FR2964807A1

FR2964807A1 - Moteur electrique et procede de fabrication d'un rotor ou d'un stator d'un moteur electrique

Info

Publication number: FR2964807A1
Application number: FR1158053A
Authority: FR
Inventors: Witold Pieper; Burkard Kraus; Johannes Tenbrink
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-03-16
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: DE102011001488B4; DE102011001488A1; US20120228966A1; FR2964807B1; SG179352A1

Abstract

Un moteur électrique (1) comportant un stator (4) et un rotor (2), le stator (4) et/ou le rotor (2) présentant un noyau magnétique doux réalisé sous forme d'empilage de tôles, est caractérisé en ce que l'empilage de tôles contient la composition suivante : 35 % en poids ≤ Ni ≤ 50 % en poids, 0 % en poids ≤ Co ≤ 2 % en poids, 0 % en poids ≤ Mn ≤ 1,0 % en poids, 0 % en poids ≤ Si ≤ 0,5 % en poids ainsi que 0,5 % en poids ≤ Cr ≤ 8 % en poids et/ou 0,5 % en poids ≤ Mo ≤ 8 % en poids, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables, où on a 0,5 % en poids ≤ (Mo + Cr) ≤ 8 % en poids.

Description

MOTEUR ELECTRIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN ROTOR OU D'UN STATOR D'UN MOTEUR ELECTRIQUE L'invention concerne un moteur électrique comportant un stator et un rotor. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un rotor ou d'un stator d'un moteur électrique. Dans le présent document, on entend également, par moteur électrique, une machine correspondante capable de fonctionner ou qui fonctionne comme un générateur. Les pertes par inversion magnétique constituent une part essentielle des pertes des moteurs électriques ou des générateurs qui apparaissent dans les noyaux magnétiques doux de rotor ou de stator. Les pertes totales sont souvent décrites comme la somme des trois parts :

Ptotale - Phystérésis + P courants de Foucault + Pexcès Les pertes totales volumétriques par rapport à la masse et au cycle d'inversion magnétique sont présentées ci-après. La première part, les pertes par hystérésis, est fortement déterminée par l'intensité du champ coercitif. La deuxième part, les pertes par courants de Foucault, domine en cas de hautes fréquences et est déterminée par la structure du noyau et par la conductibilité électrique du matériau utilisé. L'équation suivante s'applique : Ptotale ^ 1 f Daz z z 1,5 os .gd 4kllcBT ^ Bmax / ^ CBmax / 6 F étant la fréquence, D la masse volumétrique, Bmax l'induction maximale, d l'épaisseur de tôle, ^ la conductibilité électrique et H~ le champ d'intensité coercitif et C étant une grandeur en fonction de la structure. D'après le document DE 695 28 272 T2, on sait que les noyaux magnétiques doux d'un rotor ou d'un stator conçus sous forme d'empilages de tôles permettent de réduire l'influence des pertes par courants de Foucault. Le but de la présente invention consiste à proposer un moteur électrique qui améliore les moteurs électriques connus en vue de pertes encore plus faibles. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un rotor ou d'un stator d'un tel moteur électrique. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un moteur électrique comportant un stator et un rotor, ou un stator et un induit dans le cas où le moteur électrique est un moteur linéaire, le stator et/ou le rotor, ou le stator et/ou l'induit dans le cas d'un moteur linéaire, présentant un noyau magnétique doux réalisé sous forme d'empilage de tôles. Le matériau utilisé pour l'empilage de tôle a la composition suivante : 35 en poids <_ Ni <- 50 % en poids, 0 en poids <_ Co <_ 2 en poids, 0 en poids <_ Mn <- 1,0 % en poids, 0 en poids <_ Si <- 0,5 en poids ainsi que 0,5 en poids <_ Cr <- 8 en poids et/ou 0,5 en poids <_ Mo <_ 8 % en poids, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables, où on a 0,5 en poids <_ (Mo + Cr) <_ 8 en poids. Pour les impuretés, il peut s'agir par exemple de 0, N, C, S, Mg ou Ca ou encore de mélanges de deux ou plusieurs de ces éléments, les impuretés pouvant se trouver en particulier en dessous des limites suivantes : Ca <_ 0,0025 % en poids, Mg <- 0,0025 % en poids, S <_ 0,01 % en poids, 0 <_ 0,01 % en poids, N <- 0,005 % en poids et C 0,02 en poids. Le niveau d'impureté peut par exemple être réduit par une désoxydation au cérium ou par le procédé de fusion sous vide avec chauffage par induction (VIM), par le procédé de refusion à l'arc sous vide (VAR), par le procédé de refonte sous laitier électroconducteur et/ou au moyen d'autres procédés connus en soi. Une augmentation de la teneur en chrome ou de la teneur en molybdène peut, conformément à l'invention, réduire davantage l'intensité du champ coercitif. L'effet dépend cependant de la teneur en nickel. Lorsque la teneur en nickel est trop élevée ou trop faible, il n'est pas possible de réduire de manière considérable l'intensité du champ coercitif. Par conséquent, en dehors du fer, l'alliage conforme à l'invention présente une teneur en nickel comprise entre 35 et 50 % en poids et une teneur en chrome et/ou une teneur en molybdène comprise entre 0,5 et 8 en poids.

La somme des deux éléments Mo et Cr est maintenue en deçà de 8 % en poids de sorte que l'induction de saturation ne diminue pas de façon excessive. Comme on a pu le constater, le matériau utilisé associe une résistance électrique élevée et une faible intensité de champ coercitif, ce qui permet des pertes totales très faibles. Il convient ainsi en particulier pour la construction d'empilages de tôles à faibles pertes d'épaisseur classique et pour l'isolation de chacune des couches de tôle. Une induction de saturation nettement supérieure à 1 T permet un réglage approprié du système et la température de Curie élevée du matériau limite la chute de l'induction de saturation en cas d'utilisation à des températures supérieures à 100 °C.

Un exemple d'un tel matériau est également l'ULTRAVAC 44 V6 vendu dans le commerce dont la composition contient 44 % en poids de nickel, 3,5 % en poids de molybdène, le reste étant constitué de fer et des impuretés. Ce matériau possède une induction de saturation de 1,38 T, une résistance électrique spécifique de 0,8 pQm, une intensité de champ coercitif de 30 mA/cm ainsi qu'une température de Curie d'environ 300 °C. D'après une idée sur laquelle se base la présente invention, de tels matériaux conviennent non seulement pour la fabrication d'éléments massifs et d'un seul tenant mais aussi pour la construction d'empilages de tôles. Ils peuvent ainsi être utilisés pour la première fois en tant que matériau isotrope qui convient pour les empilages de tôles isotropes de machines rotatives ou de systèmes d'entraînement linéaires. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'empilage de tôles peut présenter une pluralité de tôles individuelles empilées les unes sur les autres, lesquelles sont orientées dans un plan transversal à l'axe de rotation du rotor. L'empilage de tôles résultant est symétrique en rotation et composé de tôles d'une épaisseur constante d. Il est par conséquent relativement simple à fabriquer.

L'empilage de tôles peut être réalisé essentiellement sous la forme d'un cylindre ou d'un cylindre creux et en particulier d'un élément de reflux de stator. Dans un mode de réalisation, la teneur en nickel 30 peut être de 38 % en poids <_ Ni <- 45 % en poids, en particulier 42 en poids <_ Ni <- 45 en poids.

La somme des teneurs en chrome et en molybdène peut être de 1 en poids <_ (Cr + Mo) <_ 8 en poids, dans un mode de réalisation. Dans un mode de réalisation, la teneur en chrome 5 peut être égale à 0 et avec 3 % en poids <_ Mo <_ 4 % en poids. Dans un mode de réalisation, l'alliage contient en outre du Co, la teneur en cobalt étant de 0 en poids <_ Co <_ 0,5 % en poids. Le Co peut augmenter l'induction de 10 saturation. L'alliage utilisé pour l'empilage de tôles présente de manière avantageuse une résistance électrique spécifique p > 0,5 pS2m, en particulier p > 0,75 pQm. Il présente de manière avantageuse une intensité 15 de champ coercitif Hc < 35 mA/cm ou voire Hc < 30 mA/cm. Celui-ci peut être ajusté en particulier par un traitement thermique approprié de l'empilage de tôle. L'alliage utilisé pour l'empilage de tôles présente de manière avantageuse une induction de saturation 20 Bs > 1 T. L'utilisation de l'alliage décrite est avantageuse en ce que les propriétés du matériau par rapport aux matériaux utilisés jusqu'à maintenant permettent l'ajustement de faibles pertes de matériau et 25 par conséquent la réalisation d'empilages de tôles à pertes particulièrement faibles. Selon un aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un rotor ou d'un stator d'un moteur électrique ou d'un stator ou encore d'un induit 30 d'un moteur électrique conçu comme un moteur linéaire, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : préparer une pluralité de tôles individuelles composée d'un alliage de la composition suivante : 35 en poids 25 30 <_ Ni <- 50 en poids, 0 en poids <_ Co <_ 2 en poids, 0 en poids <_ Mn <- 1,0 en poids, 0 en poids <_ Si <_ 0,5 % en poids ainsi que 0,5 % en poids <_ Cr <- 8 % en poids et/ou 0,5% en poids <_ Mo <_ 8 en poids, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables, où on a 0,5 en poids <_ (Mo+Cr) <- 8 en poids ; et former un noyau d'un rotor ou d'un stator ou encore d'un induit à partir de la pluralité de tôles individuelles.

L'étape de formation de noyau peut comprendre : empiler la pluralité de tôles individuelles en un empilage de tôles ; et structurer l'empilage de tôles en un noyau d'un rotor ou d'un stator.

En variante, l'étape de formation de noyau peut comprendre : structurer les tôles individuelles ; et empiler la pluralité des tôles individuelles structurées en un empilage de tôles pour former un noyau pour un rotor ou un stator. Les deux variantes de procédé permettent la fabrication rationnelle d'empilages de tôles à faibles pertes pour des rotors, induits et stators d'un moteur électrique. Des exemples de réalisation sont expliqués plus en détail ci-après à l'aide des dessins. La figure 1 est un schéma d'une vue de dessus d'un stator et d'un rotor d'un moteur électrique conformément à un mode de réalisation de l'invention ; La figure 2 est un schéma en coupe du stator du moteur électrique selon la figure 1 ; La figure 3 représente un diagramme des pertes totales volumétriques par rapport à la masse et au cycle d'inversion magnétique pour un matériau selon un mode de réalisation de l'invention et un matériau de référence ; La figure 4 représente un autre diagramme des pertes totales volumétriques par rapport à la masse et au cycle d'inversion magnétique pour un matériau selon un mode de réalisation de l'invention et deux matériaux de référence et La figure 5 représente encore un autre diagramme des pertes totales volumétriques par rapport à la masse et au cycle d'inversion magnétique pour un matériau selon un mode de réalisation de l'invention et un matériau de référence. La figure 1 représente un schéma d'une vue du dessus d'un moteur électrique 1 comportant un stator 4 et un rotor 2. Par souci de clarté, d'autres composants du moteur électrique 1 comme par exemple les enroulements et les connexions électriques ne sont pas représentés. Le stator 4 est conçu sensiblement en forme de cylindre creux. Il est conçu sous forme d'empilage de tôles composé d'une pluralité de tôles individuelles 5 d'épaisseur d qui sont orientées perpendiculairement à l'axe de rotation 6 du rotor 2 et empilées les unes sur les autres. A l'intérieur du stator 4, le rotor 2 est monté de manière à pouvoir tourner. Le rotor 2 peut être également conçu sous forme d'empilage de tôles composé d'une pluralité de tôles individuelles qui par exemple tel que susmentionné sont empilées les unes sur les autres. Le rotor 2 possède une forme essentiellement cylindrique et présente à l'intérieur une ouverture 3 destinée à loger un arbre de rotor qui n'est pas représenté.

La figure 2 est un schéma du stator 4 d'après la figure 1 en coupe transversale, dans lequel on peut voir les couches de tôles individuelles 5 d'épaisseur d. Les tôles individuelles 5 sont constituées d'un alliage dont la composition est décrite par la formule suivante : 35 en poids <_ Ni <- 50 en poids, 0 en poids <_ Co <-2 en poids, 0% en poids <_ Mn <- 1,0 en poids, 0 % en poids <_ Si <- 0,5% en poids ainsi que 0,5 en poids <_ Cr <_ 8 en poids et/ou 0,5 en poids <_ Mo <_ 8 en poids, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables, où on a 0,5 en poids <_ (Mo+Cr) <- 8 en poids. Cet alliage est un alliage à base de fer et nickel avec du chrome et/ou du molybdène. Les éléments chrome et molybdène peuvent considérablement réduire l'intensité du champ coercitif par rapport à un alliage NiFe pur, alors que la saturation est supérieure à 1 T et par conséquent plus élevée comme c'est le cas par exemple pour des alliages permalloy 80 NiFe. Dans le tableau 1 ci-dessous figurent des exemples de compositions d'alliage appropriées avec de faibles intensités de champ coercitif et à haute résistance spécifique pour des empilages de tôles à faibles pertes : Fe Ni % en Cr % Mo % Hc Bmax (T) Résistance poids en en (mA/cm) spécifique poids poids gnm 8368 reste 40 4,5 34,8 1,09 0,91 8371 reste 42,95 5,8 28,1 1,02 0,94 8372 reste 44 4,5 29 1,15 0,88 8373 reste 44 5,8 31,2 1,05 0,94 8376 reste 40 1,9 33,6 1,3 0,79 8377 reste 40 4,3 29,5 1,15 0,89 8378 reste 41,7 5,5 30,9 1,12 0,92 8379 reste 40 2,2 2,1 29,4 1,12 0,90 Tableau 1 La figure 3 représente un diagramme des pertes totales volumétriques par rapport à la masse et un cycle d'inversion magnétique PFe/f pour un matériau conformément à un mode de réalisation de la présente invention et un matériau de référence. A titre d'exemple de matériau conforme à l'invention, on utilise l'ULTRAVAC 44 V6 susmentionné, dont la composition est de 44 % en poids de nickel et 3,5 % en poids de molybdène, le reste étant constitué de fer et d'impuretés. Le MEGAPERM 40 L a été utilisé comme matériau de référence dont la composition est de 40 de nickel, le reste étant constitué de fer. Des empilages de tôles ont été constitués avec les deux matériaux, l'épaisseur de tôle individuelle étant de 0,1 mm. L'induction s'élevait à 1,2 T. La figure 4 représente un autre diagramme des pertes totales volumétriques par rapport à la masse et un cycle d'inversion magnétique PFe/f pour un matériau conformément à un mode de réalisation de la présente invention et deux matériaux de référence. A titre d'exemple de matériau conforme à l'invention, on a ici également utilisé l'ULTRAVAC 44 V6. Comme matériau de référence, outre le MEGAPERM 40 L, le Permenorm 5000 V5 a également été utilisé, dont la composition est de 48 de nickel, le reste étant constitué de fer. Des empilages de tôles ont été conçus avec tous les matériaux, l'épaisseur de tôle individuelle étant de 0,2 mm. L'induction s'élevait à 1 T. La figure 5 représente encore un autre diagramme des pertes totales volumétriques par rapport à la masse et un cycle d'inversion magnétique PFe/f pour un matériau conformément à un mode de réalisation de la présente invention et un matériau de référence.

A titre d'exemple de matériau conforme à l'invention, on a ici également utilisé l'ULTRAVAC 44 V6, et le Permenorm 5000 H2 comme matériau de référence. Des empilages de tôles ont été conçus avec les deux matériaux, l'épaisseur de tôle individuelle étant de 0,1 mm. L'induction s'élevait à 1 T. Sur les figures 3 à 5, on peut voir que les empilages de tôles conçus en ULTRAVAC 44 V6 présentent des pertes de matériau particulièrement faibles. En cas de réglages plus faibles que ceux représentés sur les figures de 3 à 5 en-deçà de 1 T, l'avantage quant à la perte augmente encore plus.

Claims

REVENDICATIONS1 - Moteur électrique (1) comportant un stator (4) et un rotor (2), ou un stator et un induit dans le cas où le moteur électrique (1) est un moteur linéaire, le stator (4) et/ou le rotor (2), ou le stator et/ou l'induit dans le cas d'un moteur linéaire, présentant un noyau magnétique doux réalisé sous forme d'empilage de tôles, caractérisé en ce que le matériau utilisé pour l'empilage de tôles a la composition suivante : 35 % en poids <_ Ni <-50 % en poids, 0 % en poids <_ Co <_ 2 % en poids, 0 % en poids <_ Mn <- 1,0 % en poids, 0 % en poids <_ Si <- 0,5 % en poids ainsi que 0,5 % en poids <_ Cr <- 8 % en poids et/ou 0,5 % en poids <_ Mo <_ 8 % en poids, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables, où on a 0,5 % en poids <_ (Mo + Cr) <- 8 en poids.
2 - Moteur électrique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilage de tôles présente une pluralité de tôles (5) individuelles empilées les unes sur les autres, lesquelles sont orientées dans un plan transversal à l'axe de rotation du rotor.
3 - Moteur électrique (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'empilage de tôles est réalisé essentiellement sous la forme d'un cylindre ou d'un cylindre creux.
4 - Moteur électrique (1) selon l'une quelconque 30 des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en nickel est de 38 en poids <_ Ni <- 45 en poids.
5 - Moteur électrique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la teneur en nickel est de 42 en poids <_ Ni <- 45 en poids.
6 - Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la somme des teneurs en chrome et en molybdène est de 1 en poids <_ (Cr + Mo) <_ 8 en poids.
7 - Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en chrome est égale à 0 et avec 3 en poids <_ Mo <_ 4 en poids.
8 - Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en cobalt est 0 en poids <_ Co <_ 0,5 en poids.
9 - Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'alliage utilisé pour l'empilage de tôles présente une résistance électrique spécifique p > 0,5 pQm.
10 - Moteur électrique (1) selon la revendication 25 9, caractérisé en ce que la résistance électrique spécifique p de l'alliage est > 0,75 pQm.
11 Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'alliage 30 utilisé pour l'empilage de tôles présente une intensité du champ coercitif Hc < 35 mA/cm. 512 - Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'alliage utilisé pour l'empilage de tôles présente une intensité du champ coercitif Hc < 30 mA/cm. 13 - Moteur électrique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'alliage utilisé pour l'empilage de tôles présente une induction de saturation Bs > 1 T. 10 14 - Procédé de fabrication d'un rotor (2) ou d'un stator (4) ou d'un induit d'un moteur électrique (1), caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes . 15 préparer une pluralité de tôles individuelles (5) composée d'un alliage de la composition suivante : 35 % en poids <_ Ni <- 50 en poids, 0 en poids <_ Co <_ 2 % en poids, 0 % en poids <_ Mn <- 1,0 % en poids, 0 % en poids <_ Si <- 0,5 % en poids ainsi que 0,5 en poids <_ 20 Cr <- 8 % en poids et/ou 0,5% en poids <_ Mo <_ 8 % en poids, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables, où on a 0,5 % en poids <_ (Mo+Cr) <- 8 en poids ; et former un noyau d'un rotor (2) ou d'un stator (4) ou 25 encore d'un induit à partir de la pluralité de tôles individuelles (5). 15 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de formation de noyau 30 comprend : empiler la pluralité de tôles individuelles (5) en un empilage de tôles ; etstructurer l'empilage de tôles en un noyau d'un rotor (2) ou d'un stator (4) ou encore d'un induit. 16 - Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce 5 que l'étape de formation de noyau comprend : structurer les tôles individuelles (5) ; et empiler la pluralité de tôles individuelles (5) structurées en un empilage de tôles en formant un noyau pour un rotor (2) ou un stator (4) ou encore un induit.