Technologie de production de moteurs électriques
Techologie du couple
Nick Flaherty découvre les défis de la production de moteurs électriques
La fabrication d’un groupe motopropulseur pour véhicule électrique utilisant un moteur synchrone à aimants permanents ou un moteur d’induction exige une combinaison de métallurgie précise, d’automatisation à haute vitesse et d’isolation thermique et électrique stricte. Optimiser ce processus consiste à trouver un équilibre entre l’augmentation de la densité de puissance, la réduction des bruits, vibrations et aspérités (NVH) ainsi que le maintien de l’intégrité structurelle face à des forces centrifuges extrêmes.
Les moteurs électriques deviennent de plus en plus petits tout en atteignant des vitesses plus élevées, ce qui exerce une pression croissante tant sur le processus de fabrication que sur les systèmes de refroidissement.
« Les conceptions axées sur les moteurs synchrones excités électriquement [EESM] afin d’éviter l’utilisation de matériaux à base de terres rares approchent désormais les rendements des moteurs à aimants permanents », déclare Gerhard Meister, vice-président du groupe chargé de l’unité commerciale d’électrification chez AVL.
« Une vitesse de 30 000 tr/min pour un moteur électrique permet de réduire la taille d’un appareil de 120 kW à celle d’une boîte de boissons ; une boîte de bière pourrait alors contenir un tel appareil qui ne pèserait que 30 kg. Nous examinons donc le coût : nous avons développé un arbre électrique permettant d’utiliser le même stator avec des moteurs industriels, EESM ou à aimants permanents, ainsi que la même électronique.
« Il existe un compromis en termes de matériaux – que ce soient les aimants ou le cuivre – et les avantages liés à la réduction des dimensions sont bien supérieurs aux investissements nécessaires pour leur fabrication. »
Les tolérances des paliers sont strictes, mais la réduction des coûts matériels compense les frais de production supplémentaires, déclare-t-il.
Le flux de travail de production est globalement divisé en trois étapes principales : la fabrication du stator, l’assemblage du rotor et l’intégration finale.
Fabrication du stator et enroulement en forme de crochet
Le noyau du stator est constitué de lames d’acier électrique extrêmement fines, recouvertes d’une couche d’oxyde isolant afin de minimiser les pertes dues aux courants de Foucault. Ces lames sont progressivement embouties et empilées à l’aide de techniques d’interconnexion ou de soudure pour former le noyau du stator.
Les constructeurs automobiles de véhicules électriques modernes privilégient fortement la technologie d’enroulement en forme de crochet par rapport à l’enroulement continu traditionnel, en raison de son taux d’occupation des fentes supérieur – dépassant souvent 70 % contre 45 % pour les fils ronds. Consultez la page 32 de ce numéro pour plus de détails sur les enroulements en forme de crochet.
Pendant le processus de formation, des fils cuivrés rectangulaires et solides ont leurs isolants en émail retirés aux extrémités, sont pliés avec précision en forme de « U » ou de crochet à l’aide d’une machine CNC, puis insérés automatiquement dans les fentes du stator préparées.
Les extrémités ouvertes des crochets sont tordues mécaniquement afin de créer la structure de phase appropriée. La soudure au laser (généralement à l’aide d’un laser fibrooptique haute puissance) fusionne les extrémités avec précision CNC, en assurant un contrôle strict de la zone affectée par la chaleur afin de protéger l’émail environnant.
Acier
« Selon la conception du moteur, des exigences différentes s’imposent à l’acier électrique utilisé », déclarent Roman Sonnleitner, responsable des produits en acier électrique au sein de la division aciérie voestalpine, et Ronald Fluch, ingénieur en chef à l’incubateur d’entreprises nouvelles de voestalpine.
Les composants clés d’un moteur électrique sont les empilements de lames en acier électrique présents dans le stator et le rotor. Ceux-ci sont constitués de lames superposées dont les propriétés magnétiques et mécaniques sont essentielles.
La réduction de l’épaisseur minimise les pertes par courants de Foucault à haute fréquence. Il est également important de réduire la conductivité électrique en ajoutant des éléments tels que le silicium ou l’aluminium, ce qui diminue également les pertes par courants de Foucault. Cela augmente l’efficacité du moteur, ce qui se traduit par une consommation d’énergie plus faible et donc une autonomie accrue avec la même capacité de batterie. Les épaisseurs des feuilles utilisées pour les moteurs de traction dans le domaine de l’électromobilité sont généralement ≤0,35 mm, le plus souvent ≤0,3 mm.
En même temps, l’amplification du champ magnétique constitue une fonction essentielle de l’acier électrique utilisé. Les paramètres magnétiques pour cette amplification incluent la perméabilité et la polarisation, qui peuvent être améliorées grâce à une orientation optimale des grains et à un ajustement des éléments alliants. Cependant, une teneur en alliages trop élevée n’est pas idéale pour atteindre la densité de flux maximale.
Une autre propriété essentielle de l’acier électrique est sa résistance. Celle-ci peut également être ajustée en augmentant la teneur en alliages et en modifiant les paramètres d’affinage final.
Cependant, il convient de noter qu’une forte teneur en alliages complique la fabriabilité de l’acier électrique, en particulier sa capacité à être laminé à froid. Pour cette raison, les grades d’acier électrique utilisés contiennent généralement une teneur maximale en silicium de 3,5 % en poids.
En plus des propriétés magnétiques et mécaniques, d’autres facteurs techniques entrent en jeu dans le choix de l’acier électrique à utiliser : un facteur crucial est la capacité du matériau à être transformé en pièces embouties, puis en assemblages. Parmi les facteurs influents figurent l’uniformité du matériau et de ses propriétés géométriques, ainsi qu’un fini de surface optimal.
L’épaisseur finale souhaitée est obtenue lors du laminage à froid grâce à plusieurs passes successives. L’objectif est d’obtenir une épaisseur très uniforme de la bande d’acier électrique finie sur toute sa longueur, qui se situe généralement bien dans les limites prescrites par la norme. Cette épaisseur uniforme permet au client de produire efficacement les empilements, car la hauteur d’empilement requise peut toujours être atteinte avec un nombre presque constant de laminages.
Les tolérances géométriques strictes exigées pour les composants des moteurs font que l’épaisseur sur toute la largeur de la bande revêt une importance cruciale, en plus de la uniformité le long de sa longueur. Seule une épaisseur uniforme sur toute la largeur de la bande permet de produire des roulements et des stators aussi parfaits géométriquement que possible à partir des laminages individuels empilés.
Afin de minimiser les courants de Foucault dans l’empilement, il est nécessaire d’appliquer une couche isolante sur l’acier électrique. Celle-ci isole électriquement les différentes laminages les uns des autres au sein de l’empilement. Cette couche isolante doit également être adaptée aux processus de jonction ultérieurs ou jouer un rôle essentiel dans ces derniers.
On distingue fondamentalement les processus intégrés au processus de emboutissage (verrouillage, collage par surface ou par points) de ceux qui sont effectués après ce processus (soudure, serrage, collage conventionnel). Le méthode de jonction est choisie en fonction de l’application spécifique, du design de la machine électrique et de considérations économiques.
voestalpine a développé et mis sur le marché une large gamme de nouveaux grades d’acier électrique. En plus des propriétés magnétiques et mécaniques, le processus de développement tient également compte du facteur clé qu’est la facilité de traitement.
Dans les machines à haute vitesse, on utilise un acier électrique présentant de faibles pertes à haute fréquence dans le stator. Le rotor, qui tourne très rapidement, doit avoir une grande résistance afin de maintenir l’écart d’air entre le rotor et le stator au plus petit niveau possible, ainsi que pour placer les aimants permanents utilisés aussi loin que possible vers l’extérieur du rotor.
Pour une conception optimale du rotor et du stator, il est idéalement conseillé d’utiliser deux grades différents d’acier électrique, dont les propriétés sont optimisées pour chaque composant respectif.
Afin d’obtenir une utilisation optimale du matériau dans le stator, il est possible de le segmenter ; cependant, cela implique un processus de fabrication complexe. Une alternative consiste à utiliser de l’acier électrique pouvant être recuit ultérieurement, qui offre une grande résistance dans son état initial, associée à une bonne polarisation et à des pertes modérées.
L’acier électrique recuit ultérieurement convient également pour le stator, en particulier lorsqu’il est suivi d’un traitement thermique des laminages après le processus de emboutissage. Ce traitement thermique permet d’obtenir des propriétés magnétiques optimales et élimine en outre toutes les contraintes et déformations induites dans le matériau lors du processus d’emboutissage.
Une alternative intéressante consiste à privilégier des grades présentant une forte polarisation. Cela permet d’obtenir le même couple avec un champ magnétique plus faible et réduit les pertes de conduction dans les enroulements en cuivre.
Afin d’assurer le collage par liaison ponctuelle entre les feuilles d’acier, voestalpine a développé une structure en relief humide pour un vernis isolant en acier électrique (type C5). Celui-ci est appliqué à l’aide d’un rouleau structuré immédiatement après l’étape d’isolation. Cette modification de surface texturée et fonctionnelle empêche le collatif de couler et assure un flux contrôlé, ce qui permet d’obtenir un motif de fracture plus homogène et une résistance au collatif considérablement améliorée.
Même le meilleur acier électrique ainsi que le cuivre présent dans les bobines provoquent un réchauffement du rotor et du stator pendant le fonctionnement du moteur, chaleur qui doit être dissipée par des systèmes de refroidissement.
Un élément essentiel pour le refroidissement est l’optimisation de la technologie d’autocollement (Backlack). Le processus Backlack toptyte développé par voestalpine est un procédé dynamique optimisé grâce à une régulation ciblée de la température, du temps et de la pression, ce qui permet un collage complet de la surface tout en empêchant efficacement le Backlack d’être expulsé, ce qui améliore la stabilité du processus.
Le processus d’emboutissage à chaud du Backlack est particulièrement pertinent pour les applications de rotors dotés d’un refroidissement magnétique direct, où des largeurs de joint minimes sont requises.
Isolement
L’isolation des différentes parties du moteur est cruciale, des broches aux fils magnétiques.
Le film isolant pour fentes, tel qu’Ajedium de Sysenqo, est utilisé pour isoler les fentes du stator, remplaçant ainsi les laminés en papier et en polyimide traditionnels. Ce matériau à base de polyphénylsulfone présente une forte résistance thermique allant jusqu’à 180 °C et une transition vitreuse supérieure à 230 °C, ce qui permet d’utiliser un isolant plus fin, d’améliorer la conductivité thermique et d’augmenter la proportion de cuivre afin d’améliorer l’efficacité globale du moteur.
Pour l’isolation des fils magnétiques, un matériau à base de polyétheréthercétone, comme KetaSpire, est utilisé pour enrober ces fils, offrant des performances électriques, thermiques et mécaniques supérieures nécessaires aux moteurs haute tension (800 V+).
Des polymères à haute performance tels que Torlon PAI, Amodel PPA et Ryton PPS sont moulés dans les couvercles d’extrémité du stator, les pièces du rotor et les paliers de transmission afin de résister aux fluides agressifs et aux températures extrêmes.
La chaîne de traitement se caractérise par des étapes de fabrication dépendantes d’outils qui ne peuvent être adaptées à différentes caractéristiques de conception qu’avec beaucoup d’effort et à un coût élevé.
L’un des principaux facteurs de coût est l’étape de tordage dans la production de stator en forme de crochet pour les moteurs électriques. Celle-ci nécessite des outils spéciaux exigeant une grande précision, exactitude et résistance. L’investissement correspondant pour un ensemble d’outils se situe donc entre 100 000 € et 200 000 €, ce qui représente un obstacle considérable en termes de flexibilité, surtout dans le domaine des prototypes.
Les outils de production utilisés pour créer et tordre des broches de plus en plus complexes font face à d’importantes difficultés. Ces broches peuvent présenter des formes complexes et certaines sont même creuses, ce qui rend les outils nécessaires pour donner aux fils la forme adéquate pour le moteur particulièrement complexes.
Des systèmes tels que SpeedFormer de Wafios peuvent assister différentes étapes du cycle de production, en permettant d’utiliser différents stator sur une même ligne. Ces outils ont évolué, passant de systèmes de pliage de tuyaux dotés de 170 axes CNC capables de s’ajuster automatiquement, d’alimenter les fils sans nécessiter de changement d’outil pour trois types différents de fils, et ils peuvent changer les fils en 60 secondes tandis que les guides de fil se réglent automatiquement.
Le système de programmation graphique permet une correction automatique des caractéristiques géométriques de la broche, tandis que l’objectif de la prochaine génération d’outils est d’offrir une correction et un réglage entièrement automatisés dès la phase de conception.
« Le redressement du fil est également important. Comme chaque bobine de fil est différente, il faut redresser le fil sur la machine de flexion à chaque fois, et nous disposons d’outils basés sur l’IA qui simplifient ce processus grâce aux servomoteurs », déclare Martin Bauer, responsable de l’industrie de l’électromobilité chez Wafios. « Il peut falloir deux heures pour redresser le fil avec un opérateur expérimenté, et un tiers de la chaîne de production peut consister uniquement en flexion, puis en coupe et soudure. »
Afin de résoudre le problème des coûts, le projet commun variTwist mené par Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle et son partenaire industriel basé à Berlin, Röscher, a développé un système d’outils flexible pour tordre des conducteurs en cuivre plats. Ce système s’adapte aux différents types de moteurs utilisés dans la production de stator en forme de crochet, ce qui lui confère l’avantage d’une réduction significative des coûts d’outils ainsi que des délais de livraison, en particulier pour la production de prototypes et de petites séries.
« L’étape de tordage représente un facteur de coût particulièrement important dans la fabrication de stator en forme d’épingle pour les moteurs électriques », déclare le professeur Achim Kampker, directeur de PEM. « Surtout pendant la phase de prototype et de pré-série, les coûts des machines et outils dépassent de loin ceux du produit, ce qui constitue un obstacle majeur en termes de flexibilité. » La station de traitement développée par PEM dans le projet variTwist permet une mise en œuvre économique d’un processus de tordage flexible, avec des coûts d’outillage inférieurs à 1000 €.
Le stator ainsi fabriqué subit une impregnation par goutte-à-goutte ou sous pression vide à l’aide d’une résine de haute qualité afin d’éliminer les vides d’air, améliorant ainsi sa résistance diélectrique et sa conductivité thermique.
Dans le cas d’un moteur à aimants permanents pour usage intérieur, le noyau du rotor suit un processus de superposition des laminages similaire, mais il introduit une complexité mécanique et magnétique importante.
Toute l’assemblée du rotor est placée dans un appareil de post-magnétisation à haute énergie, où d’immenses impulsions électromagnétiques alignent de manière permanente les domaines magnétiques des inserts en Nd-Fe-B.
La pile de rotors est fixée sur l’arbre du rotor par rétraction thermique (en chauffant le noyau et en refroidissant l’arbre à l’aide d’azote liquide). Comme les moteurs de traction fonctionnent à des vitesses allant de 16 000 à 20 000 tr/min, l’assemblée est soumise à un équilibrage dynamique. Du matériau est soigneusement enlevé par fraisage ou des masses d’équilibrage sont ajoutées afin de réduire le déséquilibre résiduel au niveau de la norme ISO G1.0 (ISO 21940-11) ou mieux, ce qui permet de supprimer les harmoniques à haute fréquence et l’usure des paliers.
« Un autre élément essentiel est une bonne simulation permettant de gérer les tolérances de fabrication en ce qui concerne la durabilité et les performances NVH afin de concevoir le système. Pour les concepts à haute vitesse, 30 000 tr/min représente une valeur idéale. Les vitesses inférieures augmentent la consommation de matériaux, tandis que les vitesses supérieures exigent des paliers non conventionnels ainsi qu’un revêtement en carbone à l’extérieur du rotor, ce qui augmente le coût du produit », déclare Meister chez AVL.
« Les processus de production sont pour l’essentiel les mêmes », continue-t-il. « Une différence avec le concept à haute vitesse utilisant des aimants permanents est que ceux-ci sont insérés dans des tôles, les aimants étant assez mous ce qui peut provoquer un certain affaissement. Cela peut nécessiter de faire tourner le rotor à pleine vitesse pour que l’affaissement se produise, suivi d’une deuxième étape de mise en équilibre, ce qui constitue une étape de traitement supplémentaire. Tout dépend de la composition des aimants et du type de torsion utilisé. Nous avons publié le concept de ces systèmes à haute vitesse en 2019, et il a fallu six ans avant que ces systèmes ne soient commercialisés après optimisation. »
Le poids du moteur est devenu un problème majeur.
« Il y a seulement quelques années, nous voyions de nombreux véhicules grands et lourds sur le marché, et aujourd’hui nous savons que le poids du véhicule a un impact sur les coûts, l’empreinte environnementale de sa fabrication ainsi que sur le confort. Cela concerne moins l’efficacité, domaine où la capture d’énergie régénérative est utile, mais il y a des taxes croissantes liées à la masse du véhicule. »
Moteurs axiaux
Les machines à flux axial actuelles (AFM) dépendent presque exclusivement de magnétiques à terres rares. Afin d’éviter l’utilisation de ces ressources coûteuses et de plus en plus rares, la machine synchrone à réluctance à flux radial (RF-SynRM) est généralement considérée comme une alternative durable, fiable et capable de gérer des surcharges, bien qu’elle présente des compromis en termes d’espace d’installation et de densité de couple. Le projet NAFTech de l’Université d’Aix-la-Chapelle en Allemagne travaille sur une machine synchrone à réluctance à flux axial (AF-SynRM) qui combine les avantages des AFM et des RF-SynRM.
« Les machines à flux axial se caractérisent actuellement par des volumes de production relativement faibles, des processus de fabrication qui ne sont pas encore pleinement développés, ainsi que des exigences particulières en matière de tolérances et de méthodes de conception », déclare le professeur Kampker.
Le fabricant britannique de moteurs axiaux YASA, qui fait partie de Mercedes-Benz depuis 2021, a regroupé l’ensemble de sa production sous un même toit en Oxfordshire, au Royaume-Uni. Cela crée un écosystème de production fluide, doté d’une plus grande automatisation pour les processus de fabrication complexes.
Ces lignes comprennent quatre nouvelles cellules de fabrication de bobines et de barres, conçues de manière unique, équipées de procédés avancés d’enroulement CNC des bobines, d’assemblage et d’imprégnation, de nouvelles machines à décapage et soudure au brasage par laser, une plus grande précision dans l’équilibrage des rotors, de nouveaux fours à haute capacité, une soudure au laser du stator ainsi qu’un contrôle qualité complet du stator couvrant les tests dimensionnels, électriques et de fuites.
Ces améliorations renforcent la capacité de YASA à fabriquer des ensembles moteurs complets tout en améliorant la reproductibilité et la fiabilité, et apportent plus de flexibilité en éliminant les goulots d’étranglement dans la chaîne d’approvisionnement des composants.
Réfrigération
Les éléments permettant de refroidir les moteurs afin d’assurer un environnement thermique stable représentent un défi majeur pour le processus de production. Les pertes de chaleur pendant le fonctionnement font augmenter la température à l’intérieur du moteur électrique, ce qui diminue les performances de la machine en raison des propriétés des matériaux dépendantes de la température. De plus, la puissance de sortie est souvent réduite délibérément pendant une certaine période pour protéger les composants.
« Nous utilisons un refroidissement à l’huile direct. Une méthode consiste à utiliser un tube en fibre de carbone dans l’écart d’air, ce qui permet de sceller le stator tout en permettant à l’huile de circuler dans les fentes des enroulements. Ce tube doit être très fin, sinon l’écart d’air augmente », explique Meister chez AVL.
« Un nouveau brevet pour lequel nous avons déposé une demande élimine le tube en fibre de carbone et permet de fermer directement les fentes du stator, de sorte que l’écart d’air reste inchangé. Il s’agit d’une étape supplémentaire dans le processus de fabrication, mais cela augmente la puissance permanente. Le rapport entre la puissance permanente et la puissance maximale augmente considérablement, passant de 3:1 [33 %] ou 2:1 [50 %] à plus de 70 %. »
« Par exemple, dans un camion lourd, si l’on veut maintenir une vitesse constante en montée, il faut 70 à 80 % de la puissance maximale. Avec un rapport de 2:1, il faut une machine très volumineuse. Grâce à ce nouveau moteur électrique, on peut réduire considérablement ses dimensions et récupérer ainsi l’investissement lié à l’ajout de composants supplémentaires », continue-t-il.
Hyperdrives en Allemagne collabore avec l’université RWTH Aachen sur un projet de deux ans visant à développer des procédés pour fabriquer des conducteurs creux dans les moteurs afin d’améliorer leur refroidissement.
« La conception thermique des moteurs électriques – en particulier si l’on veut conserver leur compacité et leurs performances – constitue l’un des défis actuels dans la production de la mobilité électrique », déclare le professeur Kampker. « Qualification liée à la production de la chaîne de traitement du stator en forme de crochet pour le traitement des conducteurs creux rectangulaires utilisés dans les systèmes de traction. »
Les conducteurs creux permettent un refroidissement direct du moteur, alors que des méthodes de refroidissement indirect étaient utilisées jusqu’à présent. La section transversale extérieure et la cavité peuvent présenter différentes formes, telles que rectangulaires, circulaires ou d’autres types. Dans le cas d’un refroidissement direct à l’aide de conducteurs creux, un fluide de refroidissement circule à travers ces derniers et dissipe ainsi la chaleur générée dans la partie active des enroulements. « Par conséquent, les conducteurs creux offrent un potentiel considérable pour améliorer l’efficacité et les performances des machines à entraînement électrique », déclare Till Backes, chef de projet chez PEM.
Essais en fin de ligne
Pour les essais en fin de ligne, on compare les caractéristiques d’une machine connue pour être fonctionnelle à celles de la machine produite. Cela couvre le comportement global en termes de NVH ainsi que les forces agissant sur le moteur.
« Nous disposons de capteurs spécialisés basés sur la technologie piézoélectrique : nous fixons le capteur sur le support de la plaque de base, le moteur est relié au capteur, et nous mesurons dynamiquement les forces de réaction ainsi que le couple du moteur lors d’une accélération sur 30 secondes », déclare Alban Hemery, responsable du département des systèmes de test pour moteurs électriques. « Il faut 1 à 2 minutes pour installer le stator et lancer le test. Auparavant, les machines étaient entièrement connectées à une charge, ce qui rendait le temps de test d’environ cinq minutes. »
« L’autre élément concerne le logiciel et la commande. On observe une grande flexibilité, mais les fréquences de commutation des onduleurs augmentent, ce qui peut compromettre le niveau de bruit et les vibrations, l’efficacité ainsi que l’intégration dans le véhicule. Le niveau de bruit et les vibrations deviennent un problème lorsque l’on augmente la vitesse. Avec des architectures centralisées, le contrôle sur les onduleurs est limité et la commande est transférée au système informatique centralisé. »