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Title:
ONE-PIECE FERROMAGNETIC PART OF A ROTATING ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/074526
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for forming, by additive manufacturing, a one-piece ferromagnetic part (100) of a rotating electric machine, the part (100) comprising, along an axis of elongation XX', an alternation of first segments (110) of a first thickness E1 and of second segments (120) of a second thickness E2, the first segments (110) are unapertured whereas each second segment is intermediate between two successive first segments (110) and is partially apertured so as to limit the generation of losses due to eddy currents that are liable to occur during the operation of the rotating electric machine.

Inventors:
AIXALA LUC (FR)
BUI-VAN ANH LINH (FR)
GAILLARD GILLES (FR)
Application Number:
PCT/FR2020/051819
Publication Date:
April 22, 2021
Filing Date:
October 14, 2020
Export Citation:
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Assignee:
COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE (FR)
International Classes:
B29C64/153; B33Y10/00; B33Y80/00; H01F3/08; H01F41/02; H02K1/02; H02K15/02
Foreign References:
EP3373311A12018-09-12
EP2978104A22016-01-27
DE102015204721A12016-09-22
Attorney, Agent or Firm:
AHNER, Philippe (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de formation, par fabrication additive, d'une pièce (100), monobloc et ferromagnétique, d'une machine électrique tournante, la pièce (100) comprenant, selon un axe d'élongation XX', une alternance de premières sections (110) d'une première épaisseur El et de deuxièmes sections (120) d'une deuxième épaisseur E2, les premières sections (110) sont pleines tandis que chaque deuxième section, est intercalée entre deux premières sections (110) successives, et est partiellement évidées de manière à limiter l'établissement des pertes par courants de Foucault susceptibles de survenir lors du fonctionnement de la machine électrique tournante, le procédé comprenant l'exécution en alternance d'une première pluralité de premiers cycles et d'une deuxième pluralité de deuxièmes cycles, chaque première pluralité et chaque deuxième pluralité étant destinée à former, respectivement, une première section et une deuxième section, le premier et le deuxième cycle comprenant chacun les étapes suivantes : a) la formation d'une couche de poudre d'un matériau ferromagnétique sur la face avant d'un support (200) ; b) une fusion sélective d'une région de la couche de poudre de manière à former un motif relatif à l'une ou l'autre de la première ou de la deuxième section considérée.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'évidement des deuxièmes sections (120) correspond à au moins 30%, avantageusement 40 %, encore plus avantageusement 50 % de leur volume.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les deuxièmes sections (120) comprennent des poutres (121) assurant la cohésion entre les premières sections (110) successives.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la pièce (100) présente une symétrie de révolution autour de l'axe de d'élongation XX'.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la pièce (100) comprend un alésage débouchant selon l'une et l'autre des extrémités de la pièce (100).

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les évidements au niveau des deuxièmes sections (120) comprennent des premiers canaux (122).

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les premiers canaux (122) sont débouchants.

8. Procédé selon les revendications 5 et 7, dans lequel les premiers canaux (122) débouchent au niveau de l'alésage.

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel lors de l'exécution du procédé, des deuxièmes canaux de circulation fluidique (123), qui s'étendent selon une direction définie par l'axe d'élongation XX', sont formés.

10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la pièce (100) est un rotor.

11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le procédé comprend également la formation d'un arbre formé d'un seul tenant avec le rotor.

12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la pièce (100) est un stator.

13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel la poudre de matériau magnétique comprend au moins un des alliages choisi parmi : FeSi, FeCo,

FeNi.

14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel l'étape b) est exécutée au moyen d'un laser.

15. Pièce (100) d'une machine électrique tournante, monobloc et ferromagnétique, la pièce (100) comprenant, selon un axe d'élongation XX', une alternance de premières sections (110) d'une première épaisseur El et de deuxièmes sections (120) d'une deuxième épaisseur E2, les premières sections (110) sont pleines tandis que chaque deuxième section, est intercalée entre deux premières sections (110) successives, et est partiellement évidées de manière à limiter l'établissement des pertes par courants de Foucault susceptibles de survenir lors du fonctionnement de la machine électrique tournante.

16. Pièce (100) selon la revendication 15, dans lequel l'évidement des deuxièmes sections (120) correspond à au moins 30%, avantageusement 40 %, encore plus avantageusement 50 %, de leur volume.

17. Pièce (100) selon la revendication 15 ou 16, dans lequel les deuxièmes sections (120) comprennent des poutres (121) assurant la cohésion entre les premières sections (110) successives.

18. Pièce (100) selon l'une des revendications 15 à 17, dans lequel la pièce (100) présente une symétrie de révolution autour de l'axe de d'élongation XX'.

19. Pièce (100) selon l'une des revendications 15 à 18, dans lequel la pièce (100) comprend un alésage débouchant selon l'une et l'autre des extrémités de la pièce (100).

20. Pièce (100) selon l'une des revendications 15 à 19 dans lequel les évidements au niveau des deuxièmes sections (120) comprennent des premiers canaux (122). 21. Pièce (100) selon la revendication 20, dans lequel les premiers canaux (122) sont débouchants.

22. Pièce (100) selon les revendications 19 et 21, dans lequel les premiers canaux (122) débouchent au niveau de l'alésage.

23. Pièce (100) selon l'une des revendications 15 à 22, dans lequel des deuxièmes canaux de circulation fluidique (123) s'étendent selon une direction définie par l'axe d'élongation XX'.

24. Pièce (100) selon l'une des revendications 15 à 23, dans lequel la pièce (100) est un rotor.

25. Pièce (100) selon l'une des revendications 15 à 23, dans lequel la pièce (100) est un stator.

26. Pièce (100) selon l'une des revendications 15 à 25, dans lequel le matériau magnétique comprend au moins un des alliages choisi parmi : FeSi, FeCo, FeNi.

Description:
Description

Titre : PIECE MONOBLOC ET FERROMAGNETIQUE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE

TOURNANTE

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une pièce monobloc et ferromagnétique d'une machine électrique tournante. La pièce peut notamment former le rotor ou le stator de la machine électrique tournante.

À cet égard, la pièce comprend, selon une direction d'élongation, une alternance de premières sections pleines, et de deuxièmes sections partiellement ajourées de manière à limiter les pertes par courants de Foucault susceptibles de survenir lors du fonctionnement de la machine électrique tournante.

L'invention concerne également un procédé de formation de la pièce par fabrication additive.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les éléments conducteurs des machines électriques tournantes, et notamment le rotor et le stator, sont connus pour être le siège de pertes par courants de Foucault qui affectent d'autant les performances de ladite machine.

Afin de limiter cet effet, ces éléments conducteurs sont généralement formés par un empilement, selon une direction d'empilement, de feuillets ou de tôles ferromagnétiques isolées entre elles. Cette isolation prend généralement la forme d'un revêtement isolant, notamment un revêtement organique.

Par ailleurs, l'emboutissage et le poinçonnage, qui sont généralement mis en œuvre pour la fabrication, notamment en série, des tôles, limitent ces dernières à des formes simples.

En outre, l'intégration d'une fonction de refroidissement fluidique au sein du rotor et/ou du stator, pourtant intéressante pour l'amélioration des performances d'une machine électrique tournante, reste compliquée voire impossible. En effet, cette fonction impose des conditions d'étanchéité qui restent incompatibles avec la nature même d'un empilement de tôles, et/ou les phénomènes de dilatation thermique susceptibles de survenir lorsque la machine électrique tournante est en fonctionnement. Afin de pallier les problèmes susmentionnés, il a été proposé par l'institut VTT Technical Research centre of Finland LTD de fabriquer un rotor par impression 3D.

Cependant, le rotor ainsi fabriqué ne permet ni la gestion des courants de Foucault ni la gestion thermique par écoulement fluidique.

Par conséquent, un but de la présente invention est de proposer un procédé de formation d'une pièce d'une machine électrique tournante qui permet l'intégration de fonctions supplémentaires telle qu'une fonction de refroidissement fluidique.

Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de formation d'une pièce d'une machine électrique tournante pour laquelle les pertes par courants de Foucault sont limitées.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

Les buts de la présente invention sont, au moins en partie, atteints par un procédé de formation, par fabrication additive, d'une pièce, monobloc et ferromagnétique, d'une machine électrique tournante, la pièce comprenant, selon un axe d'élongation XX', une alternance de premières sections d'une première épaisseur El et de deuxièmes sections d'une deuxième épaisseur E2, les premières sections sont pleines tandis que chaque deuxième section, est intercalée entre deux premières sections successives, et est partiellement évidée de manière à limiter l'établissement les pertes par courants de Foucault susceptibles de survenir lors du fonctionnement de la machine électrique tournante, le procédé comprenant l'exécution en alternance d'une première pluralité de premiers cycles et d'une deuxième pluralité de deuxièmes cycles, chaque première pluralité et chaque deuxième pluralité étant destinée à former, respectivement, une première section et une deuxième section, le premier et le deuxième cycle comprenant chacun les étapes suivantes : a) la formation d'une couche de poudre d'un matériau ferromagnétique sur la face avant d'un support ; b) une consolidation sélective, avantageusement une fusion sélective, d'une région de la couche de poudre de manière à former un motif relatif à l'une ou l'autre de la première ou de la deuxième section considérée.

Selon un mode de mise en œuvre, l'évidement des deuxièmes sections correspond à au moins 30%, avantageusement 50 % de leur volume.

Selon un mode de mise en œuvre, les deuxièmes sections comprennent des poutres assurant la cohésion entre les premières sections successives.

Selon un mode de mise en œuvre, la pièce présente une symétrie de révolution autour de l'axe d'élongation XX'.

Selon un mode de mise en œuvre, la pièce comprend un alésage débouchant selon l'une et l'autre des extrémités de la pièce.

Selon un mode de mise en œuvre, les évidements au niveau des deuxièmes sections comprennent des premiers canaux.

Selon un mode de mise en œuvre, les premiers canaux sont débouchants.

Selon un mode de mise en œuvre, les premiers canaux débouchent au niveau de l'alésage.

Selon un mode de mise en œuvre, lors de l'exécution du procédé, des deuxièmes canaux de circulation fluidique qui s'étendent selon une direction définie par l'axe d'élongation XX' sont formés.

Selon un mode de mise en œuvre, la pièce est un rotor.

Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend également la formation d'un arbre formé d'un seul tenant avec le rotor.

Selon un mode de mise en œuvre, la pièce est un stator.

Selon un mode de mise en œuvre, la poudre de matériau magnétique comprend au moins un des alliages choisi parmi : FeSi, FeCo, FeNi.

Selon un mode de mise en œuvre, l'étape b) est exécutée au moyen d'un laser.

L'invention concerne également une pièce d'une machine électrique tournante, monobloc et ferromagnétique, la pièce comprenant, selon un axe d'élongation XX', une alternance de premières sections d'une première épaisseur El et de deuxièmes sections d'une deuxième épaisseur E2, les premières sections sont pleines tandis que chaque deuxième section, est intercalée entre deux premières sections successives, et est partiellement évidées de manière à limiter l'établissement les pertes par courants de Foucault susceptibles de survenir lors du fonctionnement de la machine électrique tournante.

Selon un mode de réalisation, l'évidement des deuxièmes sections correspond à au moins 30%, avantageusement 40 %, encore plus avantageusement 50 %, de leur volume.

Selon un mode de réalisation, les deuxièmes sections comprennent des poutres assurant la cohésion entre les premières sections successives.

Selon un mode de réalisation, la pièce présente une symétrie de révolution autour de l'axe de d'élongation XX'.

Selon un mode de réalisation, la pièce comprend un alésage débouchant selon l'une et l'autre des extrémités de la pièce.

Selon un mode de réalisation, les évidements au niveau des deuxièmes sections comprennent des premiers canaux.

Selon un mode de réalisation, les premiers canaux sont débouchants.

Selon un mode de réalisation, les premiers canaux débouchent au niveau de l'alésage.

Selon un mode de réalisation, des deuxièmes canaux de circulation fluidique s'étendent selon une direction définie par l'axe d'élongation XX'.

Selon un mode de réalisation, la pièce est un rotor.

Selon un mode de réalisation, la pièce est un stator.

Selon un mode de réalisation, le matériau magnétique comprend au moins un des alliages choisi parmi : FeSi, FeCo, FeNi.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'une pièce monobloc et ferromagnétique d'une machine électrique tournante selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

La figure 1 est une représentation schématique en perspective et en coupe d'un rotor selon la présente invention ;

La figure 2 est une représentation schématique en vue de dessus du rotor de la figure 1 ;

La figure 3 est une représentation schématique en perspective et en coupe d'un stator selon la présente invention ;

Les figures 4, 5 et 6 sont des représentations schématiques de différentes étapes du procédé de formation par fabrication additive d'une pièce selon la présente invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

La présente invention concerne une pièce monobloc et ferromagnétique d'une machine électrique tournante et son procédé de fabrication. La machine électrique tournante peut, à cet égard, comprendre un générateur ou un moteur.

Par « monobloc », on entend une pièce faite d'un seul tenant. En d'autres termes, la pièce n'est pas obtenue par un assemblage.

Le matériau ferromagnétique formant la pièce peut comprendre au moins un alliage choisi parmi : FeSi, FeCo, FeNi.

Un alliage de FeSi peut notamment comprendre 3 % ou 6 % en masse de silicium.

Dans la suite de la description, la pièce 100 est un rotor d'une machine électrique tournante. Toutefois, la présente invention ne doit pas être limitée à cette seule pièce, et l'homme du métier à la lecture de la description pourra adapter les concepts présentés à d'autres types de pièces, et notamment à un stator.

Aux figures 1 et 2, on peut voir un exemple de rotor 100.

Le rotor 100 s'étend selon un axe d'élongation XX' et comprend en particulier une alternance de premières sections 110 d'une première épaisseur El et de deuxièmes sections 120 d'une deuxième épaisseur E2. Il est entendu que l'épaisseur El et/ou l'épaisseur E2 ne sont pas nécessairement constantes. Par exemple, les premières sections peuvent présenter un profil d'épaisseur croissant selon une direction radiale au rotor.

Le rotor 100 présente également une symétrie de révolution autour de l'axe d'élongation XX'.

Il est par ailleurs entendu sans qu'il soit nécessaire de le préciser qu'une pièce qui s'étend selon un axe présente deux extrémités.

Le rotor 100 comprend également un alésage délimité par une surface S, et qui débouche au niveau de chacune des extrémités dudit rotor.

À titre d'exemple, l'épaisseur El peut être comprise entre 150 pm et 1000pm, avantageusement entre 150 pm et 800 pm, encore plus avantageusement entre 300 pm et 500 pm.

De manière équivalente, la deuxième épaisseur E2 qui est inférieure à la première épaisseur El peut être comprise entre 30 pm et 200 pm.

Selon la présente invention, les premières sections 110 sont pleines tandis que chaque deuxième section 120 est intercalée entre deux premières sections 110 et est partiellement évidée. En particulier, les évidements des deuxièmes sections 120 correspondent à au moins 30%, avantageusement 40 %, encore plus avantageusement 50%, du volume desdites sections.

Les évidements peuvent être comblés par un matériau isolant organique.

Cet agencement des deuxièmes sections 120, et notamment la présence d'évidements en leur sein, permet de limiter l'apparition de courants de Foucault lorsque le rotor est intégré dans une machine tournante. En d'autres termes, les courants de Foucault induits par le flux magnétique variable circulant dans les premières sections 110 ne peuvent se développer que dans la section d'épaisseur limitée 110, les évidements des deuxièmes sections 120 étant isolants. Les courants de Foucault et les pertes associées sont ainsi limités. Il en résulte une amélioration du rendement de la machine électrique et une limitation de son échauffement. Les deuxièmes sections 120 peuvent par ailleurs comprendre des poutres 121 configurées pour assurer la cohésion entre les premières sections 110 successives.

Une poutre 121 peut notamment prendre la forme d'un anneau et d'une épaisseur correspondant à la deuxième épaisseur E2.

Chaque section 120 peut comprendre une pluralité de poutres 121 agencées de manière concentrique autour de l'axe XX'.

De manière complémentaire ou alternative, chaque section 121 peut comprendre des premiers canaux 122.

Les premiers canaux 122 peuvent en particulier s'étendre de manière radiale dans les deuxièmes sections 120.

Les premiers canaux 122 peuvent déboucher au niveau d'une surface S délimitant l'alésage.

Le rotor 100 peut également comprendre des deuxièmes canaux de circulation fluidique 123 qui s'étendent entre les deux extrémités dudit rotor. Ces deuxièmes canaux de circulation fluidique sont notamment destinés à assurer la circulation d'un fluide de refroidissement dans le volume du rotor.

Enfin, des congés destinés à loger des aimants permanents peuvent être ménagés au niveau de la surface extérieure du rotor.

L'invention n'est toutefois pas limitée à cet agencement des aimants, et il peut être envisagé de loger ces derniers dans le rotor.

Tel qu'évoqué précédemment, la pièce 100 peut comprendre un stator

100 (figure 3).

Toutefois, en plus des éléments déjà décrits en relation avec le rotor, le stator 100 peut comprendre des passages 124 pour un bobinage de fil conducteur, par exemple du cuivre, et notamment un fil de cuivre enrobé d'un isolant électrique.

Le procédé de formation d'un tel rotor 100 implique la mise en œuvre d'un procédé de fabrication additive.

Le procédé comprend notamment l'exécution en alternance d'une première pluralité de premiers cycles et d'une deuxième pluralité de deuxièmes cycles, chaque première pluralité et chaque deuxième pluralité étant destinée à former, respectivement, une première section et une deuxième section.

En particulier, chacun des premiers et seconds cycles comprend les étapes suivantes : a) la formation d'une couche de poudre 300 du matériau ferromagnétique sur la face avant d'un support 200 (figures 4 et 6) ; b) une consolidation sélective, avantageusement une fusion sélective d'une région de la couche de poudre de manière à former un motif relatif à l'une ou l'autre de la première ou de la deuxième section considérée (figure 5).

L'étape a) peut être exécutée au moyen d'une racle 210 ou d'un rouleau.

L'étape b) peut être exécutée au moyen d'une source de rayonnement lumineux et notamment un laser 220.

De manière alternative, l'étape b) peut être réalisée au moyen d'une colle.

À l'issue de l'étape b), une strate 230 de l'une ou l'autre d'une première section ou d'une deuxième section est formée.

Les étapes a) et b) sont répétées autant de fois que nécessaire pour former la pièce 100.

Le procédé de fabrication additive ainsi présenté, permet de former une pièce, et notamment le rotor 100, sous forme monobloc. En d'autres termes, la formation du rotor 100 ne nécessite pas la mise en œuvre d'étapes d'assemblage.

La considération des deuxièmes sections, et plus particulièrement des évidements, permet de diminuer la survenance de courants de Foucault.

Par ailleurs, les premiers canaux 122, dès lors qu'ils sont débouchants, permettent d'évacuer la majeure partie de la poudre non exposée au rayonnement lors de l'exécution de l'étape b).

Enfin, les deuxièmes canaux de circulation fluidique selon ce procédé préviennent tout risque de fuites. Le procédé ainsi décrit peut ainsi être mis en œuvre pour toute autre pièce d'une machine électrique tournante.