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Processus de fabrication de rotor pour moteurs électriques

authorIcon By Stéphane Melançon on July 21, 2023 topicIcon Batteries & EVs

L’objectif de tous les fabricants de véhicules électriques est de concevoir des moteurs électriques plus efficaces, ce qui signifie dépenser moins d’énergie pour le déplacement et créer des batteries plus petites avec une gestion thermique optimale.

Le rotor est l’un des éléments principaux servant à transférer de l’énergie des batteries aux roues d’un véhicule électrique. Son processus de fabrication peut être optimisé de différentes façons pour obtenir un moteur électrique plus efficace.

Le processus de fabrication du rotor peut être divisé en six étapes :

  1. Conception et prototypage
  2. Feuilletage de tôles
  3. Insertion des aimants ou des barres conductrices
  4. Usinage et marquage laser
  5. Nettoyage laser d’arbre de transmission et emmanchement à la presse
  6. Imprégnation et équilibrage

1. Conception et prototypage

La conception du rotor dépend des matériaux utilisés et des exigences techniques. Par exemple, dans les moteurs asynchrones, le rotor génère un champ magnétique avec le stator. Par conséquent, des matériaux magnétiques comme le cobalt, le nickel et le fer sont utilisés. Le coût, la résistance et la disponibilité de ces matériaux influencent fortement la conception.

Ces exigences et difficultés sont abordées au cours de la phase de conception et de prototypage. Prenons par exemple l’intégration d’aimants à l’intérieur du rotor (aimants permanents intérieurs). La conception des tôles feuilletées du rotor doit prendre en compte l’espace nécessaire aux aimants et le besoin d’optimisation du chemin du champ magnétique.

Une fois la conception terminée et le prototype assemblé, ce dernier est disposé sur un banc d’essai. Cet équipement mesure des indicateurs de performances tels que la courbe de puissance, les tr/min par volt, la résistance et les niveaux d’impédance pour garantir qu’ils satisfont les exigences d’un moteur CA (courant alternatif). Il vérifie également l’équilibre du rotor comme s’il s’agissait d’une inspection finale avant l’assemblage du moteur électrique (vous trouverez plus d’informations sur cette étape dans la section Imprégnation et équilibrage).

Voici un exemple d’un test réalisé par un banc d’essai pouvant être utilisé pour les prototypes et les produits finaux.

 

2. Feuilletage de tôles

 

Un rotor automatisé et une machine à estamper de stator.

Le noyau du rotor est constitué de centaines de petites lamelles en matériau métallique appelées tôles feuilletées. Chacune est estampée ou poinçonnée, puis finement recouverte (de quelques microns) pour la protéger de la corrosion et fournir une meilleure isolation.

Ce processus de production appelé feuilletage de tôles commence lorsque toutes les tôles feuilletées sont empilées les unes sur les autres, puis sont estampées pour former le noyau du rotor à l’aide d’une presse à estamper hydraulique. Cette méthode de fabrication est essentielle pour construire un rotor efficace : les tôles feuilletées réduisent les courants de Foucault à l’intérieur du rotor tout en augmentant sa puissance et en améliorant son équilibre.

3. Insertion des aimants ou des barres conductrices

Le rotor permet de générer un champ magnétique avec le stator. Pour ce faire, des éléments magnétiques sont installés dans le rotor. Il peut s’agir d’aimants, de barres conductrices ou de bobines de cuivre.

L’approche la plus répandue pour les véhicules électriques récents est d’utiliser des aimants permanents intérieurs (IPM) à l’intérieur des tôles feuilletées. Ce type de rotor peut fonctionner avec un nombre de tr/min supérieur sans augmenter la force centrifuge, est plus éloigné des sources de chaleur et génère un champ magnétique plus concentré pour de meilleures performances. Dans le cas des moteurs électriques haute performance, une enveloppe en carbone est installée autour du rotor pour améliorer sa résistance et augmenter le nombre de tr/min maximums et la puissance.

Dans la vidéo suivante, vous pouvez voir des aimants à l’intérieur d’un noyau de rotor.

 

Barres conductrices insérées à l’extérieur du noyau du rotor.

Les barres conductrices sont installées à l’extérieur du noyau du rotor, dans les espaces dégagés à cette fin au cours de l’étape de feuilletage de tôles. Elles peuvent être installées manuellement ou à l’aide d’un équipement d’insertion automatisée.

L’enroulement de fils de cuivre autour du noyau du rotor est une technique répandue utilisée dans de nombreuses applications de moteur électrique différentes. Récemment, elle est moins utilisée dans l’industrie automobile, car les conceptions utilisant des IPM et des barres conductrices sont plus efficaces.

4. Usinage et marquage laser

 Les pièces telles que les bagues d’extrémité peuvent être usinées une fois que le noyau de rotor est assemblé.

Une fois que le noyau de l’assemblage rotor est créé, il est usiné pour éliminer l’excès de matériaux des bagues d’extrémité et, le cas échéant, créer des caractéristiques de conception externes. Étant donné que certains rotors fonctionnent à plus de 10 000 tr/min, l’usinage doit être extrêmement précis afin d’obtenir des tolérances mécaniques très élevées avec une machine-outil à commande numérique (CNC).

La fabrication du noyau de rotor est maintenant terminée. C’est l’étape idéale de la production pour marquer au laser l’assemblage de tôles feuilletées (ou cage d’écureuil). Le marquage de codes Datamatrix (DMC) ou de numéros de série permet de collecter des données de production et d’améliorer le contrôles de la qualité.

Dans la vidéo suivante, vous pouvez voir le marquage laser d’un rotor à haute température.

 

5. Nettoyage laser d’arbre de transmission et emmanchement à la presse

Il ne manque plus que l’arbre de rotor. L’arbre garantit un transfert mécanique efficace qui alimente les roues du véhicule électrique. Quand il est fabriqué séparément, l’arbre peut être nettoyé avec un laser pour éliminer l’huile, la poussière ou les contaminants restants après la fabrication. Il peut également être marqué au laser à des fins de traçabilité ou de suivi.

Dans la vidéo suivante, vous pouvez voir le nettoyage laser de l’arbre de rotor.

 

Une fois nettoyé, l’arbre est inséré dans le noyau du rotor à l’aide d’une machine à emmanchement serré pneumatique. Pour un emmanchement serré réussi, le trou au centre du noyau du rotor doit être à peine plus petit que l’arbre pour garantir une interférence adéquate entre les deux pièces et les tenir en place. Dans cette optique, le noyau de rotor est chauffé pendant quelques secondes avant l’emmanchement à la presse. Ce processus est généralement automatisé.

Dans la vidéo suivante, vous pouvez voir l’insertion de l’arbre de rotor.

 

6. Imprégnation et équilibrage

Maintenant que le rotor est complètement assemblé, il est imprégné dans un bain de résine pour améliorer sa résistance mécanique et le protéger des éléments extérieurs.

Pour maintenir une vitesse aussi élevée que 10 000 tr/min, un équilibrage précis est nécessaire pour garantir un fonctionnement sans à-coups sans vibration. La distribution de la masse est mesurée en disposant le rotor sur un accessoire horizontal ou vertical équipé de dispositifs de mesure tels que des accéléromètres, des tachéomètres et des barèmes. Ces instruments surveillent l’accélération, la vitesse de rotation et le poids pendant que le rotor tourne. Des ajustements sont effectués jusqu’à obtenir l’équilibre recherché.

Dans la vidéo suivante, vous pouvez voir l’équilibrage du rotor en détail.

 

La voie de l’efficacité du moteur électrique

Le processus de fabrication d’un rotor comporte de nombreuses étapes essentielles, et des gains de performance importants peuvent être obtenus au cours de chacune d’entre elles. Des choix de conception intelligents offriront une production et un contrôle de la qualité plus efficaces à la fin de la fabrication.

L’utilisation des processus laser pour la traçabilité et la préparation des surfaces permettra une amélioration continue des processus et une maximisation des performances des pièces.

Dans un paysage automobile compétitif, chaque gain de rendement pour les moteurs électriques est un gain de vitesse, de fiabilité et d’économie d’énergie. L’utilisation de l’automatisation et d’une technologie écologique telle que le laser dans le processus de fabrication du rotor est désormais essentielle pour développer la production et réduire l’empreinte écologique.

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Stéphane Melançon

Technical expert and consultant in batteries and electrical propulsion systems, Stéphane holds a Physics degree with specializations in Photonics, Optics, Electronics, Robotics, and Acoustics. Invested in the EV transformation, he has designed industrial battery packs for electrical bikes. In his free time, he runs a YouTube channel on everything electrical.