TITRE : Rotor de moteur électrique

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 des 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, une des voies privilégiées est 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, le poids 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 peut 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 électrique (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 machine étant 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 dans lequel la machine est embarquée 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 de 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 pour inconvénient similaire aux machines à courant continu de présenter 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 à 3 étages : ces machines sont très largement utilisées dans le milieu aéronautique comme génératrice de courant car elles ont l’avantages d’être facilement pilotables et auto-excitables sans balais ou sans bagues 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) réduisant la fiabilité des 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 génèrent 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 variable est une machine avec de fortes performances électromagnétiques, un autre avantage est que le rotor est de nature passive 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 fonction de 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’années 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 le rotor est résistant 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 propose un rotor de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre réalisé dans un premier matériau et une peau réalisée dans un deuxième matériau différent du premier matériau, dans lequel l’arbre présente une portion d’épaulement sur laquelle est fixée la peau, au niveau de la portion d’épaulement, le rotor présente 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.

La peau 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.

La peau et les anneaux peuvent être monoblocs.

La peau peut comprendre deux demi-coquilles soudées l’une à l’autre.

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 l’invention, comprenant au moins une les étapes de :

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

- chauffage et mise en pression de l’ensemble contenant l’enveloppe, l’arbre et l’élément destiné à former la peau, jusqu’à une température de formation la peau et de soudure par diffusion de la peau 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 la peau dans une enveloppe tubulaire de protection peut comprendre les phases de :

- positionnement des deux demi-coquilles sur la portion d’épaulements et des régions d’extrémités de l’arbre ;

- insertion de l’arbre et des deux demi-coquilles dans une enveloppe tubulaire de protection. L’étape d’insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former la peau dans une enveloppe tubulaire de protection peut comprendre une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former la peau.

L’étape de chauffage et mise en pression de l’ensemble peut être est 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.

L’étape de traitement thermique peut être réalisée jusqu’à ce que le premier matériau en acier inoxydable devienne martensitique.

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 :

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

[Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe d’un rotor selon l’invention ;

[Fig. 3] La figure 3 est une représentation d’un arbre, de deux demi-coquilles et d’une enveloppe pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention ;

[Fig. 4] La figure 4 est une représentation d’une enveloppe comprenant un arbre et deux demis-coquilles ;

[Fig. 5] La figure 5 est une représentation d’un arbre et d’une peau extraits de l’enveloppe ;

[Fig. 6] La figure 6 est une représentation d’un rotor obtenu par un mode de mise en oeuvre du procédé selon l’invention ;

[Fig. 7] La figure 7 est une représentation d’un diagramme de changement de microstructure d’un acier en fonction de la vitesse de refroidissement ; et

[Fig. 8] La figure 8 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 une peau 4 réalisée dans un deuxième matériau différent du premier matériau.

Arbre

L’arbre 2 est une pièce de révolution monobloc présentant 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, tel que représenté sur la figure 2, l’arbre 2 peut présenter un alésage 1 longitudinal. L’alésage 14 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 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 fonction dans un moteur électrique) pour que la peau 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.

Peau

La peau 4 est un cylindre de cuivre positionné sur la région d’épaulement 6. Le cuivre est choisi pour son excellente conductivité. Selon un autre mode de réalisation, la peau 4 pourrait par exemple être réalisée en argent ou en aluminium.

Il est précisé que le matériau, tel que le cuivre ou l’argent, constituant la peau 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.

Selon le mode de réalisation ici présenté et en référence à la figure 3, la peau 4 est constituée de deux demis-coquilles 18 assemblées et liées de façon permanente par un procédé de soudage diffusion.

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

La peau 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 une demi-coquille 18 respective. En d’autres termes, d’une manière préférentielle, chaque anneau 12 est réalisé d’un seul tenant avec une demi-coquille 18 respective. Ainsi les anneaux 12 sont assimilables à des portions de peau 4 plus épaisses. Les anneaux 12 ont une fonction de court-circuit et servent à reboucler les courants induits au rotor.

La structure en deux demi-coquilles 18 permet d’assembler la peau 4 sur l’arbre 2.

Selon le mode de réalisation ici présenté, chaque demi-coquille 18 présente une première extrémité comprenant un anneau 12 et une deuxième extrémité présentant un chanfrein 22.

Les chanfreins 22 des deux demi-coquilles 18 sont complémentaire l’un de l’autre pour faciliter l’assemblage des deux demi-coquilles 18. Typiquement une demi-coquille 18 peut présenter un chanfrein à +45° et l’autre demi-coquille 18 peut présenter un chanfrein 22 à -45° . Par assemblage complémentaire, il est entendu qu’une fois assemblées les deux demis-coquilles 18 forment un cylindre complet (i.e. sans trou ou ouverture au niveau de la jonction entre les deux demi-coquilles 18).

Soudage par diffusion et couche d’interpénétration

Selon une disposition particulièrement avantageuse de l’invention, la peau 4 est soudée à la portion d’épaulements 6 et les régions d’extrémités 8 de l’arbre 2. Cette soudure est réalisée de sorte que le rotor 1 présente une couche d’interpénétration dû à l’existence d’une diffusion de matière entre la peau 4 et l’arbre 2, au niveau de la portion d’épaulement 6 et des régions d’extrémités 8.

En d’autres termes, au niveau de la portion d’épaulement 6 et des régions d’extrémité 8, le rotor présente une couche d’interpénétration du matériau de l’arbre 2 et du matériau de la peau 4.

Par interpénétration, il est entendu une couche d’alliage du matériau de l’arbre 2 (premier matériau) et du matériau de la peau 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 la peau 4 et de l’arbre 2 comprend uniquement la peau 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 la peau 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, 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 3 le procédé comprend les étapes de :

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

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

- traitement thermique de trempe de l’ensemble 32 ;

- traitement thermique de revenu de l’ensemble 32 ;

- 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 sur un temps déterminé.

Plus précisément, selon un premier mode de réalisation, l’étape d’insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former la peau 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection comprend les phases de :

- positionnement des deux demi-coquilles 18 sur la portion d’épaulement 6 et les régions d’extrémités 8 de l’arbre 2 ;

- insertion de l’arbre 2 et des deux demi-coquilles 18 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection.

Selon un deuxième mode de réalisation l’étape d’insertion de l’arbre 2 et d’un élément destiné à former la peau 4 dans une enveloppe 30 tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former la peau 4.

Selon ce deuxième mode de réalisation, la poudre, pendant le processus de chauffage et de mise en pression dans l’enveloppe 30, se lie et devient un élément homogène pour former la peau 4.

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 par 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, par exemple à base 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 est 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 acétone, éther, alcool, alcane, ou du type alcène chloré tel que le trichloroéthylène, ou un mélange de ces solvants, 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.

Pour la surface de l'élément comprenant du cuivre, le dégraissage peut être effectué au moyen d'un solvant organique tels que ceux cités ci-dessus, par exemple au moyen d'acétone ou d'un mélange ternaire acétone alcool éthylique-éther de préférence dans des proportions égales. Le dégraissage de cette surface peut éventuellement être suivi d'un passage aux ultrasons pendant une durée par exemple d'une minute. La surface peut ensuite être dégraissée dans de l'éthanol sous ultrasons puis séchée par exemple au moyen d'air chaud.

Cette surface peut alors être décapée par exemple au moyen d'un bain de bichromate de potassium par exemple à une concentration de 0,23 à 0,30 moles/litre, d'acide sulfurique à une concentration par exemple de 0,1 à 0,13 moles/litre, et d'eau déminéralisée, pendant par exemple 1 à 3 minutes, par exemple pendant 1 minute et 30 secondes environ. La surface peut ensuite être rincée dans de l'éthanol par exemple sous ultrasons, puis dans de l'eau déminéralisée et séchée par exemple au moyen d'air chaud.

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 ou 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 décrite 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 par 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 les gaz dans l'enveloppe pour l'assemblage des éléments par soudage par diffusion dans celle-ci. L’étape de mise en contact peut aussi être faite dans l'enveloppe directement.

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 par cintrage puis par 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 comprenant les éléments à assembler et l’enveloppe. Un exemple de dégazage peut consister à évacuer 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 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’intérieur 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 des composants métalliques présents dans l’enveloppe 30.

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 surveillée par 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 degrés/seconde voire plusieurs dizaines de degrés/seconde (° /s).

En référence au diagramme présenté en figure 7, l’objectif de la trempe est d’atteindre au moins la zone portant la référence V2 sur la figure 7 et au mieux la zone portant la référence V1 .

L’étape de trempe est très avantageuse pour améliorer les propriétés électromagnétiques comme le montre la figure 8 qui montre que la vitesse de refroidissement a une incidence directe sur les propriétés électromagnétiques du matériau. En effet, Le cycle magnétique d’hystérésis H1 correspond à un matériau trempé à l’eau, le cycle magnétique d’hystérésis H2 correspond à une trempe à l’air. Ainsi, il est observable sur la figure 8 qu’une éprouvette refroidie à l’eau présente de meilleures propriétés électromagnétiques qu’une éprouvette refroidie à l’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’austénite 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 d’obtenir les caractéristiques recherchées pour le cuivre constituant la peau 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’ébauche, comme cela est représenté sur la figure 5.

Puis, le rotor 1 , et plus particulièrement sa peau 4, sont usinés 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 pour un fonctionnement à haute vitesse.