WO2024251748A1 - Palier a roulement - Google Patents

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rolling
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steel
bodies
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Pierre Emmanuel DUBOIS
Christophe Nicot
Romain THOMAS
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NTN Europe SA
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    • F16C2380/26Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the invention relates to a rolling bearing comprising an outer member and an inner member each provided with at least one annular rolling track forming a rolling space between said members, at least one row of rolling bodies being arranged in the rolling space to allow the relative rotation of the members.
  • the invention also relates to an electrical machine comprising a rotor which is rotatably mounted relative to a stator by means of such a rolling bearing.
  • electric currents can pass between the rotor and the stator which, since the components of a bearing are typically made of rolling steel, propagate between the components via the rolling bodies.
  • rolling bearings Since these currents flow through the rolling bearings are detrimental to their service life, rolling bearings have been proposed in which at least some components provide electrical insulation.
  • At least one organ can be made at least partially of electrically insulating material, without this solution being satisfactory in terms of costs and/or reliability of the rolling bearing.
  • So-called hybrid bearings are also known in which the components are made of conventional rolling steel and the rolling bodies are formed from a material whose electrical resistivity is sufficient to ensure electrical insulation between the components across the rolling space.
  • the use of SisN4-based ceramic material has been proposed to solve this electrical problem.
  • the electrically insulating materials used do not exhibit the properties physical properties, in particular thermal and/or mechanical properties, which are relevant, in particular in relation to those of the bearing steels, to guarantee the reliability of the guidance provided by the rolling bearing.
  • the invention aims to improve the prior art by proposing in particular a rolling bearing in which the rolling bodies are formed from a material ensuring electrical insulation between the rolling steel members, while ensuring homogeneity of the physical properties between said material and said rolling steel to make the operation of the rolling bearing more reliable.
  • the invention proposes a rolling bearing comprising an outer member and an inner member each formed from rolling steel and provided with at least one annular rolling track forming a rolling space between said members, at least one row of rolling bodies being arranged in said space to allow the relative rotation of said members, the rolling bodies being formed from a ceramic material comprising zirconium dioxide whose electrical resistivity is sufficient to guarantee electrical insulation between the members through the rolling space.
  • the invention proposes an electric machine comprising a rotor which is rotatably mounted relative to a stator by means of such a rolling bearing, said bearing being subjected to passages of electric currents between said rotor and said stator.
  • a rolling bearing comprising an outer member 1 and an inner member 2 each provided with at least one annular rolling track 1a, 2a forming a rolling space 3 between said members.
  • at least one row 4 of rolling bodies 4a is arranged in the rolling space 3, in particular by being kept spaced apart by a cage 5, said bodies being in rolling support along each of the tracks 1a, 2a during said rotation.
  • a lubricant is arranged in the rolling space 3 in order to reduce the friction of the rolling bodies 4a during rotation.
  • the lubrication can be obtained by means of an oil and/or a grease introduced into the rolling space 3.
  • a porous polymer matrix can be arranged in the rolling space 3, in particular by being in contact with the rolling bodies 4b, said matrix trapping a lubricant comprising an oil and/or a grease.
  • the members 1, 2 are each formed of a ring between which is arranged a row 4 of rolling bodies 4a of cylindrical geometry.
  • the invention is not limited to a particular geometry of the members 1, 2 and/or the rolling bodies 4a.
  • the organs 1, 2 are each formed from bearing steel, in particular from high-carbon steel to withstand significant loads, both static and dynamic.
  • a steel called 100Cr6 is conventionally used, the composition of which in weight percentage is in the ranges given below, in particular depending on the intended application:
  • the members 1, 2 can be made of high carbon chrome steel, in particular according to the designation SUJ2 or AMS52100.
  • the members 1, 2 can be made of high carbon steel as previously mentioned with the additional addition of silicon and/or manganese, in particular according to the name 100CrMnSi6-4 or SUJ3.
  • the rolling bodies 4a are formed from a ceramic material whose electrical resistivity is sufficient to guarantee electrical insulation between the members 1, 2 through the rolling space 3.
  • the bearing can be advantageously used in an electrical machine for rotating a rotor relative to a stator, in which said bearing is subjected to passages of electric currents between said rotor and said stator.
  • the electrical insulation provided by the rolling bodies 4a makes it possible to prevent currents from passing through the rolling bearing, and therefore the induced deterioration of said bearing.
  • the ceramic material of the rolling bodies 4a comprises zirconium dioxide (ZrO2 or Zirconia), the specific choice of which makes it possible to combine good electrical insulation with physical properties which, in relation to those of the rolling steel of the members 1, 2, make the operation of the bearing more reliable, in particular at the interface between the rolling bodies 4a and the tracks 1a, 2a on which they roll.
  • the electrical resistivity of the material of the rolling bodies 4a may be greater than 10 15 Q*mm 2 /m, that of the bearing steel being conventionally between 0.1 and 1 Q*mm 2 /m.
  • the rolling bodies 4a can be manufactured by sintering the ceramic material comprising zirconium dioxide, with in particular the possibility of modulating the production performance (sintering quality) or use of the rolling bodies 4a based on ZrCh (toughness) via the composition of the ceramic, in particular the Ytrium content.
  • the ceramic material of the rolling bodies 4a has thermal performances which guarantee the stability and dimensional precision of the bearing in temperature, in particular the stability of dimensional interference between the members 1, 2 and the rolling bodies 4a.
  • the rotation of a rotor of an electric machine generates significant temperature variations over time and differentials between the components 1, 2, with differences of up to 40°C, which can significantly degrade the optimized clearances between the components of the rolling bearing, in particular in a manner amplified by the low thermal conductivity of ceramic materials.
  • the ceramic material of the rolling bodies 4a may have a coefficient of thermal expansion whose value is less than 130% of the coefficient of thermal expansion of the rolling steel of the members 1, 2.
  • the coefficient of thermal expansion (CTE) of zirconium dioxide material is of the order of 10x10' 6 K' 1 , that of bearing steel being typically of the order of 12x10' 6 K' 1 .
  • the thermal stability in service of the members 1, 2 can be improved from the point of view of dimensional stability and/or hardness by a combined solution of grade and/or treatments, for example:
  • thermochemical treatment nitriding, carbonitriding, cold, tempering
  • the ceramic material of the rolling bodies 4a has mechanical performances which guarantee, in particular for high speed and high rigidity applications, the operational reliability of the bearing, in particular in relation to the resistance to the initiation of cracking/spreading of flaking due to the medium polluted by hard particles and to the resistance to shocks.
  • the ceramic material of the rolling bodies 4a has a Young's modulus of elasticity E whose difference with the Young's modulus of elasticity E of the rolling steel of the components 1, 2 is less than 10%.
  • the Young's modulus of elasticity E of the ceramic material is of the order of 210 GPa, that of the bearing steel being conventionally also of the order of 210 GPa, so as to obtain a homogeneity between the materials which is conducive to the best operation of the rolling bearing.
  • the ceramic material of the rolling bodies 4a despite its high hardness, allows less impact on the steel members 1, 2 thanks to a lower Young's modulus of elasticity E than traditional ceramics, leading to less shear stresses in said members than with rolling bodies 4a.
  • rolling bearings 4a for example based on S13N4, and this without the reduction in rigidity affecting the operation of the rolling bearing.
  • the ceramic material of the rolling bodies 4a has a Poisson's ratio whose deviation from the Poisson's ratio of the rolling steel of the members 1, 2 is less than 10%.
  • the Poisson's ratio of the ceramic material is of the order of 0.3, that of the bearing steel being conventionally also of the order of 0.3, so as to obtain a homogeneity between the materials which is conducive to the stable and predictive operation of the rolling bearing.
  • the rolling steel of the members 1, 2 has, at least at the level of at least one of the rolling tracks 1a, 2a, an HV hardness which is greater than 60% of the HV hardness of the ceramic material of the rolling bodies 4a.
  • the rolling steel of the members 1, 2 may have undergone a specific hardening treatment of at least one of the rolling tracks 1a, 2a to have an HV hardness greater than 750, in particular being at least 850.
  • at least the rolling tracks 1a, 2a and in particular the members 1, 2 may have the HV hardnesses defined above.
  • the members 1, 2 may have undergone heat treatment in the mass, superficially and/or by surface enrichment of surface hardening, for example of the cementation, carbonitriding, nitriding, induction type.
  • the hardness difference is reduced in order to make the operation of the rolling bearing more reliable.
  • a rolling bearing according to the invention can have:
  • - mechanical reinforcement by: o a small difference in Young's modulus of elasticity E between the rolling steel and the ceramic material of the rolling bodies 4a, in particular to reduce the stresses in the components 1, 2; o a reinforcement of the mechanical resistance in a polluted environment of the components 1, 2, in particular by carbonitriding the rolling steel; o good temperature resistance, in particular by using Si/Mn rolling steel grades with mass and/or thermochemical treatment for the components 1, 2; - dimensional reinforcement by: o close CTEs between said ceramic material and the rolling steel; o use of rolling steel grades with Mn/Si and suitable heat treatments of the components 1, 2.

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Abstract

L'invention concerne un palier à roulement comprenant un organe extérieur (1) et un organe intérieur (2) formés chacun en acier à roulement en étant pourvu d'au moins une piste annulaire de roulement (1a, 2a) formant entre lesdits organes un espace de roulement (3), au moins une rangée (4) de corps roulants (4a) étant disposée dans ledit espace pour permettre la rotation relative desdits organes, les corps roulants (4a) étant formés à base d'un matériau céramique comprenant du dioxyde de zirconium dont la résistivité électrique est suffisante pour garantir l'isolation électrique entre les organes (1, 2) au travers de l'espace de roulement (3).

Description

PALIER A ROULEMENT
L’invention concerne un palier à roulement comprenant un organe extérieur et un organe intérieur pourvus chacun d’au moins une piste annulaire de roulement formant entre lesdits organes un espace de roulement, au moins une rangée de corps roulants étant disposée dans l’espace de roulement pour permettre la rotation relative des organes. L’invention concerne également une machine électrique comprenant un rotor qui est monté en rotation par rapport à un stator au moyen d’un tel palier à roulement.
Dans cette application, des passages de courants électriques peuvent exister entre le rotor et le stator qui, dans la mesure où les composants d’un palier sont classiquement en acier à roulement, se propagent entre les organes par l’intermédiaire des corps roulants.
Ces passages de courants au travers des paliers à roulement étant néfastes à leur durée de vie, il a été proposé des paliers à roulement dont au moins certains composants assurent une isolation électrique.
Pour ce faire, au moins un organe peut être réalisé au moins partiellement en matériau isolant électriquement, sans que cette solution ne donne satisfaction en termes de coûts et/ou de fiabilité du palier à roulement.
On connaît également des paliers dits hybrides dans lesquels les organes sont en acier à roulement conventionnel et les corps roulants sont formés à base d’un matériau dont la résistivité électrique est suffisante pour garantir l’isolation électrique entre les organes au travers de l’espace de roulement. En particulier, l’utilisation de matériau céramique à base de SisN4 a été proposée pour résoudre ce problème électrique.
Toutefois, notamment dans des applications à haute vitesse de rotation du rotor, les matériaux électriquement isolants utilisés ne présentent pas des propriétés physiques, notamment des propriétés thermiques et/ou mécaniques, qui sont pertinentes, notamment en relation avec celles des aciers à roulement, pour garantir la fiabilité du guidage conféré par le palier à roulement.
L’invention vise à perfectionner l’art antérieur en proposant notamment un palier à roulement dans lequel les corps roulants sont formés à base d’un matériau assurant l’isolation électrique entre les organes en acier à roulement, tout en assurant une homogénéité des propriétés physiques entre ledit matériau et ledit acier à roulement pour fiabiliser le fonctionnement du palier à roulement.
A cet effet, selon un premier aspect, l’invention propose un palier à roulement comprenant un organe extérieur et un organe intérieur formés chacun en acier à roulement en étant pourvu d’au moins une piste annulaire de roulement formant entre lesdits organes un espace de roulement, au moins une rangée de corps roulants étant disposée dans ledit espace pour permettre la rotation relative desdits organes, les corps roulants étant formés à base d’un matériau céramique comprenant du dioxyde de zirconium dont la résistivité électrique est suffisante pour garantir l’isolation électrique entre les organes au travers de l’espace de roulement.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose une machine électrique comprenant un rotor qui est monté en rotation par rapport à un stator au moyen d’un tel palier à roulement, ledit palier étant soumis à des passages de courants électriques entre ledit rotor et ledit stator.
D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence à la figure 1 jointe qui représente en perspective coupée partiellement un palier à roulement selon un mode de réalisation de l’invention.
En relation avec cette figure, on décrit ci-dessous un palier à roulement comprenant un organe extérieur 1 et un organe intérieur 2 pourvus chacun d’au moins une piste annulaire 1a, 2a de roulement formant entre lesdits organes un espace de roulement 3. Pour permettre la rotation relative des organes 1 , 2, au moins une rangée 4 de corps roulants 4a est disposée dans l’espace de roulement 3, notamment en étant maintenus espacés par une cage 5, lesdits corps étant en appui roulant le long de chacune des pistes 1a, 2a lors de ladite rotation.
En particulier, un lubrifiant est disposé dans l’espace de roulement 3 afin de diminuer les frottements des corps roulants 4a lors de la rotation. Selon l’application considérée, la lubrification peut être obtenue au moyen d’une huile et/ou d’une graisse introduite dans l’espace de roulement 3. Selon une réalisation, une matrice polymère poreuse peut être disposée dans l’espace de roulement 3, notamment en étant en contact avec les corps roulants 4b, ladite matrice emprisonnant un lubrifiant comprenant une huile et/ou une graisse.
Sur la figure, les organes 1 , 2 sont formés chacun d’une bague entre lesquelles est disposée une rangée 4 de corps roulants 4a de géométrie cylindrique. Toutefois, l’invention n’est pas limitée à une géométrie particulière des organes 1 , 2 et/ou des corps roulants 4a.
Les organes 1, 2 sont formés chacun en acier à roulement, notamment en acier riche en carbone pour résister à des charges importantes, tant statiques que dynamiques.
En particulier, pour réaliser les organes 1 , 2 d’un palier à roulement, on utilise classiquement un acier dénommé 100Cr6 dont la composition en pourcentage pondéral est dans les plages données ci-dessous, notamment en fonction de l’application visée :
Figure imgf000005_0001
Figure imgf000006_0001
En variante, les organes 1 , 2 peuvent être réalisés en acier à haut carbone au chrome, notamment selon la dénomination SUJ2 ou AMS52100.
Selon une réalisation, les organes 1 , 2 peuvent être réalisés en acier à haut carbone tel que précédemment évoqué avec l’ajout supplémentaire de silicium et/ou de manganèse, notamment selon la dénomination 100CrMnSi6-4 ou SUJ3.
Les corps roulants 4a sont formés à base d’un matériau céramique dont la résistivité électrique est suffisante pour garantir l’isolation électrique entre les organes 1 , 2 au travers de l’espace de roulement 3.
Ainsi, le palier peut être avantageusement utilisé dans une machine électrique pour monter en rotation un rotor par rapport à un stator, dans laquelle ledit palier est soumis à des passages de courants électriques entre ledit rotor et ledit stator.
En effet, l’isolation électrique conférée par les corps roulants 4a permet d’éviter les passages de courants au travers du palier à roulement, et donc les détériorations induites dudit palier.
Le matériau céramique des corps roulants 4a comprend du dioxyde de zirconium (ZrÛ2 ou Zircone) dont le choix spécifique permet de combiner une bonne isolation électrique avec des propriétés physiques permettant, en relation avec celles de l’acier à roulement des organes 1 , 2, de fiabiliser le fonctionnement du palier, notamment au niveau de l’interface entre les corps roulants 4a et les pistes 1a, 2a sur lesquelles ils roulent. En particulier, la résistivité électrique du matériau des corps roulants 4a peut être supérieure à 1015 Q*mm2/m, celle de l’acier à roulement étant classiquement comprise entre 0,1 et 1 Q*mm2/m.
En particulier, les corps roulants 4a peuvent être fabriqués par frittage du matériau céramique comprenant du dioxyde de zirconium, avec notamment la possibilité de moduler les performances de réalisation (qualité du frittage) ou d’utilisation des corps roulants 4a à base de ZrCh (ténacité) via la composition de la céramique, notamment le taux Ytrium.
De façon avantageuse, le matériau céramique des corps roulants 4a présente des performances thermiques qui garantissent la stabilité et la précision dimensionnelle du palier en température, notamment la stabilité d’interférence dimensionnelle entre les organes 1 , 2 et les corps roulants 4a.
En particulier, dans des applications à haute vitesse, la rotation d’un rotor d’une machine électrique engendre des variations de température significatives dans le temps et différentielles entre les organes 1 , 2, avec des écarts pouvant atteindre 40°C, ce qui peut dégrader significativement les jeux optimisés entre les composants du palier à roulement, notamment de façon amplifiée par la faible conductivité thermique des matériaux céramiques.
Pour résoudre ce problème, le matériau céramique des corps roulants 4a peut présenter un coefficient de dilatation thermique dont la valeur est inférieure à 130% du coefficient de dilatation thermique de l’acier à roulement des organes 1 , 2.
Ainsi, en utilisant un matériau céramique dont les propriétés thermiques sont proches de celle de l’acier à roulement, on assure une certaine homogénéité dimensionnelle des composants du palier à roulement en fonction de la température. Dans un exemple de relation, le coefficient de dilation thermique (CTE) du matériau à base de dioxyde de zirconium est de l’ordre de 10x10’6K’1, celui de l’acier à roulement étant classiquement de l’ordre de 12x10’6K’1.
Selon une réalisation, la stabilité thermique en service des organes 1 , 2 peut être améliorée du point de vue de la stabilité dimensionnelle et/ou de la dureté par une solution combinée nuance et/ou traitements, par exemple :
- nuance : Base 100Cr6 avec variantes avec ajouts de silicium et manganèse (0,4 à 1 ,5% Si / 0,8 à 1 ,2% Mn) ;
- traitement thermique et/ou thermochimiques (nitruration, carbonitruration, froid, revenus).
De façon avantageuse, le matériau céramique des corps roulants 4a présente des performances mécaniques qui garantissent, notamment pour des applications à haute vitesse et forte rigidité, la fiabilité de fonctionnement du palier, en particulier en relation avec la résistance à l’initiation de fissuration/propagation d’écaillage dues au milieu pollué par des particules dures et à la résistance aux chocs.
Selon une réalisation, le matériau céramique des corps roulants 4a présente un module d’élasticité d’Young E dont l’écart avec le module d’élasticité d’Young E de l’acier à roulement des organes 1 , 2 est inférieur à 10%.
Dans un exemple de réalisation, le module d’élasticité d’Young E du matériau céramique est de l’ordre de 210 GPa, celui de l’acier à roulement étant classiquement également de l’ordre de 210 GPa, de sorte à obtenir une homogénéité entre les matériaux qui est propice au meilleur fonctionnement du palier à roulement.
En particulier, le matériau céramique des corps roulants 4a, malgré sa dureté élevée, permet de moins impacter les organes 1 , 2 en acier grâce à un module d’élasticité d’Young E plus faible que les céramiques traditionnelles, conduisant à moins de contraintes de cisaillement dans lesdits organes qu’avec des corps roulants 4a par exemple à base de S13N4, et ce sans que la diminution de la rigidité n’affecte le fonctionnement du palier à roulement.
Selon une réalisation avantageuse, le matériau céramique des corps roulants 4a présente un coefficient de Poisson dont l’écart avec le coefficient de Poisson de l’acier à roulement des organes 1 , 2 est inférieur à 10%.
Dans un exemple de réalisation, le coefficient de Poisson du matériau céramique est de l’ordre de 0,3, celui de l’acier à roulement étant classiquement également de l’ordre de 0,3, de sorte à obtenir une homogénéité entre les matériaux qui est propice au fonctionnement stable et prédictif du palier à roulement.
Selon une réalisation avantageuse, l’acier à roulement des organes 1 , 2 présente, au moins au niveau d’au moins l’une des pistes de roulement 1a, 2a, une dureté HV qui est supérieure à 60% de la dureté HV du matériau céramique des corps roulants 4a.
Pour ce faire, l’acier à roulement des organes 1 , 2 peut avoir subi un traitement spécifique de durcissement d’au moins l’une des pistes de roulement 1a, 2a pour présenter une dureté HV supérieure à 750, notamment en étant d’au moins 850. Selon une réalisation, au moins les pistes de roulement 1a, 2a et notamment les organes 1 , 2 peuvent présenter les duretés HV définies ci-dessus.
En particulier, les organes 1 , 2 peuvent avoir subi un traitement thermique dans la masse, superficiel et/ou par enrichissement superficiel de durcissement en surface, par exemple de type cémentation, carbonitruration, nitruration, induction.
Ainsi, notamment en relation avec une dureté HV du matériau céramique des corps roulants 4a qui est inférieure à 1500, l’écart de dureté est réduit afin de fiabiliser le fonctionnement du palier à roulement.
De façon avantageuse, un palier à roulement suivant l’invention peut présenter :
- un renforcement mécanique par : o un faible écart de module d’élasticité d’Young E entre l’acier à roulement et le matériau céramique des corps roulants 4a, notamment pour diminuer les contraintes dans les organes 1, 2 ; o un renforcement de la résistance mécanique en milieu pollué des organes 1 , 2, notamment par carbonitruration de l’acier à roulement ; o une bonne tenue en température, notamment en utilisant des nuances d’acier à roulement au Si/Mn avec traitement masse et/ou thermochimique pour les organes 1 , 2 ; - un renforcement dimensionnel par : o des CTE proches entre ledit matériau céramique et l'acier à roulement ; o utilisation de nuances d'acier à roulement avec Mn/Si et traitements thermiques adaptés des organes 1 , 2.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Palier à roulement comprenant un organe extérieur (1 ) et un organe intérieur (2) formés chacun en acier à roulement en étant pourvu d’au moins une piste annulaire de roulement (1a, 2a) formant entre lesdits organes un espace de roulement (3), au moins une rangée (4) de corps roulants (4a) étant disposée dans ledit espace pour permettre la rotation relative desdits organes, ledit palier étant caractérisé en ce que les corps roulants (4a) sont formés à base d’un matériau céramique comprenant du dioxyde de zirconium dont la résistivité électrique est suffisante pour garantir l’isolation électrique entre les organes (1 , 2) au travers de l’espace de roulement (3).
2. Palier à roulement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau céramique des corps roulants (4a) présente un coefficient de dilatation thermique dont la valeur est inférieure à 130% du coefficient de dilatation thermique de l’acier à roulement des organes (1 , 2).
3. Palier à roulement selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau céramique des corps roulants (4a) présente un module d’élasticité d’Young E dont l’écart avec le module d’élasticité d’Young E de l’acier à roulement des organes (1 , 2) est inférieur à 10%.
4. Palier à roulement selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau céramique des corps roulants (4a) présente un coefficient de Poisson dont l’écart avec le coefficient de Poisson de l’acier à roulement des organes (1 , 2) est inférieur à 10%.
5. Palier à roulement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’acier à roulement des organes (1 , 2) présente, au moins au niveau d’au moins l’une des pistes de roulement (1a, 2a), une dureté HV qui est supérieure à 60% de la dureté HV du matériau céramique des corps roulants (4a).
6. Palier à roulement selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’acier à roulement des organes (1 , 2) a subi un traitement spécifique de durcissement d’au moins l’une des pistes de roulement (1a, 2a) pour présenter une dureté HV supérieure à 750.
7. Palier à roulement selon la revendication 6, caractérisé en ce que la dureté HV d’au moins l’une des pistes de roulement (1a, 2a) est d’au moins 850.
8. Palier à roulement selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la dureté HV du matériau céramique des corps roulants (4a) est inférieure à 1500.
9. Machine électrique comprenant un rotor qui est monté en rotation par rapport à un stator au moyen d’un palier à roulement selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, ledit palier étant soumis à des passages de courants électriques entre ledit rotor et ledit stator.
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EP0807761B1 (fr) * 1996-05-15 2001-10-24 SKF Engineering & Research Centre B.V. Palier à roulement avec résistance à l'usure améliorée et élément roulant pour ce palier
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