Amélioration du moteur à film mince
D’après Nick Flaherty, une nouvelle génération de thermoplastiques remplace les papiers en aramide et les revêtements émaillés dans les moteurs.
Ces thermoplastiques avancés, désormais utilisés avec l’équipement de production existant dans une nouvelle génération de moteurs, permettent de réduire le poids et d’améliorer l’efficacité grâce à une meilleure gestion thermique.
« Parmi les solutions que nous avons mises sur le marché figurent des thermoplastiques – des polymères PEEK [polyéther éther kéton] et PPSU [polyphénylsulfone] – qui peuvent être employés sous forme de film pour les stator et comme revêtements de différents grades afin de remplacer les émaux », a déclaré Luigi Marino, responsable marketing mondial pour les moteurs électriques chez le fabricant de matériaux Syensqo.
« Nos matériaux permettent au concepteur de moteur d’utiliser un isolant plus fin. Les papiers en aramide ont une épaisseur de 200 à 250 μm, tandis que les nôtres sont de 100 à 150 μm. En tant que revêtement pour les fils, nous pouvons réduire l’épaisseur de 20 % tout en conservant les propriétés isolantes. Cela ouvre de nouvelles possibilités de conception. Plus le matériau est fin, mieux c’est pour les concepteurs, car cela élimine une barrière thermique au refroidissement. Ainsi, plus il est fin, mieux c’est pour le refroidissement, ce qui augmente l’efficacité. Même une économie de quelques micromètres permet d’intégrer plus de cuivre dans le stator. »
Des études montrent que l’efficacité peut augmenter de 1 à 2 points de pourcentage, réduisant le poids et le coût des moteurs de 8 à 10 % tout en conservant les mêmes performances. Cela est possible grâce à l’utilisation de moins de couches laminées et de magnets plus petits.
« Une partie de l’amélioration de l’efficacité provient de l’isolation thermique assurée par le revêtement des fentes. Nous doublons la conductivité thermique et, selon les simulations, l’avantage le plus important provient de la réduction de l’épaisseur. »
« Ce qui permet une épaisseur plus faible, c’est la combinaison des propriétés mécaniques et électriques. Notre service de R&D s’efforce de garantir que les propriétés mécaniques soient adaptées à ces épaisseurs réduites, c’est pourquoi nous n’utilisons pas du PEEK standard. Nous avons développé des grades spécifiques pour les revêtements de fentes et les revêtements de fils, dotés de spécifications particulières visant à équilibrer l’allongement et l’isolation », a-t-il déclaré.
« Un autre aspect important est que nos revêtements pour emplacements peuvent être traités avec du matériel existant. Nous avons mené une étude avec une entreprise qui fabrique du matériel de production, et c’est exactement le même équipement qui a été utilisé avec succès. Ce qu’il fallait, c’était simplement ajuster les paramètres de la machine », a-t-il déclaré.
L’objectif est de maintenir la vitesse de production tout en minimisant les déchets, et d’obtenir des taux de production similaires, voire meilleurs. « Je n’ai jamais vu de moteur électrique où du papier en aramide fonctionne tandis que nos films ne fonctionnent pas, en principe », a-t-il ajouté.
Le processus de production du thermoplastique utilisé pour le revêtement des fils dans les moteurs diffère considérablement de celui utilisé pour la fabrication d’isolants.
« Pour la revêtement des fils, nous vendons des granulés aux fabricants de fils magnétiques, qui à leur tour vendent ces fils revêtus aux constructeurs automobiles », a-t-il déclaré. « En interne, nous disposons de deux lignes d’extrusion pour la recherche et le développement, l’une d’elles étant identique à celles utilisées par les fabricants de fils magnétiques. »
« Lorsque des thermoplastiques sont appliqués par extrusion, aucun solvant n’est nécessaire, ce qui rend le processus plus durable et plus économe en énergie. L’équipement est différent et bien plus simple par rapport à celui utilisé pour l’émaillage, et il existe plusieurs fournisseurs, dont certaines entreprises traditionnelles d’émaillage qui se tournent vers l’extrusion. »
« Le principal obstacle à leur adoption est le fait que les concepteurs doivent les prendre en compte dès le début du processus de conception afin d’en tirer tout le bénéfice, mais nous avons constaté plusieurs cas où il était simple d’intégrer ces solutions dans des conceptions existantes. »
« Ce que nous avons constaté, c’est qu’une épaisseur de 50 μm peut suffire pour l’isolation dans certains designs, mais en dessous de 100 μm, il devient plus difficile de fabriquer le stator. Alors que les matériaux de 100 μm peuvent être traités pratiquement partout, en dessous de ce seuil, les limites sont déterminées par la conception du moteur électrique, l’équipement de production et le rythme de fabrication, ainsi que par le volume à atteindre. Dans plusieurs cas, il serait possible d’atteindre 50 μm, mais cela n’a pas encore été prouvé. Il s’agit plutôt d’un domaine exploratoire pour chaque conception. Pour nous, il n’y a aucun problème à produire des films d’une épaisseur de 50 μm ou moins, car nous utilisons des épaisseurs bien inférieures pour d’autres applications. »
Luigi Marino a commencé sa carrière en tant qu’ingénieur en conception de moteurs électriques chez Magneti Marelli. Au cours de la dernière décennie, il a occupé divers postes dans toute la chaîne de valeur des moteurs électriques, allant des constructeurs automobiles jusqu’aux fournisseurs de matériaux. En 2022, Luigi a rejoint Solvay en tant que responsable mondial de l’équipe de développement d’applications pour moteurs électriques, où il a dirigé la stratégie technologique mondiale ainsi que les efforts de développement d’applications au sein de Syensqo. Dans ce rôle, il a géré une équipe d’ingénieurs chargés de stimuler l’innovation en matière de nouveaux matériaux, de gérer le portefeuille de brevets, et de développer des capacités avancées en matière d’essais et de prototypage afin de soutenir les opportunités de développement et commerciales dans les secteurs des transports, de l’aéronautique et de l’énergie.