Essai de moteurs électriques
En raison de l’électrification croissante et des avancées technologiques qui en découlent, l’efficacité et les performances des moteurs électriques ne cessent de s’améliorer. Les nouvelles approches technologiques conduisent également à de nouvelles exigences dans le domaine de l’essai de moteurs électriques. ZwickRoell propose différentes solutions pour s’assurer que les moteurs électriques répondent aux normes les plus strictes en matière de performances et d’efficacité. L’accent est mis sur des technologies innovantes telles que la technologie hairpin ou le bobinage (fils de cuivre à section rectangulaire isolés par un revêtement polymère) et l’essai de tôles magnétiques, qui contribuent toutes deux de manière décisive à l’efficacité et aux performances des moteurs électriques.
Grâce à des solutions d’essai innovantes permettant la caractérisation précise des matériaux et la surveillance de l’ensemble du processus de production, ZwickRoell peut contribuer de manière décisive à l’optimisation des moteurs électriques.
Essais sur hairpins Essai de tôles magnétiques Demander conseil
Qu’entend-on par technologie hairpin ?
La technologie hairpin est une technique de bobinage moderne qui utilise des fils de cuivre isolés à section rectangulaire, également appelés « épingles à cheveux » en raison de leur forme. Cette technologie remplace les bobines de cuivre traditionnelles et contribue, en exploitant beaucoup mieux l’espace, à augmenter considérablement l’efficacité des moteurs électriques tout en réduisant l’encombrement. Pour ce faire, les hairpins sont soumises à des processus de bobinage et de flexion très complexes. Afin que les processus de production se déroulent de manière fiable et aboutissent à un résultat satisfaisant, il est nécessaire de bien comprendre le comportement du matériau, mais aussi l’influence des paramètres du processus. C’est précisément pour cela que des solutions d’essai adaptées sont nécessaires.
Essai sur hairpins - Nouvelles exigences d’essai
Pour assurer un processus de production stable des stators, une connaissance approfondie des caractéristiques mécaniques est requise afin de garantir non seulement une qualité constante, mais surtout d’éviter l’arrêt du processus de production en raison d’imprécisions dans le matériau. Outre les caractéristiques du matériau, il est également nécessaire d’analyser et de comprendre les influences des paramètres de production.
ZwickRoell propose une large gamme d’essais spécifiques à la caractérisation des fils de cuivre à section rectangulaire revêtus afin d’acquérir une parfaite compréhension des matériaux et des processus, contribuant ainsi de manière décisive au développement de la technologie hairpin et des processus de production des stators hairpin. Cela comprend
- la détermination très précise du comportement élastique du matériau, qui peut différer de celui du matériau de base en raison du revêtement et qui a une grande importance pour le processus de production en raison du retour élastique,
- le comportement plastique du matériau des hairpins jusqu’à la rupture dans l’essai de traction,
- le comportement en flexion pour vérifier le module de flexion et le retour élastique,
- la simulation du processus de production à l’aide d’essais de torsion,
- l’analyse précise du coefficient de frottement du revêtement.
Essai de traction sur hairpins
La fine isolation polymère a une influence directe sur la déformabilité du fil de cuivre, notamment en termes de retour élastique après le processus de flexion, ce qui influe à son tour sur la précision dimensionnelle et peut entraîner des problèmes lors de la production. De plus, l’isolation doit également répondre à certaines exigences : elle ne doit présenter aucune fissure, même en cas de déformation importante, et doit être facile à transformer tout en étant aussi fine que possible.
- Il est donc essentiel de bien connaître l’élasticité. Afin de déterminer avec précision la plage élastique du fil isolé lors de l’essai de traction, ZwickRoell dispose d’un extensomètre à mesure bilatérale de très haute résolution, capable de mesurer séparément le module d’élasticité des deux côtés de l’éprouvette. Cela permet de garantir des résultats d’essai très précis.
- Pour déterminer la déformation plastique jusqu’à la rupture, l’allongement de l’éprouvette est enregistré à l’aide d’un capteur à palpeur makroXtens.
Essai de flexion sur hairpins
Un essai de flexion 3 points classique avec extensomètre permet de caractériser le comportement en flexion afin de déterminer un module de flexion, mais aussi de vérifier le retour élastique. Cet essai peut être utilisé dans le domaine du contrôle qualité ainsi que pour la validation de modèles de simulation.
Essais de torsion pour simuler le processus de production des hairpins
Pour simuler le processus de production, ZwickRoell dispose d’un système d’essai de torsion qui permet de simuler la torsion de l’hairpin à la vitesse réelle de production à l’aide d’un outil de flexion-torsion réglable de manière modulaire.
- L’outil d’essai permet de s’adapter facilement à la géométrie de l’hairpin et de régler différents rayons de courbure. Grâce au logiciel d’essai testXpert connecté à la machine, il est en outre possible de régler différentes vitesses de flexion et même de mesurer l’angle du retour élastique.
- De nombreux paramètres du processus peuvent ainsi être examinés et analysés séparément. La combinaison avec la caractérisation mécanique permet d’établir des corrélations qui aident à mieux comprendre les processus et à améliorer encore la qualité.
Essais de charge dynamique sur tôles magnétiques pour moteurs électriques
Les tôles magnétiques sont des tôles d’acier hautement spécialisées utilisées dans les moteurs électriques pour conduire le flux magnétique et augmenter ainsi l’efficacité du moteur. Leurs propriétés mécaniques et magnétiques sont déterminantes pour les performances du moteur, en particulier aux régimes élevés et sous charges dynamiques, comme c’est le cas dans les véhicules électriques.
Dans l’industrie sidérurgique, le développement de nouvelles tôles magnétiques innovantes est actuellement un sujet très tendance. L’arrivée de nouveaux matériaux s’accompagne toujours de nouveaux phénomènes de formage et de transformation qui doivent être parfaitement compris et caractérisés.
L’essai de tôles magnétiques est indispensable pour caractériser non seulement leurs propriétés mécaniques générales, mais aussi leur comportement magnétique et leur résistance à la fatigue. Des propriétés magnétiques défectueuses ou médiocres peuvent nuire considérablement à l’efficacité du moteur et entraîner des pertes d’énergie inutiles. Les tôles magnétiques sont généralement fabriquées par un processus d’estampage, le bord ainsi renforcé de la tôle pouvant, d’une part, entraîner des fissures sur les bords et donc une défaillance prématurée et, d’autre part, influencer le flux magnétique. Une bonne caractérisation des tôles est donc nécessaire.
Essais de charge dynamique : Les tôles magnétiques sont soumises à des charges dynamiques afin de tester leur résistance à la fatigue et leur réaction dans des conditions réelles d’utilisation. Pour cela, ZwickRoell propose des systèmes d’essai servo-hydrauliques compacts qui, grâce à leur vérin d’essai monté dans la traverse inférieure, sont particulièrement adaptés à une utilisation à des températures élevées.
Essai statique de matériaux sur des tôles magnétiques pour moteurs électriques
Afin de garantir le bon fonctionnement mécanique des tôles magnétiques des moteurs électriques pendant leur transformation et leur utilisation, les méthodes d’essai statiques classiques telles que l’essai de traction selon les normes ISO 6892-1 et ASTM E8 jouent un rôle important pour déterminer les caractéristiques des matériaux telles que le module d’élasticité, la limite d’élasticité, la résistance à la traction et l’allongement à la rupture. Elles fournissent des informations fondamentales sur le comportement mécanique du matériau sous contrainte quasi statique et sont essentielles pour le choix des matériaux et l’assurance qualité des matériaux, par exemple pour les stators et rotors des moteurs électriques.
Les tôles magnétiques sont souvent très fines (généralement entre 50 et 100 micromètres) et à très gros grains. Cela peut entraîner des comportements de formage et de rupture très complexes.
- La norme DIN 50154, qui définit l’essai de traction sur des éprouvettes fines d’une épaisseur nominale inférieure à 200 µm, constitue donc une bonne alternative à la norme ISO 6892. Les valeurs d’essai statique ne suffisent souvent pas à elles seules pour prédire le comportement local à la rupture lors des processus de formage. Les deux méthodes d’essai normalisées sont déjà proposées comme programmes d’essai dans le logiciel d’essai testXpert de ZwickRoell, de sorte que tous les paramètres d’essai importants sont déjà préréglés.
- L’essai de formage de tôles aide à étudier le comportement à la rupture dans des processus de formage réalistes (par exemple, l’emboutissage) et fournit des informations sur la formabilité et la tendance à la fissuration.
- Un essai d’élargissement du trou permet d’analyser la sensibilité à la fissuration des arêtes des tôles magnétiques. ZwickRoell propose ici une détection optique des défaillances assistée par IA, garantissant ainsi des résultats hautement reproductibles et indépendants de l’utilisateur.
Étude scientifique sur les tôles magnétiques
Analyse multifonction des propriétés mécaniques et magnétiques des tôles magnétiques
Dans le cadre d’un projet de recherche de la DFG (Fondation allemande pour la recherche), auquel ont participé de nombreuses universités, des installations ZwickRoell ont été utilisées dans plusieurs études. Il a été démontré qu’un processus de gaufrage permettait d’introduire de manière ciblée des contraintes internes dans la tôle magnétique. Ces contraintes internes influencent le flux magnétique dans la tôle, ce qui permet d’augmenter l’efficacité. À l’aide d’un outil développé dans le cadre du projet de recherche, le comportement magnétique du matériau a pu être mesuré in situ lors d’un essai de traction.
Voir la photo dans le rapport de recherche de la DFG « Increased Efficiency of Electrical Steel by Targeted Residual Stress » Page 206, paragraphe 12.4
À PROPOS DE L’AUTEUR :
Responsable du secteur Global Industry Management
- Responsable du développement stratégique des solutions d’essai dans le domaine Mobility & Battery chez ZwickRoell
- Spécialiste des essais mécaniques de matériaux et de composants dans l’industrie automobile
- Longue expérience dans la recherche à l’Université technique de Munich (technologie du formage et de la fonderie (utg)
- Direction de nombreux projets de recherche bilatéraux avec de grands constructeurs automobiles
- Spécialisation : Caractérisation des matériaux de tôles et expériences de diffraction in situ
- Doctorat en 2023 sur le thème : Caractérisation élastoplastique d’aciers à haute résistance