DESCRIPTION

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine des moteurs électriques et concerne plus particulièrement le domaine des rotors de moteurs électriques pour applications aéronautiques.

ETAT DE LA TECHNIQUE

D’une manière connue, dans l’objectif de réduire la masse globale d’un moteur d’hélicoptère ou plus généralement d’une chaîne de propulsion pour hélicoptère, les voies privilégiées sont de diminuer la masse des moteurs électriques de génération et/ou de démarrage ou encore de propulsion électrique si nous sommes dans le domaine des « VTOL » (Vertical Take Off and Landing, ce qui signifie décollage et atterrissage vertical)» ou « STOL » (Short Take Off and Landing, ce qui signifie décollage et atterrissage court). En effet la masse de ces systèmes peut atteindre plusieurs dizaines de kilogrammes pour des puissances pouvant aller au-delà de la centaine de kilowatts. Les limitations actuelles sur les machines électriques dépassant difficilement un ratio puissance/masse de 3,5 kW/kg.

La première limitation des performances est essentiellement due au circuit électromagnétique lui-même qui est régi par la qualité des matériaux ferromagnétiques utilisés ou encore de la qualité des aimants (induction rémanente Br) lorsque ces machines en comportent.

Les voies d’investigation actuelles sont portées essentiellement sur l’amélioration des performances électromagnétiques des machines électriques. Il est en particulier connu d’essayer d’optimiser le matériau constituant le circuit magnétique, en utilisant les meilleurs grades de fer-cobalt ou encore de fer-silicium. Une autre voie d’amélioration connue est de minimiser les pertes au niveau du rotor et stator de la machine en affinant les tôles composants le stator et ou rotor réduisant ainsi les pertes par courant de Foucault.

Pour également améliorer la densité de couple de la machine électrique, il est connu d’adjoindre des aimants permanents au rotor et/ou au stator dont l’induction magnétique rémanente pouvant s’additionner au champ magnétique créé par le bobinage qui est généralement placé au stator de la machine électrique.

La deuxième limitation est la limitation mécanique en vitesse de rotation des machines. Cette limitation en vitesse dépend de la nature de la machine électrique. On distingue trois grandes familles de machines électriques (i.e. moteurs électriques) : les machines à courant continu, les machines synchrones et les machines asynchrones.

En effet comme le montre le graphique de la figure 1 qui représente la puissance maximale des machines électriques en fonction de la vitesse de rotation, les puissances maximales disponibles en sortie de la machine sont inversement proportionnel au cube de la vitesse. Une fois la vitesse fixée par les limitations amenées par l’environnement où sera intégré la machine, le choix de la nature de la machine devient alors primordial pour obtenir un optimum sur le ratio poids puissance.

Aujourd’hui le besoin visé en matière de puissance électrique pour une intégration dans un hélicoptère est dans une gamme assez large allant d’environ de 50 kilowatts jusqu’à plusieurs centaines de kilowatts par machine. Ainsi, en référence au graphique de la figure 1 , les machines identifiées (d) et (e) sont particulièrement intéressantes du fait que ces machines sont intégrées sur des boites d’accessoires mécaniques qui ont des régimes très élevés de plusieurs milliers de tours par minute.

Sur la figure 1 , les machines (d) sont des machines synchrones à aimants permanents montés sur le rotor et les machines (e) sont des machines asynchrones d’induction à rotor massif.

Enfin, une troisième limitation est identifiée. Celle-ci est intrinsèque au milieu embarqué et plus précisément au domaine aéronautique. Cette troisième limitation concerne l’intégrité de l’équipement ainsi que de son environnement en cas de défaut interne de la machine électrique.

Ainsi, il est nécessaire que, pour des vitesses de rotation allant de 10000 tr/min à plus de 100 000 tr/min, la machine puisse contenir des débris haute énergie provenant de parties en rotation du rotor de la machine (i.e. la machine doit continuer de fonctionner malgré la casse et la présence en son sein de pièces du rotor). De plus, dans de nombreux autres cas de défaillance, il est nécessaire que la machine électrique continue de fonctionner.

Dans une application aéronautique c'est-à-dire dans le cadre d’un système embarqué exigeant de fortes contraintes en termes de compacité, masse et fiabilité, différentes technologies de machines électriques sont utilisées on peut citer les plus connues :

- Machine à courant continu : les machines à courant continu sont les machines les plus utilisées dans le milieu aéronautique. Leur principal avantage est de fonctionner sur des réseaux à courant continu sans utilisation obligatoire d’électronique de puissance. Leur principal inconvénient est de comporter des balais énergisant le rotor ce qui provoque une usure prématurée de ces derniers et impose des limitations en termes de vitesse de rotation (vitesse max < 20 000 tr/min).

- Machine synchrone à rotor bobiné : les machines synchrones à rotor bobiné sont des machines qui ont le principal avantage d’être très facilement pilotables en couple et en vitesse. En effet, il est possible de gérer le flux de la machine très facilement en injectant un courant continu dans l’inducteur de la machine (partie rotorique) à l’aide de bagues conductrices liant le stator et le rotor. Ces machines ont un inconvénient similaire aux machines à courant continu qui est une vitesse maximum du rotor par rapport au stator d’environ 25 000 tr/min. Cette limitation en vitesse est due à la présence des bagues conductrices frottant sur le rotor.

- Machine synchrone dite 3 étages : ces machines sont très largement utilisées dans le milieu aéronautique comme génératrice de courant car elles ont l’avantages d’être facilement pilotable et auto-excitable sans balais ou bague grâce à la mise en rotation d’aimants devant le bobinage rotorique de la machine, le courant alternatif ainsi créé est ensuite redressé par des diodes tournantes allant jusqu’au bobinage inducteur de la machine. Les inconvénients de ces machines sont leurs masses relativement importantes du fait qu’elles comportent plusieurs étages de conversion et également une limitation de la vitesse de rotation (<25 000 tr/min) qui vient à défiabiliser les diodes en rotation lorsque la vitesse devient trop importante.

- Machine synchrone à aimants permanents : les machines à aimants permanents sont l’une des catégories de machines les plus performantes en termes de densité de couple, c’est d’ailleurs pour leurs excellentes performances que ces machines émergent dans les systèmes électriques aéronautiques. Leur avantage qui est aussi leur principal défaut est que ces machines comportent des aimants au rotor, ce qui a comme principal avantage que ces machines ne comportent pas de balais et s’auto-excitent du fait de la rotation des aimants. Ainsi, lors d’un défaut interne tel qu’un court-circuit sur les bobinages statoriques, le court-circuit est auto-entretenu du fait de la rotation des aimants qui génère ce court-circuit. Il faut donc nécessairement pouvoir arrêter la rotation du rotor pour ne pas que le défaut se propage. Un autre inconvénient de cette machine est que, lorsque des vitesses de rotation très élevées (au-delà de 30 000 tr/min) doivent être atteintes, la machine doit comporter des aimants en surface d’une épaisseur devenant non négligeable par rapport à l’entrefer magnétique ce qui génère une augmentation des pertes magnétiques importantes.

- Machine synchrone à reluctance variable : la machine synchrone à reluctance est une machine avec de fortes performances électromagnétiques, un autre avantage est que le rotor est de nature passif magnétiquement, donc en cas de problème sur les bobinages statoriques, la machine est désexcitée en désalimentant le stator. Le principal inconvénient de cette machine pour une utilisation dans un milieu aéronautique est que cette machine impose un entrefer très petit (<0.5 mm) d’où une complexité accrue pour l’intégration de cette machine dans un environnement vibratoire assez sévère.

- Machine asynchrone à cage d’écureuil : la machine asynchrone à cage d’écureuil est une machine avec des performances électromagnétiques inférieures par rapport aux machine synchrones du fait que l’induction des courants rotoriques générés par les courants statoriques ont tendance à échauffer le rotor. La notion de glissement est aussi à considérer dans cette machine. Le glissement est la différence entre la pulsation des courants créés dans le rotor et la pulsation des courants statoriques. Ce glissement est une notion fondamentale car plus le glissement est important (et tend vers 1 ) plus la machine fournit du couple. La problématique fondamentale de ce principe est que l’effet joule créé dans la partie rotorique de la machine est directement proportionnel au glissement. Ces machines ont des limitations thermiques importantes d’une part, du fait que les barreaux dans lesquels circulent les courants rotoriques induits sont des conducteurs électriques de conductivité électrique modérée du fait que ces barreaux doivent aussi résister aux efforts mécaniques (efforts centrifuges) donc avoir également des propriétés mécaniques assez élevées ; et d’autres part, du fait que le matériau magnétique (circuit magnétique rotorique) composant également le rotor est un matériau ayant des caractéristiques magnétiques intéressantes mais également une comptabilité avec le matériau des barreaux conducteurs. La performance électromagnétique, étant une fonction de la résistance mécanique et de la performance thermique de l’ensemble rotorique s’en retrouve généralement dégradée.

Pour résoudre ce problème de limitation des performances électromagnétiques, des nouvelles topologies de machines asynchrones sont récemment apparues depuis une dizaine d’année appelées machine asynchrone à rotor massif. La notion de rotor massif vient du fait que le rotor, pouvant être multi matériaux est d’une compacité très importante et résistante à des efforts mécaniques beaucoup plus importants que les machines asynchrones à cage d’écureuil.

Dans ce contexte, la présente invention a pour objectif de proposer une nouvelle topologie de rotor de machine asynchrone présentant de meilleures performances à haute vitesse (i.e. des vitesses supérieures à 30 000 tr/min).

EXPOSE DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l’invention concerne un rotor de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre réalisé dans un premier matériau et un ensemble conducteur réalisé dans un deuxième matériau différent du premier matériau, dans lequel l’arbre présente une portion d’épaulement présentant au moins une encoche longitudinale et, l’ensemble conducteur est une structure monobloc comprenant au moins une barre conductrice destinée à être positionnée dans l’au moins une encoche et comprenant une peau destinée à être fixée sur la portion d’épaulement.

Àu niveau de la portion d’épaulement, le rotor peut présenter une couche d’interpénétration du premier matériau et du deuxième matériau, la couche d’interpénétration comprenant un alliage du premier matériau et du deuxième matériau.

L’ensemble conducteur peut comprendre deux anneaux, un premier anneau étant fixé au rotor à une première région d’extrémité de la portion d’épaulement et un deuxième anneau étant fixé au rotor à une deuxième région d’extrémité de la portion d’épaulement.

Le rotor peut comprendre une pluralité d’encoches tangentiellement réparties et/ou radialement superposées dans l’épaulement.

La pluralité d’encoches peut comprendre deux encoches contiguës radialement superposées dans l’épaulement, une ouverture reliant lesdites deux encoches contiguës.

Le premier matériau peut contenir au moins du fer et du carbone.

Le deuxième matériau peut contenir au moins l’un des métaux choisis parmi du cuivre, de l’aluminium ou de l’argent.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un rotor selon le premier aspect comprenant au moins une des étapes de :

- insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur dans une enveloppe tubulaire de protection ;

- chauffage et mise en pression de l’ensemble contenant l’enveloppe, l’élément destiné à former l’ensemble conducteur et l’arbre, jusqu’à une température de formation de l’ensemble conducteur et de soudure par diffusion de l’ensemble conducteur et de l’arbre pour obtenir un ensemble comprenant l’enveloppe et le rotor ;

- traitement thermique de refroidissement de l’ensemble ;

- revenu de l’ensemble ;

- séparation de l’enveloppe et du rotor. L’étape d’insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur dans une enveloppe tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former l’ensemble conducteur.

L’étape de chauffage et mise en pression de l’ensemble peut être réalisée dans une enceinte dédiée et dans une ambiance neutre.

L’étape de traitement thermique peut comprendre une trempe choisie parmi une trempe au gaz en convection naturelle ou forcée, une trempe à l’eau ou une trempe à l’huile.

Le premier matériau peut contenir au moins du fer et du carbone, et l’étape de traitement thermique peut être réalisée jusqu’à ce que le premier matériau devienne martensitique.

Le procédé peut comprendre une étape préalable d’usinage de l’arbre.

L’étape d’usinage de l’arbre peut comprendre au moins une phase d’usinage d’au moins une encoche.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est un graphique représentant la puissance maximale de différentes machines électriques en fonction de la vitesse de rotation.

La figure 2 est une représentation schématique, en perspective, d’un rotor selon l’invention.

La figure 3 est une représentation schématique, en perspective, et en coupe partielle d’un rotor selon l’invention.

La figure 4 est une représentation schématique, en perspective, d’un arbre selon l’invention.

La figure 5 est une représentation schématique, de face, d’un arbre selon l’invention.

La figure 6 est une représentation schématique de deux encoches contiguës radialement superposées.

La figure 7 est une représentation schématique du positionnement d’un arbre dans une enveloppe selon l’invention.

La figure 8 est une vue en coupe de la représentation de la figure 7. La figure 9 est une représentation d’une enveloppe contenant un arbre et une poudre permettant de former un ensemble conducteur.

La figure 10 est une représentation d’un arbre et un ensemble conducteur extraits de l’enveloppe.

La figure 11 est une représentation d’un rotor obtenu par un procédé selon l’invention.

La figure 12 est une représentation d’un diagramme de changement de microstructure d’un acier, dans un intervalle de temps, en fonction de la température.

La figure 13 est une représentation comparative de l’hystérésis magnétique de deux échantillons d’un matériau ayant reçus deux trempes différentes.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Rotor

Selon un premier aspect, l’invention propose un rotor 1 de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre 2 réalisé dans un premier matériau et un ensemble conducteur 4 réalisé dans un deuxième matériau différent du premier matériau.

Il est précisé que dans le présent document, par conducteur, il est entendu un élément électriquement conducteur, c’est-à-dire apte à permettre une circulation d’électricité en son sein.

Arbre

L’arbre 2 est une pièce de révolution monobloc.

Dans le présent document on définit un repère orthogonal lié à l’arbre 2. Dans ce repère orthogonal, la direction longitudinale correspond à l’axe de révolution de l’arbre 2. La direction radiale est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale, s’étendant de la direction longitudinale vers une surface cylindrique extérieure de l’arbre 2. La direction tangentielle est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction radiale. La direction tangentielle est tangente à une surface cylindrique extérieure de l’arbre 2.

L’arbre 2 présente notamment une portion d’épaulement 6. Il est précisé que par portion d’épaulement, il est entendu une portion comprise entre deux couronnes circulaires normales à l’axe de révolution de l’arbre 2 et résultant d’une variation brusque de diamètre. La portion d’épaulement 6 présente deux régions d’extrémités 8 (i.e. chacune étant une couronne circulaire). Chaque région d’extrémité 8 de la portion d’épaulement 6 présente une gorge destinée à accueillir un anneau 12.

En sus, comme représenté notamment sur les figures 4 et 5, la portion d’épaulement 6 comprend une pluralité d’encoches 25 longitudinales. Chaque encoche 25 se présente sous la forme d’une rainure (ou d’une saignée) dans l’épaulement 6. En d’autres termes, les encoches 25 sont des sculptures en creux dans la surface de l’épaulement 6. Chaque encoche 25 présente une ouverture débouchant dans la surface de l’épaulement 6.

Selon une disposition particulière, schématisée sur la figure 6, plusieurs encoches 25 peuvent être radialement superposées dans l’épaulement 6. Par radialement superposée, il est entendu que - par exemple - deux encoches 25 peuvent se succéder selon une même direction radiale. Selon cette disposition qui peut être appelée « double encoche », deux encoches 25 contiguës radialement superposées, présentent une ouverture 30 reliant lesdites deux encoches contiguës. En d’autres termes, deux encoches 25 radialement superposées et contiguës, communiquent par le biais d’une ouverture 30 les reliant.

Lorsque les encoches 25 sont comblées par des barres conductrices de l’ensemble conducteur 4, l’architecture dite à double encoche 25 (i.e. deux encoches 25 radialement superposées) permet d’optimiser le profil du couple que peut délivrer un moteur électrique comprenant un rotor 1 .

Tel que cela est représenté sur les figures 4 à 8, les encoches 25 peuvent être tangentiellement réparties dans l’épaulement 6. D’une manière encore plus préférentielle, les encoches 25 sont équi réparties.

En sus, selon une disposition non représentée sur les figures, l’arbre 2 peut présenter un alésage longitudinal. L’alésage peut comprendre une portion cannelée.

Typiquement l’arbre 2 est réalisé dans un matériau magnétique comprenant un alliage de fer et de carbone.

Préférentiellement, l’alliage de l’arbre 2 est un acier comprenant principalement du fer et du carbone. D’une manière particulièrement préférentielle, l’alliage est un acier martensitique comprenant plus de 1% de carbone. Cette structure de l’acier permet à l’arbre 2 de canaliser les lignes de champ magnétique provenant des bobinages au stator (lorsque le rotor est en fonctionnement dans un moteur électrique) pour que l’élément conducteur 4 reçoive le plus de champ magnétique possible. Par exemple, l’alliage de l’arbre peut être choisi parmi 17-4PH, ÀISI 416 (EN-1 -4005), ÀISI 431 (EN-1 -4057), ÀISI 1020 (XC18), ÀISI 1045 (XC48).

Il est précisé que cet alliage peut comprendre d’autre composants en plus du fer et du carbone, de sorte par exemple à rendre l’acier inoxydable (exemple : Chrome Cr, Nickel Ni...).

La géométrie de l’arbre 2 peut par exemple être obtenue par tournage et la structure martensitique est obtenue par traitement thermique.

Ensemble conducteur

L’ensemble conducteur 4 est une structure monobloc - préférentiellement en cuivre - positionnée sur la région d’épaulement 6.

Tel que représenté sur les figures, l’ensemble conducteur 4 comprend une pluralité de barres conductrices 28 et une peau 29.

La peau 29 recouvre l’épaulement 6. Chaque barre conductrice 28 est positionnée dans une encoche 25. Il est remarquable que les barres conductrices 28 présentent une géométrie complémentaire des encoches 25. En d’autres termes, chaque barre conductrice 28 comble la totalité (ou la quasi-totalité) d’une encoche 25.

D’une manière préférentielle, toutes les encoches 25 sont comblées par une barre conductrice 28 et l’ensemble de l’épaulement 6 et des barres conductrices 28 sont entièrement recouverts par la peau 29.

La peau 29 peut avantageusement avoir une épaisseur de l’ordre de 1 à 5 millimètres.

En outre, l’ensemble conducteur 4 peut comprendre deux anneaux 12 qui sont chacun destinés à être positionnés dans une gorge d’une région d’extrémité 8.

D’une manière préférentielle, chaque anneau 12 est monobloc avec l’ensemble conducteur 4. En d’autres termes, d’une manière préférentielle, chaque anneau 12 est réalisé d’un seul tenant avec l’ensemble conducteur 4. Ainsi les anneaux 12 sont assimilables à des portions de peau 29 plus épaisses. Les anneaux 12 ont une fonction de court-circuit et servent à reboucler les courants induits au rotor.

Comme indiqué précédemment, d’une manière préférentielle, l’ensemble conducteur 4 est réalisé en cuivre. Le cuivre est choisi pour son excellente conductivité. Selon un autre mode de réalisation, l’ensemble conducteur 4 pourrait par exemple être réalisé en argent ou en aluminium. Il est précisé que le matériau tel que le cuivre ou l’argent, constituant l’ensemble conducteur 4 n’est pas nécessairement un matériau pur et peut-être un alliage à base de cuivre, à base d’aluminium ou à base d’argent. Par exemple l’alliage de cuivre peut comprendre des éléments d’addition tels que le chrome et le zirconium ou le cobalt ou bien encore le Béryllium.

Soudage par diffusion et couche d’interpénétration

Selon une disposition particulièrement avantageuse de l’invention, l’ensemble conducteur 4 est soudé à la portion d’épaulements 6 et aux régions d’extrémités 8 de l’arbre 2. Plus précisément, chaque barre conductrice 28 est soudée dans une encoche 25 et la peau 29 est soudée sur la portion d’épaulement 6, les anneaux 12 sont quant à eux soudés aux régions d’extrémités 8.

Cette soudure est réalisée de sorte que le rotor 1 présente une couche d’interpénétration due à l’existence d’une diffusion de matière entre l’ensemble conducteur 4 et l’arbre 2, au niveau de la portion d’épaulements 6 et 8 et des encoches 25.

En d’autres termes, au niveau de la portion d’épaulements 6 et 8 et des encoches 25, le rotor présente une couche d’interpénétration du matériau de l’arbre 2 et du matériau de l’ensemble conducteur 4.

Par interpénétration, il est entendu une couche d’alliage du matériau de l’arbre 2 (premier matériau) et du matériau de l’ensemble conducteur 4 (deuxième matériau).

Il est précisé que d’une manière particulièrement avantageuse, cette interpénétration est réalisée sans apport d’un troisième matériau. En d’autres termes, la soudure de l’ensemble conducteur 4 et de l’arbre 2 comprend uniquement l’ensemble conducteur 4 et l’arbre 2 et n’implique pas de matériau supplémentaire.

D’une manière avantageuse, et tel que cela sera décrit ci-après, la couche d’interpénétration est le résultat d’une soudure par diffusion de l’ensemble conducteur 4 et de l’arbre 2. Cette disposition permet très avantageusement d’avoir une excellente résistance mécanique sur toute la surface de la portion d’épaulement 6, des régions d’extrémités8, et des encoches 25, ce qui permet au rotor 1 de résister à des vitesses de rotation supérieures à 50 000 tr/min dans la présente configuration.

Procédé de fabrication

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un rotor 1 tel que décrit précédemment. En référence à la figure 8 le procédé comprend les étapes de :

- insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection ;

- chauffage et mise en pression de l’ensemble 32 contenant l’enveloppe 30, l’élément destiné à former l’ensemble conducteur 4 et l’arbre 2, jusqu’à une température de formation de soudure par diffusion de l’ensemble conducteur 4 et de l’arbre 2 pour obtenir un ensemble 32 comprenant l’enveloppe 30 et le rotor 1 ;

- traitement thermique de refroidissement de l’ensemble 32 ;

- revenu de l’ensemble 32 ; et

- séparation de l’enveloppe 30 et du rotor 1 .

Il est précisé que le soudage par diffusion est une technique permettant l'assemblage d'éléments en phase solide, c'est-à-dire sans fusion grâce à l'application simultanée d'une température et d'une pression élevée.

D’une manière préférentielle, l’étape d’insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former l’ensemble conducteur 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former l’ensemble conducteur 4. Cette poudre métallique possède une granulométrie équivalente à celle requise pour un procédé de frittage, par exemple d’une dizaine à quelques dizaines de pm de diamètre moyen, et une distribution également maîtrisée.

Selon ce mode de réalisation, la poudre s’agglomère et fusionne, assimilable au procédé de frittage, dans l’enveloppe 30 pour former l’ensemble conducteur 4.

Selon une disposition particulière, le procédé peut comprendre une étape préalable d’usinage de l’arbre 2. Plus précisément, cette étape préalable peut comprendre au moins une phase d’usinage des encoches 25.

Avantageusement la phase de soudage par diffusion peut s’effectuer dans une enceinte selon une méthode de compression isostatique à chaud (CIC).

Il est précisé que le soudage par diffusion est une technique permettant l'assemblage d'éléments en phase solide, c'est-à-dire sans fusion grâce à l'application simultanée d'une température et d'une pression élevée.

Typiquement, une méthode de compression isostatique à chaud (CIC) peut comprendre une étape de dégraissage et de décapage des surfaces des éléments à assembler, une étape de mise en contact direct des surfaces dégraissées et décapées des éléments à assembler, et une étape d'assemblage par soudage diffusion des surfaces des éléments en contact. L'étape de dégraissage et de décapage des surfaces des éléments à assembler peut consister en des traitements classiques de dégraissage et de décapage de surfaces métalliques.

Le but de cette étape est d'obtenir des surfaces propres, dégraissées et exemptes d'oxydation. Le dégraissage de ces surfaces peut par exemple être effectué au moyen d'un solvant ou d'un détergent classique pour dégraisser des métaux. Le décapage peut être un décapage chimique ou mécanique, il peut par exemple être réalisé au moyen d'une solution acide ou basique, ou par rectification ou polissage. D’une manière connue, la technique de décapage peut être un décapage chimique suivi d'un rinçage à l'eau durant lequel la surface des matériaux est frottée à l'aide d'un tampon abrasif à base, par exemple de fibres d'alumine. Ce traitement peut être répété plusieurs fois, le dernier rinçage pouvant être réalisé avec de l'eau déminéralisée.

Cette liste n'est pas limitative, le choix de toute technique permettant d'éliminer des traces de pollution et d'oxydation sur les surfaces des éléments à assembler étant possible.

Pour la surface de l'élément en acier inoxydable martensitique à assembler, le solvant de dégraissage peut être un solvant organique, par exemple du type cétone, éther, alcool, alcane, ou alcène chloré tel que le trichloroéthylène, ou un mélange de ceux-ci, etc.

Un solvant préféré est un mélange en proportions égales d'alcool éthylique, d'éther et d'acétone. Un autre solvant préféré est le trichloroéthylène. Le décapage chimique peut être réalisé avec une solution acide, par exemple un bain d'acide fluorhydrique à 10% ou un mélange comprenant de 1 à 5% d'acide fluorhydrique avec 30 à 40% d'acide nitrique. La durée de décapage peut être par exemple de 10 secondes à 5 minutes, par exemple de 20 à 30 secondes, à une température de 15°C, par exemple de 20°C. Les surfaces décapées peuvent ensuite être rincées dans un ou plusieurs bains successifs par exemple d'eau déminéralisée.

D’une manière connue, l'étape suivante est une étape de mise en contact direct des surfaces dégraissées et décapées des éléments. Cette mise en contact correspond à une mise en place ou un positionnement des éléments à assembler surface contre surface, selon un empilement désiré. De préférence, cette mise en contact est faite dans un délai inférieur à une heure suivant l'étape de dégraissage et de décapage des surfaces à assembler, de manière à limiter les risques d'oxydation, sauf dans le cas où des précautions particulières ont été prises pour stocker les éléments dégraissés et décapés, ces précautions pouvant consister par exemple à maintenir les éléments dans une atmosphère propre et non oxydante telle que l'azote au moyen d'un ensachage dans des sacs étanches. Cette mise en contact est dite "directe", car elle se fait selon la présente invention sans disposer sur les surfaces à assembler une couche intermédiaire d'un alliage telle que celle décrites dans l'art antérieur. Selon l'invention, l'étape qui suit la mise en contact des surfaces des éléments à assembler est une étape d'assemblage par soudage par diffusion des surfaces mises en contact direct. Le soudage par diffusion peut être effectué par exemple par compression isostatique ou par pressage uniaxial à chaud, par exemple, par des techniques classiques connues de l'homme du métier.

Lorsque le soudage par diffusion est effectué par compression isostatique à chaud, les matériaux mis en contact peuvent être introduits dans une enveloppe qui permet d'isoler les éléments à assembler de l'atmosphère et d'évacuer l’air de l'enveloppe pour l'assemblage des éléments par soudage par diffusion dans celle-ci.

Il est précisé que l'enveloppe 30 peut être constituée de tout matériau étanche, suffisamment résistant pour supporter un vide au moins partiel dans celle-ci, et pour supporter les températures et les pressions élevées nécessaires pour assembler les éléments. Par exemple, l'enveloppe peut être une enveloppe métallique, par exemple en acier inoxydable, en acier doux ou en titane et ses alliages. Elle peut être par exemple formée à partir d'une tôle ayant une épaisseur par exemple de 1 à 20 mm environ, par exemple de 1 à 10 mm environ. De préférence, l'enveloppe peut épouser la forme extérieure des éléments à assembler.

D’une manière connue, l'élément en acier inoxydable martensitique (l’arbre 2) peut fermer l’enveloppe 30 en jouant le rôle de couvercle de l'enveloppe 30, l'arbre 2 pouvant alors être soudé à l'enveloppe 30. D’une manière connue, cette enveloppe 30 peut être réalisée par découpage, éventuellement cintrage et soudage d'une tôle métallique ou par un quelconque procédé connu de l'homme du métier.

L'enveloppe 30 est ensuite dégazée de manière à créer un vide dans celle-ci. Le dégazage peut être réalisé au moyen d'une pompe à vide et d'un chauffage de l'ensemble éléments à assembler/enveloppe.

Un exemple de dégazage peut consister à évacuer l’air de l'enveloppe 30 à température ambiante jusqu'à l'obtention d'un vide résiduel inférieur ou égal à 10 Pa, puis à chauffer l'ensemble à température modérée, par exemple inférieure à 300 °C pendant quelques heures, par exemple 5 heures, tout en continuant à évacuer.

Il peut être utile de vérifier que l'enveloppe est étanche, avant la réalisation de l'opération de soudage par diffusion, par exemple au moyen d'un test à l'hélium. Une fois l'étape de dégazage effectuée, l'enveloppe 30 est rendue totalement étanche par l'obturation de l'ouverture ayant servi à son évacuation, l'obturation étant réalisée par exemple à l'aide d'une soudure TIG.

Les éléments mis en contact dans l'enveloppe dégazée peuvent ensuite être assemblés par soudage par diffusion. L'assemblage peut être réalisé dans une enceinte de compression isostatique à chaud.

Chauffage

Plus précisément, l’étape de chauffage, comprend une phase de mise sous pression de l’ensemble 32. Typiquement la pression à l’intérieure d’une enceinte de chauffage (i.e. un four) peut être amenée à une valeur comprise entre 1000 et 2000 bars (de manière privilégiée la pression peut se situer aux alentours de 1500 bars).

En sus, d’une manière préférentielle, le chauffage est réalisé dans une atmosphère dite neutre. Pour ce faire, l’enceinte de chauffage du four utilisé est saturée d’un gaz neutre (i.e. un gaz rare selon la classification périodique des éléments). Préférentiellement, le gaz neutre utilisé peut-être de l’argon. Selon une autre disposition, l’atmosphère de l’enceinte de chauffage peut être saturée en azote.

L’un des objectifs de la saturation de l’enceinte de chauffage en argon ou en azote est de chasser l’oxygène pour éviter une potentielle réaction d’oxydation.

En outre, d’une manière préférentielle, l’étape de chauffage est réalisée en amenant l’ensemble 32 à une température permettant la soudure par diffusion mais inférieure à une température de liquéfaction du cuivre (et par conséquent de l’acier).

Il est précisé que par « amener l’ensemble à une température permettant la soudure par diffusion », il est entendu que la température de l’ensemble 32 est augmentée progressivement (linéairement) jusqu’à une température maximale, puis la température maximale est maintenue pendant une durée déterminée.

D’une manière particulièrement préférée, la température maximale de chauffage peut être comprise entre 900° C et 1040°C pour réaliser la mise en solution de l’acier.

D’une manière préférentielle, l’étape de chauffage est réalisée de manière progressive sur plusieurs heures. D’une manière particulièrement préférée, l’étape de chauffage dure une dizaine d’heures.

Traitement thermique D’une manière préférentielle, l’étape de traitement thermique peut comprendre une trempe choisie parmi une trempe à l’air libre, une trempe à l’eau ou une trempe à l’huile.

Il est précisé que la trempe peut être homogène pour la totalité de l’ensemble 32 ou peut être monitorée via des mesures in-situ.

D’une manière préférentielle, l’étape de traitement thermique de trempe est déterminée afin que l’acier de l’arbre 2 devienne martensitique. Plus précisément, l’étape de traitement thermique permet de supprimer une éventuelle présence d’austénite résiduelle dans l’acier de l’arbre 2.

D’une manière privilégiée, la trempe doit correspondre à une vitesse de refroidissement supérieure à la vitesse critique pour créer la phase martensitique, soit plusieurs dizaines de degrés/seconde (° /s).

En référence au diagramme présenté en figure 12, l’objectif de la trempe est d’atteindre au moins la zone indiqué V2 sur la figure 12 et au mieux la zone indiqué V1 .

L’étape de trempe est très avantageuse pour améliorer les propriétés électromagnétiques comme le montre la figure 13 qui montre que la vitesse de refroidissement a une incidence directe sur les propriétés électromagnétiques du matériau. En effet, L’hystérésis magnétique H1 correspond à un matériau trempé à l’eau, l’hystérésis magnétique H2 correspond à une trempe sous air. Ainsi, il est observable sur la figure 13 qu’une éprouvette refroidie sous eau présente de meilleures propriétés électromagnétiques qu’une éprouvette refroidie sous air.

Suite à la trempe, il est possible de poursuivre cette phase de traitement thermique en immergeant l’ensemble 32 dans un bain cryogénique afin de réduire la présence d’austénitique résiduelle. Typiquement le bain cryogénique peut être à une température inférieure à -20° C. D’une manière privilégiée, l’ensemble 32 est plongé dans le bain cryogénique pendant une durée pouvant être comprise entre 10 minutes et 60 minutes.

Revenu

Suite au traitement thermique de trempe, l’étape de revenu permet de recouvrir les caractéristiques recherchées pour le cuivre constituant l’ensemble conducteur 4 (résistance mécanique, conductivité électrique ...), et permet d’adoucir l’acier martensitique pour augmenter sa ductilité tout en préservant ses propriétés électromagnétiques, ce qui permet d’optimiser les performances globales du rotor 1.

L’étape de revenu est une étape connue dans le domaine de la métallurgie. D’une manière usuelle, le revenu peut aussi être appelé « vieillissement ». D’une manière préférentielle, le revenu est réalisé en amenant l’ensemble 32 à une température de palier comprise entre 450° C et 650° C, sur une durée comprise entre 1 heure et 4 heures. Ce traitement optimisé permet de garantir pour l’alliage de cuivre une conductivité égale ou supérieure à 90% de la conductivité du Cuivre pur (%IÀCS) et assure le maintien des propriétés mécaniques recherchées.

Séparation et finition

La séparation de l’enveloppe 30 et du rotor 1 est réalisée en usinant l’enveloppe 30 pour ne conserver que le rotor 1 . En d’autres termes, l’enveloppe 30 est extraite par usinage, typiquement par tournage.

Le rotor 1 obtenu présente alors des cotes d’ébauches, comme cela est représenté sur la figure 10.

Puis, le rotor 1 , et plus particulièrement son ensemble conducteur 4, est usiné pour avoir les cotes et géométries finales.

À l’issue de cette dernière étape d’usinage de finition, le rotor 1 obtenu présente les caractéristiques géométriques nécessaires à son utilisation, et présente aussi des caractéristiques structurelles et électromagnétiques garantissant sa résistance lors d’une utilisation à des vitesses de rotation supérieures à 50 000 tr/min.

La zone de liaison par interdiffusion sur la pièce obtenue selon le procédé présente typiquement une épaisseur de quelques dizaines de pm.

Le rotor 1 possédant une structure de type monolithique peut facilement être équilibré statiquement et dynamiquement (par enlèvement de matière localisé), ce qui permet de garantir un niveau vibratoire le plus bas possible et compatible avec une haute vitesse de rotation du rotor 1 .