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iCARe®: la gamme des aciers électriques ArcelorMittal pour l'industrie automobile

À propos d'iCARe®

iCARe® est la gamme d'aciers électriques innovants d'ArcelorMittal pour le marché de l'automobile. Les aciers iCARe® aident les constructeurs automobiles et contribuent au développement de solutions de mobilité respectueuses de l'environnement au bénéfice d’un monde plus « vert ».

Ces valeurs sont au cœur de la marque iCARe®. Il est essentiel de trouver des solutions innovantes (i) et respectueuses de l’environnement (e) pour la voiture (CAR) de demain.

Introduction

Les aciers iCARe® d’ArcelorMittal regroupent des nuances d’acier électrique standard et haute performance, spécifiquement conçues pour répondre aux besoins particuliers des constructeurs de véhicules électriques et hybrides. Nos aciers iCARe® se caractérisent par une grande perméabilité, des niveaux de pertes réduits et une excellente limite d’élasticité.

La richesse de la gamme iCARe® offre des solutions techniques permettant aux constructeurs automobiles de :

  • Réduire les émissions de CO2 et la consommation de carburant des véhicules hybrides
  • Allonger l’autonomie avec la technologie actuelle de batterie
  • Réduire le coût total de l’électrification
  • Améliorer la densité de puissance des machines électriques et ainsi réduire l’encombrement et le poids du groupe motopropulseur.

L’offre iCARe®

L'offre iCARe® d'ArcelorMittal se compose de quatre gammes d’aciers : Save, 420 SaveTorque et Speed. Chacune d'entre elles a spécifiquement été conçue pour une application type dans le domaine de l’électro-mobilité. ArcelorMittal offre également aux constructeurs une assistance technique de pointe pour exploiter tout le potentiel de l’offre iCARe®.

Save

Caractérisé par de très faibles pertes, Save est idéal pour l’efficacité de la machine électrique. Son rôle majeur est d’optimiser l’utilisation du courant provenant de la batterie. Voir la fiche iCARe® Save pour plus d’infos sur l’offre.

420 Save

Ces nuances Save combinent des très faibles pertes et une limite d’élasticité supérieure par rapport aux nuances Save standard. La limite d’élasticité minimale garantie des nuances 420 Save est de 420 MPa. Cette résistance d’élasticité supérieure et garantie des aciers 420 Save permet de concevoir des rotors de meilleure qualité et contribue à obtenir des machines électriques dont les performances générales sont supérieures.

Torque

La gamme d'aciers Torque offre une haute perméabilité accrue et assure les plus hauts niveaux de puissance mécanique utile pour un moteur ou de production électrique pour un générateur. La polarisation garantie est plus élevée que pour les aciers Save. Voir la fiche iCARe® Torque pour plus de détails.

Speed

Un groupe d’aciers électriques spécifiques à très haute résistance pour les rotors grande vitesse qui maintiennent un niveau élevé de performance magnétique. Ces nuances permettent de réaliser une machine plus compacte et avec une densité de puissance accrue. Les limites d’élasticité et les propriétés magnétiques de ces aciers sont garanties. La fiche iCARe® Speed donne toutes les infos utiles.

Revêtements pour iCARe®

Les vernis pour aciers électriques à grains non orientés sont conçus pour accroître la performance des aciers électriques Fully-Process. Leur rôle est principalement de fournir une isolation interlaminaire et d’améliorer la découpabilité de l’acier. ArcelorMittal recommande l'utilisation de revêtements C5 pour les aciers électriques iCARe®. Ils conviennent aux nuances Fully-Process pour les moteurs et compresseurs électriques et hybrides. On peut utiliser des solutions non revêtues pour les alternateurs. De plus amples informations sur l’utilisation de ces revêtements sont disponibles dans la fiche Revêtements pour iCARe®.

Assistance technique de pointe

Pour les constructeurs qui souhaitent exploiter le plein potentiel des aciers iCARe®, ArcelorMittal offre une assistance technique de pointe, notamment pour la modélisation, le prototypage et la mise en œuvre du matériau.

  • Services de modélisation machine d'ArcelorMittal

En tant que fournisseur d’acier, ArcelorMittal offre à ses clients toute l’aide dont ils ont besoin pour choisir l’acier le plus adapté et pour la conception de la machine électrique. Ce niveau d’assistance repose sur notre expertise de pointe en R&D et sur l’équipement high-tech de nos centres de recherche. Pour de plus amples informations, voir la fiche Assistance technique iCARe®.

  • Services de prototypage

Nos services de modélisation permettent aux ingénieurs de conception d’effectuer des calculs très précis, qui réduisent le nombre de prototypes nécessaires avant la pré-série. L’étape du prototypage demeure toutefois essentielle pour valider les performances de la machine. ArcelorMittal fournit des échantillonnages pour caractérisation à l’aide d’un cadre Epstein et essai de traction, puis pour test de découpe au laser. Au stade de la validation industrielle, ArcelorMittal peut fournir de petites bandes refendues pour la mise au point du découpage et de l’assemblage.

  • Problèmes liés à la mise en œuvre du matériau

La réalisation de prototypes ou la production en série peut comporter des procédés de fabrication susceptibles de dégrader les propriétés des aciers Fully-Process que nous fournissons. Un support R&D avancé est disponible pour aider les clients à évaluer l’impact des procédés de mise en œuvre sur la performance magnétique de l’empilement de tôles feuilletées.

Guide de sélection

Domaine

Applications Substrats

GMP

 

 

 

 

 

Alternateurs haut rendement

Torque Save    

Alternateurs

Torque Save    

Démareurs haut rendement

Torque Save    

Machine synchrone à aimants permanents (MSAP) pour traction centralisée

Save 420 Save Torque Speed

MSAP pour moteur-roue

Save 420 Save    

MSAP pour génération de courant

Save 420 Save Torque Speed

Machine synchrone à rotor bombiné (MSRB) pour traction

Torque Save    

MSRB pour génération de courant

Torque Save    

Machine à reluctance commutée (MRC) pour traction

Save 420 Save    

Machine à induction (MI) pour traction

Torque Save 420 Save  

MI pour génération de courant

Torque Save 420 Save  

Auxiliaires hautes performances

Compresseur de systèmes de chauffage ventilation et climatisation

Save Torque    

Bobine d'allumage

Save      

Compteurs tableau de bord

Save      

Contrôleurs hybrides

Save Torque    

Offre d’aciers électriques ArcelorMittal

Afin d’utiliser au maximum l’énergie fournie par la batterie, tous les éléments d’un véhicule électrique doivent être optimisés en termes d’allègement et de rendement. C’est particulièrement important pour le moteur électrique et le générateur qui forment le cœur du groupe moto-propulseur.

Les solutions d'acier électrique iCARe® d’ArcelorMittal permettent d’apporter des améliorations substantielles à la machine électrique et améliorent la performance batterie. La conjugaison des avantages d’allègement et de rendement augmente l’autonomie du véhicule, qui peut rouler plus longtemps sur une seule charge.

La gamme iCARe® d’ArcelorMittal se compose d’aciers électriques spécifiquement destinés aux applications exigeant une forte densité de puissance et un couple élevé. Ils permettent aux systèmes électriques du véhicule de fonctionner plus efficacement, en exploitant au mieux la puissance disponible et en augmentant le couple utile. Une machine optimisée à l’aide des aciers iCARe® offre en outre des réductions pondérales grâce à la diminution du nombre d’aimants et des enroulements de cuivre. Elle peut ainsi contribuer à abaisser les coûts.

Importance de la polarisation

Le taux d’induction atteint dans l’entrefer qui sépare rotor et stator détermine le couple que peut délivrer le moteur. Dans le cas d’un starter de voiture, ce couple de démarrage est très important. À faible vitesse, la qualité de l’acier électrique utilisé peut faire une grande différence dans le comportement dynamique des véhicules électriques.

Importance des pertes

La machine électrique est un système qui convertit l’énergie électrique en énergie mécanique (ou vice-versa). Le couple généré dans le moteur de démarrage est dû à une polarisation créée dans l’acier sous l’effet d’un champ magnétique. Le champ magnétique peut être créé en faisant circuler du courant dans un enroulement de fil de cuivre autour de l’acier.

Le point important est que le champ magnétique produit un changement dans la structure magnétique de l’acier, en équilibre avec le champ appliqué, ce qui provoque un certain niveau de polarisation.

Dans un cycle de courant alternatif, le champ magnétique s’inverse à un moment donné, mais la structure magnétique interne de l’acier ne peut s’adapter immédiatement. Il y a un temps de retard dans la réaction : c’est ce qu’on nomme l’hystérésis, qui est liée à des phénomènes irréversibles se produisant dans l’acier.

L’hystérésis est responsable de pertes d’énergie appelée « pertes fer ». À mesure que l’acier se réchauffe, le moteur devient chaud car une partie de l’électricité fournie au moteur se transforme en chaleur plutôt qu’en énergie mécanique utile. Lorsque le cycle s’accélère, et donc que les fréquences électriques s’élèvent, ces pertes deviennent plus importantes. Si on réduit les pertes fer dans les tôles feuilletées de la machine, on peut augmenter la quantité d’énergie batterie disponible sur un véhicule électrique ou hybride.

Conductivité thermique

La chaleur générée dans une machine électrique doit être évacuée pour en assurer la sécurité de fonctionnement. Si la chaleur n’est pas correctement dissipée, elle aura un impact sur les performances en termes de puissance ou de production de courant.

La chaleur est générée par les pertes fer susmentionnées, ainsi que par les pertes dues aux aimants permanents ou aux bobinages de cuivre. En fait, l’isolation des bobinages de cuivre est un facteur critique dans l’équilibre thermique d’une machine. La chaleur peut être évacuée par :

  • les tôles de rotor vers l’arbre du rotor,
  • l’entrefer,
  • les tôles de stator vers le boîtier. Dans ce cas, il est important de choisir pour ces tôles des aciers ayant une bonne conductivité thermique.

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques des aciers pour applications électriques doivent être adaptées pour permettre une bonne découpabilité. La découpe doit former des rives nettes et tranchantes. Sinon, des courts-circuits dans le champ magnétique peuvent survenir entre les tôles assemblées et le bord de l’acier peut se déformer, ce qui dégrade ses propriétés magnétiques. Cependant, ces facteurs doivent être pondérés au regard de la vie utile de l’outil de découpe.

Les aciers Fully-Process d’ArcelorMittal sont optimisés pour la découpabilité. Il est également possible de réduire l’usure de l’outil en ayant recours à un revêtement adapté.

Pour les machines à traction hybride et électrique, les exigences mécaniques de l’acier vont au-delà de la découpabilité. Une technique permettant d’obtenir une densité de puissance accrue consiste à mettre en œuvre des rotors grande vitesse. Les tôles de rotor doivent alors résister à des forces centrifuges, électromagnétiques et dynamiques supérieures quand le rotor accélère et ralentit. Les tôles feuilletées ont souvent des configurations très complexes, comme de la dentelle. Pour les ingénieurs, il n’est pas toujours simple de satisfaire les exigences de résistance à la fois dans les situations normales et exceptionnelles.

Trouver l’équilibre

Les limitations des batteries peuvent être atténuées si l’énergie batterie disponible est exploitée de manière optimale. Cela exige des aciers électriques légers à haute performance, qui se caractérisent par de très faibles pertes. Dans l'industrie automobile, trouver l’équilibre entre pertes, perméabilité, polarisation de saturation, conductivité thermique, résistance à la traction et limite d’élasticité est un paramètre crucial pour les aciers électriques.

L’expérience d’ArcelorMittal comme fournisseur d’aciers électriques dans le domaine automobile nous a permis de développer les aciers qui répondent à ces défis. Nous savons que les meilleures solutions de moteur électrique utilisent des aciers électriques différents pour le stator et le rotor. Le stator nécessite des nuances d’acier présentant de faibles pertes et une perméabilité élevée, alors que le rotor exige des nuances à haute résistance.

Optimisation de l’ensemble des composants électriques du véhicule

Les applications électriques embarquées dans un véhicule font l’objet de multiples optimisations dans le cadre d’un processus de progrès continu. Le processus a commencé par la réingénierie de l’équipement électrique auxiliaire comme les alternateurs et les démarreurs. Il y a eu ensuite le déploiement de machines électriques pour la traction, d’abord dans les véhicules hybrides, puis progressivement dans des véhicules exclusivement électriques. Ces évolutions ont amené d’importants progrès dans les composants électriques individuels.

Demande d’énergie accrue sur les alternateurs

Les alternateurs ont toujours fourni l’électricité qui alimente la pompe à huile moteur, le système de refroidissement du moteur, les moteurs de siège et lève-vitres et autres applications embarquées. Depuis les années 1970, la demande d’électricité à bord des véhicules ne cesse d’augmenter avec l’apparition de nouveaux dispositifs de sécurité et de confort. Répondre à cette demande implique nécessairement un accroissement de l’électricité générée par le véhicule.

Le développement des alternateurs à haut rendement permet de produire davantage de courant sans augmenter la quantité d’énergie mécanique tirée du moteur à explosion. Et donc sans augmenter la consommation de carburant.

Évolutions des démarreurs

Jusqu’à récemment, les démarreurs n’intervenaient généralement qu’au début du cycle de conduite : pour lancer le moteur à explosion. Les choses ont changé avec l’apparition des systèmes start-stop qui coupent le moteur thermique, au feu rouge par exemple, et le redémarrent automatiquement quand le conducteur appuie sur l’accélérateur. Les systèmes start-stop peuvent diminuer de 5 % la consommation de carburant et les émissions d’équivalent CO2 (éq CO2).

Pour permettre cette nouvelle technique, les démarreurs ont été complètement revus de façon à assurer à la fois la fonction de démarrage à froid en début de cycle et la fonction de redémarrage répétitif à chaud. Les démarreurs mis en œuvre dans les systèmes start-stop sont d’une grande efficacité.

Le grand défi des moteurs électriques de traction pour l’automobile

Le niveau d'électrification du groupe moto-propulseur a progressé au point de remplacer aujourd'hui le moteur thermique par une ou plusieurs machines électriques. Ces machines composent alors une chaîne de traction tout électrique.

Même si un concepteur opte pour la motorisation électrique, d’autres considérations entrent en jeu. Par exemple, si le véhicule est doté d’une machine électrique plus puissante, il sera possible de récupérer davantage d’énergie lors du freinage. La batterie doit néanmoins être capable d’accepter de tels transferts d’énergie.

Entre les véhicules à moteur thermique et tout électrique s’échelonnent de multiples solutions intermédiaires qui associent les deux techniques. Ces configurations hybrides revêtent de nombreuses formes, chacune traduisant un ensemble de compromis entre combustibles fossiles et énergie électrique. Ces compromis découlent du fait que les concepteurs doivent faire des choix entre coût du moteur thermique et avantages de la machine électrique. Le coût de la batterie et les contraintes environnementales sont les principaux critères de décision.

Si l'on option pour une solution hybride, les économies de carburant dépendent du niveau d’hybridation. Il existe en général deux options :

  • L’option « mild hybrid » qui réduit la consommation de carburant de 15 % environ avec un moteur électrique de puissance moyenne et une batterie moins grande.
  • L’option « full hybrid » qui peut diminuer la consommation de carburant de 30 % avec un moteur électrique plus puissant et une capacité de batterie supérieure.

Les véhicules équipés de machines de traction électriques gagnent en importance. Contrairement aux véhicules à carburant fossile, la voiture tout électrique ne génère que très peu d’émissions polluantes en utilisation. Cela en fait une option attractive pour les constructeurs automobiles en quête de stratégies efficaces pour se conformer aux règles toujours plus sévères en matière d’émissions.

Il reste néanmoins d’importants défis à relever avant que les véhicules électriques ne soient largement adoptés par le grand public. Des doutes subsistent concernant l’infrastructure, notamment un réseau suffisant de stations de recharge ainsi que le coût, l’autonomie et la longévité des véhicules eux-mêmes.

Une bonne part de ces questions sont liées à la batterie du véhicule électrique. Les batteries classiques sont de type plomb-acide, une technologie extrêmement lourde, chère, à charge lente et de capacité limitée.

Les nouvelles technologies de batterie offrent de meilleures capacités, mais le coût et le poids de la batterie limitent l’autonomie des véhicules tout électriques. C’est un axe majeur de développement dans le secteur de l’électromobilité actuel.

iCARe® SaveiCARe® 420 SaveiCARe® TorqueiCARe® SpeedCoatings for iCARe®

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