.

C'est pourquoi un itinéraire sérieux de fabrication de noyaux de stator doit être planifié à rebours de la carte finale des entrefers. Et non en amont de la matrice d'emboutissage.

Une meilleure logique de fabrication pour les laminés des générateurs d'éoliennes

Pour les piles de laminage de grand diamètre, l'itinéraire du processus doit s'articuler autour des éléments suivants quatre points de contrôle verrouillés.

1. Contrôler le bord avant de contrôler la pile

Ne pas traiter la bavure comme un défaut cosmétique. Qualifier l'état de l'arête de coupe par famille de segments, et pas seulement par lot de matériaux ou identification de l'outil. Les grands noyaux segmentés multiplient le nombre d'arêtes. La logique d'inspection doit en tenir compte.

2. Définir comment la compression sera créée, maintenue, libérée et restaurée

De nombreux problèmes commencent après le premier “bon” résultat de compression. La pile est pressée. Soudée ou serrée. Relâchée. Déplacée. Remise en place. Insérée. Mesuré à nouveau. Chacune de ces étapes modifie l'état de contrainte. Si la rétention de la compression n'est pas conçue tout au long de l'itinéraire, le premier relevé acceptable ne signifie pas grand-chose.

3. Mesurer la rondeur et la hauteur de la pile à l'intérieur de la séquence de construction

L'inspection finale est trop tardive pour une pièce de cette taille. Les points de contrôle utiles sont les suivants :

• après la première construction de la pile
• après avoir rejoint
• après le relâchement de la contrainte
• après l'insertion du boîtier
• après des événements majeurs de manutention ou de transport

Cette séquence correspond à l'endroit où la géométrie a tendance à se déplacer.

4. Valider la pile en tant que noyau assemblé, et non en tant que données de processus détachées

Pour un noyau de stator d'éolienne, des données de poinçonnage acceptables, des coupons de soudure acceptables et des dimensions de boîtier acceptables n'aboutissent pas automatiquement à un noyau acceptable. L'état de l'assemblage intégré est plus important. C'est là que se trouve la protection contre l'entrefer. Elle ne figure pas dans les certificats individuels.

Liste de contrôle de la qualité pour les piles de lamination de grand diamètre

Une liste de contrôle utilisable pour la remise en liberté comprend généralement les éléments suivants :

• limite de bavure par type de segment
• cohérence de la hauteur locale de la pile
• segment de l'ajustement de la ligne de partage et de l'enregistrement de l'écart
• enregistrement de la compression axiale avant et après l'assemblage
• rondeur avant et après l'insertion du boîtier
• qualification de la couture par la force et l'impact magnétique
• confirmation que la manipulation ou le transport n'a pas détendu la pile
• contrôle final de la distribution de l'air après l'assemblage mécanique complet

Cette liste est plus longue que la plupart des inspections de piles standard. Elle devrait l'être. Les laminations des générateurs d'éoliennes ne pardonnent pas une fois qu'elles sont installées.

FAQ

Dernière partie : Ce que les acheteurs et les équipes d'ingénieurs doivent demander dès le départ

Si l'application est un grand générateur éolien, la conversation utile avec le fournisseur n'est pas “Pouvez-vous faire des laminations ?”. C'est trop général.

Les questions les plus pertinentes sont les suivantes :

• Quelle limite de bavure peut être maintenue sur l'ensemble de la famille de segments ?
• Comment la compression de la pile est-elle maintenue pendant l'assemblage et le transport ?
• Quelle est la méthode d'assemblage utilisée et quelle est sa pénalité magnétique ?
• Comment l'arrondi est-il vérifié après l'insertion du logement ?
• Comment le risque d'entrefer final est-il géré au niveau du noyau assemblé ?

C'est là que se situe le risque du projet.

C'est là que la fabrication d'une pile de stratification de qualité commence à se distinguer de la production d'un noyau de moteur ordinaire.