EP4479990A1 - Procede de fabrication d'un aimant multipolaire a flux oriente - Google Patents

Procede de fabrication d'un aimant multipolaire a flux oriente

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EP4479990A1
EP4479990A1 EP23706829.1A EP23706829A EP4479990A1 EP 4479990 A1 EP4479990 A1 EP 4479990A1 EP 23706829 A EP23706829 A EP 23706829A EP 4479990 A1 EP4479990 A1 EP 4479990A1
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EP
European Patent Office
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magnet
mold
magnetization
during
tool
Prior art date
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Pending
Application number
EP23706829.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Benjamin DAGUSE
Sabrina Siham AYAT
Pierre Jean SALLOT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of EP4479990A1 publication Critical patent/EP4479990A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0253—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing permanent magnets
    • H01F41/0273—Imparting anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
    • H02K15/038—Polarising or magnetising the permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/032—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials
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    • H01F1/06—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder
    • H01F1/08—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder pressed, sintered, or bound together
    • H01F1/086—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder pressed, sintered, or bound together sintered
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • B22F2003/1051—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding by electric discharge
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2202/00—Treatment under specific physical conditions
    • B22F2202/05—Use of magnetic field
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding

Definitions

  • TITLE PROCESS FOR MANUFACTURING A DIRECTED FLUX MULTIPOLAR MAGNET
  • the invention relates to a method for manufacturing a magnet, and in particular a flux-oriented multipolar magnet for an electric machine rotor of the electric motor, generator or sensor type, and a tool making it possible to implement this method.
  • unidirectional magnets which have a unidirectional orientation between their two North and South poles
  • variable orientation magnets which have a continuously variable orientation between their two North and South poles.
  • the latter have asymmetrical field lines on either side of the magnet, and are therefore called flux-oriented magnets because the fields they generate are of higher intensity on one side of the magnet. than on the other with respect to the North/South orientation.
  • a flux-oriented multipolar annular magnet constitutes a so-called Halbach magnet network which has the advantage of increasing the magnetic field on one side of the magnet while almost completely eliminating the magnetic field on the other side. .
  • such a magnet In the context of the manufacture of an electric machine rotor, such a magnet also has the advantage of being one-piece. Indeed, in a conventional design using unidirectional magnets, it is necessary to stick a large number of these magnets on an annular support. Such an operation is not very advantageous in terms of manufacturing time and cost, whereas a design implementing a one-piece magnet makes it possible to reduce manufacturing times.
  • Document EP-3637060-A2 describes a method of manufacturing such a magnet.
  • a process comprises a first step during which materials are selected intended to provide metal powders for magnet. These materials are melted in an induction furnace, then the ingots obtained undergo a first phase of grinding to obtain grains close to 500 pm in size and which are then pulverized by ball milling or pressurized gas jet milling to reach a size close to 10pm.
  • the magnetic field generated by the first magnetization tool is stopped, and during a sixth step, the magnet blank thus obtained is densified by a conventional sintering process.
  • This blank can then be machined during a seventh step, then magnetized definitively during an eighth final magnetization step.
  • This method has several drawbacks.
  • this method is limited to obtaining simple shapes that are easy to unmold.
  • the stages of pressing at room temperature, densification and final magnetization are separated and generally carried out in independent tools, which increases the complexity of the production range and generates long manufacturing times. It also induces a problem of repositioning the magnet blank to be magnetized between the different stages, in order to reinforce the final magnetic field of the magnet, since during the eighth stage of final magnetization, the blank must be oriented in the same position as during the fourth step. This point is all the more critical for Shaped Field magnets, for which the angular difference between the cold magnetization step and after densification must be minimized.
  • the densification step is very often carried out without the blank being maintained under pressure, in so-called "free" sintering, which requires, in order to reach high levels of densification greater than 90%, times and high densification temperatures.
  • the cold magnetization steps require a lot of energy to saturate the material, and therefore high capacity magnetization tools, which is limiting in the case of the creation of a rotating field because the total energy consumed is distributed over a wide range of angular domains of the field, with the consequence of a reduction in the amplitude of the field for each orientation.
  • the invention overcomes these drawbacks by proposing a new manufacturing process in which the steps of pressing at room temperature and of densification are carried out in the same tool and in which the densification step is carried out by flash sintering SPS, (acronym Anglo -Saxon of Spark Plasma Sintering), or arc plasma sintering.
  • the invention proposes a method for manufacturing a rotor magnet of an electric machine, said method comprising a first phase of producing a magnet blank comprising:
  • the method further comprising a second phase of finishing the magnet blank comprising at least one step of machining the magnet blank and a step of final magnetization of the magnet blank, to obtain the magnet, characterized in that, during the third step, the mold is placed in a densification chamber, in that the sixth step is carried out by SPS flash sintering in said densification chamber.
  • the method forming the subject of the invention makes it possible to carry out the steps of pressing at room temperature and of densification in the same tool, which eliminates the transfer times from one tool to another and the positioning errors. angular.
  • conducting the densification step by SPS flash sintering makes it possible to substantially reduce the duration of this step because it is therefore no longer necessary to carry out a long temperature rise in the enclosure in which the densification is carried out.
  • the second phase of finishing the magnet blank comprises, according to a first variant:
  • the steps of pressing at ambient temperature, densification and magnetization are advantageously all carried out in the same tool, which allows a substantial time saving and a reduction in the number of tools involved.
  • the eighth densification step which is carried out while the magnet blank is cooling while still being at a temperature close to its Curie temperature, also makes it possible to strongly magnetize the material while limiting the energy consumed by the first tool magnetization, because the orientation of the magnetic domains or Weiss domains in the material is easier to achieve and less energy-intensive at a temperature close to the Curie temperature.
  • the second phase of finishing the magnet blank comprises, according to a second variant:
  • the steps of pressing at room temperature and of densification are advantageously carried out in the same tool, which allows a substantial time saving and a reduction in the number of tools involved.
  • the magnetization step is, as for it, carried out in a second tooling of magnetization independent of the mould. This releases the mold to prepare another magnet.
  • the ninth magnetization step in the second phase of finishing the magnet blank, according to a third variant, can also be carried out in a second magnetization tool independent of the mold consisting of a stator of an electric machine intended to receive the magnet.
  • This ninth step (ET'9) of magnetization is therefore an in situ magnetization.
  • the powder is densified by rapidly raising its temperature to between 900 and 1200°C.
  • the invention also relates to a device for implementing the manufacturing method of the type described above, which comprises at least:
  • a metal mold comprising a fixed die delimiting a cavity and at least one punch which is complementary to a section of the cavity, and which is moved by a hydraulic press between a position outside the cavity and a position in which it closes the cavity and enters said cavity according to a determined stroke
  • an SPS flash sintering tool comprising at least one pulsed current generator, current conducting means arranged in said die and said punch, and an enclosure containing the mold capable of being selectively evacuated or filled with an inert gas,
  • a first magnetization tool comprising an annular magnetic circuit housed in the enclosure and surrounding the mould.
  • the device further comprises an annular heat shield interposed between the mold and the magnetic circuit,
  • the device also comprises an annular cooling exchanger arranged around the magnetic circuit inside the enclosure,
  • the device is configured for the manufacture of a multipolar annular magnet with oriented flux of axis X, and: • the mold cavity is annular with an X axis,
  • the annular magnetic circuit of the first magnetization tool comprises a substantially annular magnetic core traversed on axis X by a plurality of magnetic coils with axes parallel to axis X and angularly distributed in a regular manner around said axis X.
  • the magnetic core is crossed by a number of magnetic coils comprised between 4 and 16, and preferably between 8 and 16,
  • the mold is made of graphite or based on Tungsten carbides or ternary carbides,
  • the current conductor means are graphite conductors.
  • the invention also relates to an installation for manufacturing a multipolar annular magnet with X-axis oriented flux in accordance with the second and third variants of the manufacturing method described above, characterized in that it comprises a manufacturing device and a second tool of external magnetization to said manufacturing device and of similar configuration to the first magnetization tool, capable of surrounding the magnet blank.
  • the second magnetization tool is a stator of an electric machine, one rotor of which is intended to receive the flux-oriented magnet.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of the principle of a unidirectional magnet
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the principle of a magnet with variable orientation or oriented flux
  • Figure 3 is a perspective view of a conventional electric machine rotor ring comprising unidirectional magnets
  • FIG. 4 is a perspective view of an electric machine rotor ring according to the invention comprising flux-oriented multipole magnets
  • Figure 5 is a schematic view of the steps of a conventional method of manufacturing a magnet
  • Figure 6 is a principle view of a manufacturing device according to the invention.
  • Figure 7 is an axial half-sectional view of a first manufacturing device according to the invention.
  • Figure 8 is a perspective view of part of the first device of Figure 7;
  • Figure 9 is a perspective view with cutaway of the part of the first device of Figure 7;
  • Figure 10 is a cross-sectional view of a second manufacturing device according to the invention.
  • Figure 1 1 is a developed view of the magnetic circuit of a first variant of the device of Figure 10;
  • Figure 12 is a developed view of the magnetic circuit of a second variant of the device of Figure 10;
  • FIG. 13 is a block diagram illustrating the steps of a first variant of the manufacturing method of the invention.
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating the steps of second or third variants of the manufacturing method of the invention,
  • FIG. 1 schematically illustrates a rectilinear unidirectional magnet 10 known per se from the state of the art.
  • such a magnet has a unidirectional orientation of its magnetic field B between its two North N and South S poles and the field lines 12 generated by the magnet are distributed substantially symmetrically on both sides. other side of a North-South axis 14 of the magnet 10.
  • Magnets with variable orientation such as for example the magnet 16 which has been represented in FIG. 2, have a variable orientation of their magnetic field which is thus capable of following several directions comparable to magnetic fields B1, B2, B3, B4, B5, etc , between their two North N and South S poles, and this continuously between their two North N and South S poles.
  • the field lines are not distributed symmetrically on both sides of the magnet 16.
  • the field lines 18 are very close together , a sign of a high intensity magnetic field, whereas on the other side of the North-South axis 14, the field lines 18 are further apart, a sign of a weaker intensity magnetic field.
  • the invention relates more particularly to the manufacture of an annular magnet for an electric machine rotor for which it is desired to maximize the magnetic field outside the magnet in order to maximize the magnetic fields between the rotor and the stator of the electrical machine that surrounds the rotor. This makes it possible to improve the efficiency of the electric machine comprising such an annular magnet.
  • FIG. 3 represents an annular rotor 22 comprising a plurality of unidirectional magnets 12.
  • a rotor 22 comprises an annular support 24 on which unidirectional magnets 12 are glued.
  • it is a little less than 400 magnets 12 which must be glued to the support 24. This is an extremely time-consuming operation and which does not make it possible to obtain a rotor 22 providing the best performance.
  • FIG. 4 a rotor 26 thus comprising eight flux-oriented multipolar annular magnets 20 .
  • This configuration makes it possible to avoid the use of a support such as the support 24 previously described and considerably reduces the number of magnets to be assembled.
  • FIG. 5 illustrates the steps of a conventional method for obtaining a magnet 20.
  • the method mainly comprises a first phase P1 of producing a magnet blank, and a second phase P2 of finishing the magnet blank. 'magnet
  • the first phase P1 of making the magnet blank includes a first step ET1 during which metal powders for the magnet are supplied.
  • This first step ET1 includes a sub-step SET1 during which raw materials 28 such as Samarium Sm, Cobalt Co, Iron Fe, Copper Cu, and Zirconium Zr are collected.
  • the first step ET1 comprises a sub-step SET2 during which the raw materials 28 are melted in an induction furnace 30, then a sub-step SET3 during which they are ground in a grinder 32 until obtaining particles with a size of less than 500 ⁇ m and a sub-step SET4 during which they are pulverized in an installation 34 for ball milling or pressurized gas jet milling until particles with a size of less than 10 ⁇ m are obtained .
  • a fourth step ET4 of pressing under a magnetic field the powders 36 are pressed at room temperature to obtain a magnet blank 42, and they are simultaneously subjected to a magnetic field B generated by the first magnetization tool. 36.
  • the purpose of this operation while compacting them, is to orient the grains of the powder in a preferential direction in which subsequent definitive magnetization will be established more easily than in other directions.
  • a magnet blank 42 is obtained.
  • the magnetic field generated by the first magnetization tool is stopped, and during a sixth step ET6, the magnet blank 42 is densified by a conventional sintering process such as an oven 44.
  • This second phase P2 comprises at least one step of machining ET7 of the magnet blank in a machining machine 46 and a final magnetization step ET8 of the magnet blank in a magnetizing tool 48, to obtain the final magnet 20.
  • the densification step is conventionally carried out in an enclosure heated to high temperature such as the oven 44.
  • the introduction of the magnet blanks 42 into the oven 44 requires that the latter be initially at a temperature close to ambient temperature before to cause its rise in temperature, which, given the fact that the densification itself is a long-term operation requiring several hours, induces a total immobilization time of the magnet blank 42 in the furnace which is particularly high.
  • the invention overcomes this drawback by proposing a method in which, during the third step ET3, the mold 38 is placed in a densification enclosure, this enclosure being a particular enclosure allowing, during the sixth step ET6 of performing SPS flash sintering in this densification chamber.
  • SPS flash sintering an English acronym for Spark Plasma Sintering (SPS) is a pressure sintering process based on the use of the Joule effect to heat and densify powder particles.
  • the powder to be sintered is placed in a matrix of graphite, steel, or tungsten carbide, between two conductive electrodes, which further subject it to uniaxial pressure.
  • a direct current of very high intensity, of successive pulsations and of defined frequency crosses the matrix, the electrodes and the powder, which allows a very rapid rise in temperature and complete sintering in a few minutes.
  • the device 50 comprises at least one metal mold 38 comprising a fixed die 52 delimiting a cavity 54 and at least one punch 56.
  • the punch 56 is complementary to a section of the cavity 54, and it is mu by a cylinder 57 of a hydraulic press between a position outside the cavity 54 and a position in which it closes off the cavity and enters said cavity 54 according to a determined stroke.
  • the device 50 has been represented as comprising two opposite punches 56, but this configuration is not limiting of the invention.
  • the device 50 further comprises an SPS flash sintering tool comprising at least one pulsed current generator 58, current conductor means 60 arranged in the die 52 and the punches 56. Typically, these current conductor means are base conductors. of graphite. tooling also includes a densification enclosure 64 containing the mold 38, which is capable of being selectively evacuated or filled with an inert gas.
  • the device 50 comprises a first magnetization tool 66, comprising an annular magnetic circuit 68 housed in the enclosure 64 and surrounding the mold 38.
  • the device 50 it is therefore possible to dispose of the powders with a grain size ⁇ 10 ⁇ m (Samarium-Cobalt SmCo, Neodymium NdFeB, Ferrites or others) used during step ET3 to design a magnet.
  • These powders are placed in the mold 38 made of graphite or WC (tungsten carbides) or MAX phase ceramic (ternary carbides), having the shape of the part to be produced with the punches 56 closing the cavity 54 of the mold.
  • the magnetization tool 66 is positioned around the mold 38 and the assembly is placed in the densification chamber 64.
  • step ET4 the densification enclosure 64 is placed under vacuum and the magnetic field produced by the first magnetization tool 66 is then applied.
  • An increasing pressure of less than 100 MPa is then applied, without heating, by the punches 56 to the mold until the movement of the jacks 57 stops.
  • the magnetic field is switched off by following step ET5 and the atmosphere in the densification chamber 64 is adapted by injecting a suitable atmosphere such as an inert gas instead of vacuum.
  • step ET6 a pulsed current is supplied by generator 58 to mold 38 in order to rapidly raise its temperature to between 900 and 1200° C. and thus to densify the powder.
  • the stress exerted by the jacks 57 can be controlled during this step, by bringing it back to 0 MPa then by increasing it again according to different levels, independently. In any event, the pressure applied remains below 100 MPa. Then a temperature level is applied for a period of 5 to 40 minutes until complete densification of the powders. We then obtain the magnet blank 42.
  • a second phase P2 of finishing the magnet blank 42 comprising at least one step of machining the magnet blank 42 and a final magnetization step of the magnet blank 42, to obtain the magnet.
  • This second phase P2 can take place partly in the device 50 or outside the device 50.
  • the second phase P2 of finishing the magnet blank 42 first comprises a seventh step ET7 during which the pressure exerted by the punches 56 is removed, the heating is turned off and the magnet blank 42 is allowed to cool down to a Curie temperature of the magnet.
  • the cooling temperature is, for example, controlled using a thermocouple inserted into the mould.
  • the Curie temperature depends on the nature of the powders 36 used. For example, this is 400 to 500°C for ferrite Fe powders, 700 to 900°C for Samarium-Cobalt SmCo powders and 300 to 400°C for neodymium NdFeB powders.
  • the second phase P2 of finishing the magnet blank 42 then comprises an eighth step ET8 forming the final magnetization step during which the magnet blank 42 is again subjected to a field magnetic generated by the first tool 66 magnetization.
  • This configuration is particularly advantageous because it makes it possible to carry out the final magnetization of the magnet blank 42 in the device 50 with the same first tool 66 for magnetization previously employed.
  • the magnet blank 42 therefore comes out of the device 50 practically ready to be used, and it is therefore no longer necessary to complete its finishing except during a ninth step ET9 of machining the magnet blank 42 out of the mold 38, at the end of which the magnet 20 is obtained.
  • the magnet blank 42 is extracted from the device 50 at the end of the first phase P1 and the second phase P2 of finishing the blank magnet 42 intervenes outside the device 50, which advantageously makes it possible to release the latter for the manufacture of the next magnet blank 42.
  • the phase P2 of finishing the magnet blank 42 comprises a seventh step ET'7 of machining the magnet blank 42 out of the mould.
  • the magnet blank 42 is placed in a second magnetization tool (not shown) independent of the mold 38, in an orientation similar to a position occupied by the magnet blank.
  • the purpose of this arrangement is to orient the magnet blank 42 in accordance with the preferential direction in which, during step ET4, the grains of the powder 42 have been previously oriented. As a reminder, this preferential direction allows a subsequent definitive magnetization established more easily.
  • the magnetization of the magnet blank 42 is carried out by again subjecting the magnet blank 42 to a magnetic field generated by the second magnetization tool independent of the mold. 38.
  • the second magnetization tool is, in the second variant of the method, a specific magnetization tool dedicated to this sole task.
  • the ninth step ET'9 can advantageously be carried out by using as second magnetization tool independent of the mold a stator of an electric machine intended to receive a rotor comprising the magnet.
  • This configuration makes it possible to dispense with a second specific magnetization tool, and to carry out the magnetization of the magnet blank 42 of the rotor in situ, directly in the electric machine.
  • the device 50 comprises at least one metal mold 38 comprising a fixed die 52 delimiting a cavity 54 of annular shape with axis X intended to receive the powders 36 and at least one punch 56, also annular with axis X, which is therefore complementary to an annular section of the cavity 54.
  • the punch is moved by a cylinder of a hydraulic press (not shown in Figure 7) between a position outside the cavity 54 and a position shown in which it closes the cavity and enters the cavity 54 according to a stroke C determined along the axis X, corresponding to the compaction of the desired powder 36.
  • the device 50 which has been represented in FIG. 6 comprises only one punch 56.
  • the device 50 further comprises an SPS flash sintering tool comprising at least one current generator and current conducting means (not shown) arranged in the die 52 and the punches 56.
  • This tool allows the passage of a high intensity electric current through the powders 36 and their agglomeration by sintering.
  • the tool also includes an enclosure 64 containing the mold 38, which has only been shown in Figures 7 and 10, and which, as before, is able to be selectively evacuated or filled with an inert gas.
  • the device 50 comprises a first magnetization tool 66, comprising an annular magnetic circuit 68 housed in the enclosure and surrounding the mold 38.
  • This magnetic circuit ring comprises a substantially annular magnetic core 70 with an X axis through which a plurality of magnetic coils 72 with axes parallel to the X axis and angularly distributed in a regular manner around the X axis pass.
  • FIGS. 8 and 9 there is shown a device 50 comprising a magnetic circuit 68 comprising eight magnetic coils 72 connected in series by transverse links 74, which makes it possible to produce 8-pole magnets (four North N poles and four South poles S) but it will be understood that depending on the number of poles with which it is desired to provide the magnet, the magnetic circuit can comprise a greater number of coils 72.
  • a device 50 comprises a magnetic circuit 68 comprising 16 magnetic coils 72 making it possible to produce a magnet with 16 poles (eight North poles N and eight South poles S).
  • the coils may comprise a magnetic circuit 68 of coils 72 comprising a single conductor 73, as illustrated by the development of the magnetic circuit 68 in FIG. 11, or a magnetic circuit 68 of coils 72 comprising two conductors 73, 75 as illustrates the development of the magnetic circuit 68 in Figure 12.
  • the device 50 further comprises an annular heat shield 76 interposed between the mold and the magnetic circuit. This heat shield protects the coils 72 from the heat of the mold 38 when it is heated by the SPS flash sintering tool.
  • device 50 may also additionally comprise an annular cooling exchanger 78 arranged around magnetic circuit 68 inside enclosure 64.
  • This configuration is more particularly suited to a device 50 intended to implement the first variant of the method which is the subject of the invention for which this annular cooling exchanger 78 makes it possible to control and control the cooling temperature according to the first variant of the method forming the subject of the invention, between the seventh step ET7 and eighth step ET8.
  • the device 50 is not used for the entire manufacture of the magnet 20, since the final magnetization of the magnet blank 42 is made outside the mold 38.
  • the device is part of a magnet manufacturing facility comprising the manufacturing device described above and a second external magnetization tool (not shown) to the device 50.
  • This second manufacturing tool is of similar configuration to the first magnetization tool, capable of surrounding the magnet blank 42.
  • this second magnetization tool comprises coils arranged in a similar manner to the first magnetization tool 66, in order to maintain an orientation of the magnetic fields analogous to those of the fields implemented during step ET4.
  • the second external magnetization tool is substantially identical to the first external magnetization tool.
  • it is not a specific tool but simply a stator of an electrical machine to accommodate a rotor receiving the magnet 20 with oriented flux. This configuration is very advantageous because it makes it possible to reduce the time during which the mold 38 is occupied by the magnet blank 42 in order to free it for other blanks, and to carry out the final magnetization of the magnet according to step ET'9 directly into the electric machine.
  • the invention therefore makes it possible to considerably reduce the production times of a flux-oriented multipolar magnet for an electric machine rotor.

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Abstract

Linvention concerne un procd de fabrication dun aimant de rotor dune machine lectrique, ledit procd comportant une premire phase (P1) de ralisation dune bauche daimant comprenant une tape (ET4) de pressage sous champ magntique de poudres dans un moule pour aimant en les soumettant un champ magntique gnr par un premier outil lage de magntisation, une tape (ET6) de densif ication de lbauche daimant obtenue et une deuxime phase (P2) de finit ion de lbauche daimant comprenant au moins une tape de magntisation finale de lbauche daimant, pour obtenir un aimant, caractris en ce que le moule est dispos dans une enceinte de densif ication, en ce que ltape (ET6) de densification est ralise par frittage flash SPS dans ladite enceinte de densif ication.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D’UN AIMANT MULTIPOLAIRE A FLUX ORIENTE
Domaine technique de l'invention
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un aimant, et en particulier d’un aimant multipolaire à flux orienté pour un rotor de machine électrique de type moteur électrique, générateur ou capteur, et un outillage permettant de mettre en œuvre ce procédé.
Arrière-plan technique
L’état de l’art comprend les documents DE-10/2015-006916- A1 et US-2017/170695-A1 .
Il existe deux types d’aimants, les aimants unidirectionnels, qui présentent une orientation unidirectionnelle entre leurs deux pôles Nord et Sud, et les aimants à orientation variable, qui présentent une orientation variable de manière continue entre leurs deux pôles Nord et Sud.
Ces derniers présentent des lignes de champ dissymétriques de part et d’autre de l’aimant, et sont appelés pour cette raison aimants à flux orientés car les champs qu’ils génèrent sont d’intensité plus élevée d’un côté de l’aimant que de l’autre par rapport à l’orientation Nord /Sud.
Cette propriété trouve particulièrement son intérêt dans le cadre de la fabrication d’aimants annulaires multipoles. Ces aimants permettent de limiter les fuites magnétiques lorsqu’ils sont mis en œuvre dans des machines électriques. Ainsi, un aimant annulaire multipolaire à flux orienté constitue un réseau d’aimants dit de Halbach qui présente l’avantage d’accroître le champ magnétique d'un côté de l’aimant tout en éliminant presque totalement le champ magnétique de l'autre côté.
Lorsqu’un tel aimant est mis en œuvre dans un rotor d’une machine électrique, cette configuration permet de disposer de lignes de champ orientées majoritairement vers l’extérieur du rotor, c’est à dire vers son stator, avec un champ magnétique globalement de plus forte intensité, et des lignes de champ quasiment inexistantes vers l’intérieur du rotor. Ceci permet par conséquent d’obtenir des machines électriques dotées d’un meilleur rendement qu’une machine électrique dotée d’aimants traditionnels.
La magnétisation de tels aimants est largement connue de l’état de la technique et est notamment documentée par le document WO-97/37362-A1
Dans le cadre de la fabrication d’un rotor de machine électrique, un tel aimant présente aussi l’avantage d’être monobloc. En effet, dans une conception conventionnelle utilisant des aimants unidirectionnels, il est nécessaire de coller un grand nombre de ces aimants sur un support annulaire. Une telle opération est peu avantageuse en termes de temps de fabrication et de coût, alors qu’une conception mettant en œuvre un aimant monobloc permet de réduire les temps de fabrication.
Le document EP-3637060-A2 décrit un procédé de fabrication d’un tel aimant. Conventionnellement, un tel procédé comprend une première étape au cours de laquelle on sélectionne des matériaux destinés à fournir des poudres métalliques pour aimant. Ces matériaux sont fondus dans un four à induction, puis les lingots obtenus subissent une première phase de broyage pour obtenir des grains de taille proche de 500pm et qui sont ensuite pulvérisés par broyage à boulets ou broyage à jet de gaz sous pression pour atteindre une taille proche de 10pm.
Puis, s’ensuit une deuxième étape au cours de laquelle on mélange ces poudres, une troisième étape au cours de laquelle on dispose les poudres dans un moule, et une quatrième étape au cours de laquelle les poudres sont pressées à température ambiante en même temps qu’elles sont soumises à un champ magnétique généré par un premier outillage de magnétisation.
Puis, au cours d’une cinquième étape, on arrête le champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, et au cours d’une sixième étape, on densifie l’ébauche d’aimant ainsi obtenue par un procédé de frittage conventionnel. Cette ébauche peut alors être usinée au cours d’une septième étape, puis magnétisée définitivement au cours d’une huitième étape de magnétisation finale.
Ce procédé présente plusieurs inconvénients.
En premier lieu, cette méthode est limitée à l’obtention de formes simples et aisées à démouler.
En second lieu, les étapes de pressage à température ambiante, densification, et magnétisation finale sont dissociées et généralement réalisées dans des outillages indépendants, ce qui augmente la complexité de la gamme de production et engendre des durées de fabrication élevées. Elle induit également une problématique de repositionnement de l’ébauche d’aimant à magnétiser entre les différentes étapes, afin de renforcer le champ magnétique final de l’aimant, puisqu’au cours de la huitième étape de magnétisation finale, l’ébauche doit être orientée dans la même position qu’au cours de la quatrième étape. Ce point est d’autant plus critique pour les aimants Shaped Field, pour lesquels l’écart angulaire entre l’étape de magnétisation à froid et après densification doit être minimisé.
En troisième lieu, l’étape de densification est bien souvent réalisée sans que l’ébauche ne soit maintenue en pression, en frittage dit « libre » , ce qui nécessite, pour atteindre des niveaux de densification élevés supérieurs à 90%, des temps et des températures de densification importants.
Enfin, les étapes de magnétisation à froid nécessitent beaucoup d’énergie pour saturer le matériau, et donc des outillages de magnétisation de forte capacité, ce qui est limitant dans le cas de la création d’un champ tournant car l’énergie totale consommée est répartie sur une large gamme de domaines angulaires du champ, avec pour conséquence une réduction de l’amplitude du champ pour chaque orientation.
Il existe donc un réel besoin pour un procédé de fabrication permettant de fabriquer un aimant multipolaire à flux orienté en un nombre réduit d’étapes.
Résumé de l'invention
L’invention remédie à ces inconvénients en proposant un nouveau procédé de fabrication dans lequel les étapes de pressage à température ambiante et de densification sont réalisées dans un même outillage et dans lequel l’étape de densification est réalisée par frittage flash SPS, (acronyme anglo-saxon de Spark Plasma Sintering), ou frittage à plasma d’arc.
Dans ce but, l’invention propose un procédé de fabrication d’un aimant de rotor d’une machine électrique, ledit procédé comportant une première phase de réalisation d’une ébauche d’aimant comprenant :
- une première étape au cours de laquelle on fournit des poudres métalliques et/ou céramiques pour aimant,
- une deuxième étape au cours de laquelle on mélange lesdites poudres,
- une troisième étape au cours de laquelle on dispose lesdites poudres dans un moule et on dispose un premier outillage de magnétisation autour dudit moule,
- une quatrième étape de pressage sous champ magnétique au cours de laquelle on presse lesdites poudres à température ambiante pour obtenir l’ébauche d’aimant, et on les soumet simultanément à un champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation,
- une cinquième étape au cours de laquelle on arrête le champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, et
- une sixième étape au cours de laquelle on densifie l’ébauche d’aimant, ledit procédé comportant en outre une deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant comprenant au moins une étape d’usinage de l’ébauche d’aimant et une étape de magnétisation finale de l’ébauche d’aimant, pour obtenir l’aimant, caractérisé en ce que, au cours de la troisième étape, le moule est disposé dans une enceinte de densification, en ce que la sixième étape est réalisée par frittage flash SPS dans ladite enceinte de densification.
Ainsi, le procédé faisant l’objet de l’invention permet de réaliser les étapes de pressage à température ambiante et de densification dans un même outillage, ce qui élimine les temps de transfert d’un outillage à l’autre et les erreurs de positionnement angulaire. De plus, la conduite de l’étape de densification par frittage flash SPS permet de réduire substantiellement la durée de cette étape car il n’est dès lors plus nécessaire de procéder à une longue remontée en température de l’enceinte dans laquelle est réalisée la densification.
Selon une autre caractéristique du procédé, la deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant comporte, selon une première variante :
- une septième étape au cours de laquelle on laisse refroidir l’ébauche d’aimant jusqu’à une température de Curie de l’aimant,
- une huitième étape formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant à un champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, et
- une neuvième étape d’usinage de l’ébauche d’aimant hors du moule, à l’issue de laquelle on obtient l’aimant.
Dans cette première variante, les étapes de pressage à température ambiante, de densification et de magnétisation sont avantageusement toutes conduites dans le même outillage, ce qui permet un gain de temps substantiel et une diminution du nombre d’outillages mis en jeu.
La huitième étape de densification, qui est conduite pendant que l’ébauche d’aimant se refroidit en étant encore à une température proche de sa température de Curie permet en outre de magnétiser fortement le matériau tout en limitant l’énergie consommée par le premier outillage de magnétisation, car l’orientation des domaines magnétiques ou domaines de Weiss dans le matériau est plus facile à réaliser et moins énergivore à une température proche de la température de Curie. Selon une autre caractéristique du procédé, la deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant comporte, selon une deuxième variante :
- une septième étape d’usinage de l’ébauche d’aimant hors du moule,
- une huitième étape au cours de laquelle on dispose l’ébauche d’aimant dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule selon une orientation analogue à une position occupée par l’ébauche d’aimant dans le premier outillage de magnétisation à l’issue de la quatrième étape, et
- une neuvième étape formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant à un champ magnétique généré par le second outillage de magnétisation indépendant du moule.
Dans cette deuxième variante, les étapes de pressage à température ambiante et de densification sont avantageusement conduites dans le même outillage, ce qui permet un gain de temps substantiel et une diminution du nombre d’outillages mis en jeu. L’étape de magnétisation est, quant à elle, réalisée dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule. Ceci permet de libérer le moule pour préparer un autre aimant.
Selon une autre caractéristique du procédé, dans la deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant, selon une troisième variante, la neuvième étape de magnétisation peut aussi être réalisée dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule consistant en un stator d’une machine électrique destinée à recevoir l’aimant. Cette neuvième étape (ET’9) de magnétisation est donc une magnétisation in situ.
Selon une autre caractéristique du procédé, au cours de la quatrième étape de pressage sous champ magnétique, on presse les poudres sous une pression croissante inférieure à 10OMpa.
Selon une autre caractéristique du procédé, au cours de la sixième étape, on densifie la poudre en élevant rapidement sa température entre 900 et 1200°C.
L’invention concerne aussi un dispositif pour la mise en œuvre du procédé de fabrication du type décrit précédemment, qui comporte au moins :
- un moule métallique comprenant une matrice fixe délimitant une cavité et au moins un poinçon qui est complémentaire d’une section de la cavité, et qui est mu par une presse hydraulique entre une position hors de la cavité et une position dans laquelle il obture la cavité et pénètre dans ladite cavité selon une course déterminée,
- un outillage de frittage flash SPS comprenant au moins un générateur de courant pulsé, des moyens conducteurs de courant agencés dans ladite matrice et ledit poinçon, et une enceinte contenant le moule apte à être sélectivement mise au vide ou remplie d’un gaz neutre, et
- un premier outillage de magnétisation, comportant un circuit magnétique annulaire logé dans l’enceinte et entourant le moule.
Selon d’autres caractéristiques du dispositif :
- le dispositif comporte de surcroît un écran thermique annulaire interposé entre le moule et le circuit magnétique,
- le dispositif comporte de surcroît un échangeur de refroidissement annulaire agencé autour du circuit magnétique à l’intérieur de l’enceinte,
- le dispositif est configuré pour la fabrication d’un aimant annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X , et: • la cavité du moule est annulaire d’axe X,
• le circuit magnétique annulaire du premier outillage de magnétisation comporte un noyau magnétique sensiblement annulaire traversé d’axe X par une pluralité de bobines magnétiques d’axes parallèles à l’axe X et distribuées angulairement de manière régulière autour dudit axe X.
- le noyau magnétique est traversé par un nombre de bobines magnétiques compris entre 4 et 16, et de préférence entre 8 et 16,
- le moule est en graphite ou à base de carbures de Tungstène ou de carbures ternaires,
- les moyens conducteurs de courant sont des conducteurs en graphite.
L’invention concerne également une installation de fabrication d’un aimant annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X conformément aux deuxième et troisième variantes du procédé de fabrication décrit précédemment, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de fabrication et un second outillage de magnétisation externe audit dispositif de fabrication et de configuration similaire au premier outillage de magnétisation, apte à entourer l’ébauche d’aimant.
Selon une autre caractéristique de cette installation de fabrication, le second outillage de magnétisation est un stator d’une machine électrique dont un rotor est destiné à recevoir l’aimant à flux orienté.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. 1 ] la figure 1 est une vue en coupe schématique de principe d’un aimant unidirectionnel ;
[Fig. 2] la figure 2 est une vue en coupe schématique de principe d’un aimant à orientation variable ou flux orienté ;
[Fig. 3] la figure 3 est une vue en perspective d’une bague conventionnelle de rotor de machine électrique comportant des aimants unidirectionnels ;
[Fig. 4] la figure 4 est une vue en perspective d’une bague de rotor de machine électrique selon l’invention comportant des aimants multipolaires à flux orienté ;
[Fig. 5] la figure 5 est une vue schématique des étapes d’un procédé conventionnel de fabrication d’un aimant ;
[Figure. 6] la figure 6 est une vue de principe d’un dispositif de fabrication selon l’invention ;
[Figure. 7] la figure 7 est une vue en demi-coupe axiale d’un premier dispositif de fabrication selon l’invention ;
[Figure. 8] la figure 8 est une vue en perspective d’une partie du premier dispositif de la figure 7 ;
[Figure. 9] la figure 9 est une vue en perspective avec arrachement de la partie du premier dispositif de la figure 7 ;
[Figure. 10] la figure 10 est une vue en coupe transversale d’un second dispositif de fabrication selon l’invention ;
[Figure. 1 1 ] la figure 1 1 est une vue développée du circuit magnétique d’une première variante du dispositif de la figure 10 ;
[Figure. 12] la figure 12 est une vue développée du circuit magnétique d’une seconde variante du dispositif de la figure 10 ;
[Figure. 13] la figure 13 est un diagramme-bloc illustrant les étapes d’une première variante du procédé de fabrication de l’invention ; [Figure. 14] la figure 14 est un diagramme-bloc illustrant les étapes de deuxième ou troisièmes variantes du procédé de fabrication de l’invention,
Description détaillée de l’invention
La figure 1 illustre de manière schématique un aimant unidirectionnel 10 rectiligne connu en soi de l’état de la technique.
Comme l’illustre la flèche de la figure 1 , un tel aimant présente une orientation unidirectionnelle de son champ magnétique B entre ses deux pôles Nord N et Sud S et les lignes de champ 12 générées par l’aimant sont réparties sensiblement symétriquement de part et d’autre d’un axe Nord-Sud 14 de l’aimant 10.
Les aimants à orientation variable, tel que par exemple l’aimant 16 qui a été représenté à la figure 2, présentent une orientation variable de leur champ magnétique qui est ainsi susceptible de suivre plusieurs directions assimilables à des champs magnétiques B1 , B2, B3, B4, B5, etc. , entre leurs deux pôles Nord N et Sud S, et ce de manière continue entre leurs deux pôles Nord N et Sud S.
La conséquence pour ce type d’aimant est que les lignes de champ ne sont pas réparties symétriquement des deux côtés de l’aimant 16. Ainsi d’un côté de l’axe Nord-Sud 14, les lignes de champ 18 sont très rapprochées, signe d’un champ magnétique de forte intensité, alors que de l’autre côté de l’axe Nord-Sud 14, les lignes de champ 18 sont plus espacées, signe d’un champ magnétique de plus faible intensité.
Cette propriété trouve tout son intérêt dans le cadre de la fabrication d’un aimant annulaire destiné à équiper un moteur électrique. Il est possible avec un tel aimant, lors de sa fabrication et en particulier de sa magnétisation, de maximiser le champ magnétique à l’intérieur ou à l’extérieur de cet aimant, de manière à réciproquement minimiser le champ magnétique, et donc les pertes magnétiques du côté opposé de l’aimant annulaire, c’est-à- dire réciproquement à l’extérieur ou à l’intérieur de l’aimant annulaire.
L’invention concerne plus particulièrement la fabrication d’un aimant annulaire pour un rotor de machine électrique pour lequel on cherche à maximiser le champ magnétique à l’extérieur de l’aimant afin de maximiser les champs magnétiques entre le rotor et le stator de la machine électrique qui entoure le rotor. Ceci permet d’améliorer le rendement de la machine électrique comportant un tel aimant annulaire.
La figure 3 représente un rotor 22 annulaire comportant une pluralité d’aimants 12 unidirectionnels. Un tel rotor 22 comporte un support 24 annulaire sur lequel sont collés des aimants 12 unidirectionnels. A titre d’exemple c’est un peu moins de 400 aimants 12 qui doivent être collés sur le support 24. Il s’agit là d’une opération extrêmement chronophage et qui ne permet pas d’obtenir un rotor 22 fournissant le meilleur rendement. En outre il subsiste toujours des risques de décollement des aimants, ce qui pourrait occasionner des dégâts irréversibles au moteur électrique.
En effet, un autre avantage des aimants annulaires multipolaires à flux orienté, outre le rendement qu’ils permettent à la machine électrique d’atteindre, est leur configuration monobloc. On a ainsi représenté à la figure 4 un rotor 26 comportant ainsi huit aimants 20 annulaires multipolaires à flux orienté. Cette configuration permet d’éviter l’emploi d’un support tel que le support 24 précédemment décrit et réduit considérablement le nombre d’aimants à assembler.
La figure 5 illustre les étapes d’un procédé d’obtention conventionnel d’un aimant 20. Le procédé comporte principalement une première phase P1 de réalisation d’une ébauche d’aimant, et une deuxième phase P2 de finition de l’ébauche d’aimant
La première phase P1 de réalisation de l’ébauche d’aimant comporte une première étape ET1 au cours de laquelle on fournit des poudres métalliques pour aimant. Cette première étape ET1 comporte une sous-étape SET1 au cours de laquelle on collecte des matériaux bruts 28 tels que Samarium Sm, Cobalt Co, Fer Fe, Cuivre Cu, et Zirconium Zr. Puis la première étape ET1 comporte une sous-étape SET2 au cours de laquelle on fait fondre les matériaux bruts 28 dans un four à induction 30, puis une sous-étape SET3 au cours de laquelle on les broie dans une broyeuse 32 jusqu’à obtenir des particules de taille inférieure à 500 pm et une sous-étape SET4 au cours de laquelle on les pulvérise dans une installation 34 de broyage à boulets ou de broyage à jet de gaz sous pression jusqu’à obtenir des particules de taille inférieure à 10 pm.
Puis au cours d’une deuxième étape ET2, on mélange lesdites poudres, et au cours d’une troisième étape ET3 on dispose les poudres 36 dans un moule 38 et on dispose un premier outillage 40 de magnétisation autour de ce moule
Puis, au cours d’une quatrième étape ET4 de pressage sous champ magnétique, on presse les poudres 36 à température ambiante pour obtenir une ébauche d’aimant 42, et on les soumet simultanément à un champ magnétique B généré par le premier outillage de magnétisation 36. Cette opération a pour but, tout en les compactant, d’orienter les grains de la poudre selon une direction préférentielle suivant laquelle une magnétisation définitive ultérieure sera établie plus facilement que dans d’autres directions. On obtient une ébauche d’aimant 42. Puis, au cours d’une cinquième étape ET5, on arrête le champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, et au cours d’une sixième étape ET6 on densifie l’ébauche d’aimant 42 par un procédé de frittage conventionnel tel qu’un four 44.
A l’issue de cette première phase P1 de réalisation de l’ébauche d’aimant, intervient la deuxième phase P2 de finition de l’ébauche d’aimant 42. Cette deuxième phase P2 comprend au moins une étape d’usinage ET7 de l’ébauche d’aimant dans une machine d’usinage 46 et une étape de magnétisation ET8 finale de l’ébauche d’aimant dans un outillage de magnétisation 48, pour obtenir l’aimant 20 final.
Comme on l’a vu précédemment, dans ce procédé, les étapes de pressage à température ambiante ET4, de densification ET6 et de magnétisation ET8 finale sont dissociées et réalisées dans des outillages indépendants, ce qui augmente la complexité de la gamme de production et engendre des durées de fabrication élevées afin d’obtenir un aimant 20.
L’étape de densification est classiquement réalisée dans une enceinte chauffée à haute température tel que le four 44. L’introduction des ébauches d’aimant 42 dans le four 44 nécessite que celui-ci soit initialement à une température proche de la température ambiante avant de provoquer sa remontée en température, ce qui, compte tenu du fait que la densification en elle-même est une opération de longue durée nécessitant plusieurs heures induit un temps total d’immobilisation de l’ébauche d’aimant 42 dans le four qui est particulièrement élevé.
L’invention remédie à cet inconvénient en proposant un procédé dans lequel, au cours de la troisième étape ET3, le moule 38 est disposé dans une enceinte de densification, cette enceinte étant une enceinte particulière permettant, au cours de la sixième étape ET6 de réaliser un frittage flash SPS dans cette enceinte de densification.
Le frittage flash SPS, acronyme anglo-saxon de Spark Plasma Sintering (SPS) est un procédé de frittage sous pression basé sur l’utilisation de l’effet Joule pour réaliser le chauffage et la densification des particules de poudre. La poudre à fritter est placée dans une matrice en graphite, acier, ou carbure de tungstène, entre deux électrodes conductrices, qui la soumettent en outre à une pression uniaxiale. Un courant continu de très forte intensité, de pulsations successives et de fréquence définie, traverse la matrice, les électrodes et la poudre, ce qui permet une montée en température très rapide et un frittage complet en quelques minutes.
Dans la pratique, les étapes ET3 à ET6 précédemment évoquées comme intervenant d’une part dans le moule 38 et d’autre part dans le four 44 interviennent selon le procédé de l’invention dans un seul dispositif 50 dont le principe a été représenté à la figure 6 sous une forme schématique. Ce dispositif 50 permet la formation d’une ébauche d’aimant 42 de forme cylindrique.
Conformément à l’invention, le dispositif 50 comporte au moins un moule métallique 38 comprenant une matrice fixe 52 délimitant une cavité 54 et au moins un poinçon 56. Le poinçon 56 est complémentaire d’une section de la cavité 54, et il est mu par un vérin 57 d’une presse hydraulique entre une position hors de la cavité 54 et une position dans laquelle il obture la cavité et pénètre dans ladite cavité 54 selon une course déterminée. Ici, le dispositif 50 a été représenté comme comportant deux poinçons 56 opposés, mais cette configuration n’est pas limitative de l’invention.
Le dispositif 50 comporte en outre un outillage de frittage flash SPS comprenant au moins un générateur de courant pulsé 58, des moyens conducteurs de courant 60 agencés dans la matrice 52 et les poinçons 56. Typiquement, ces moyens conducteurs de courants sont des conducteurs à base de graphite. L’outillage comporte également une enceinte de densification 64 contenant le moule 38, qui est apte à être sélectivement mise au vide ou remplie d’un gaz neutre.
Le dispositif 50 comporte un premier outillage 66 de magnétisation, comportant un circuit magnétique 68 annulaire logé dans l’enceinte 64 et entourant le moule 38.
Avec le dispositif 50, on peut donc disposer les poudres d’une granulométrie <10 pm (Samarium-Cobalt SmCo, Néodyme NdFeB, Ferrites ou autres) utilisées au cours de l’étape ET3 pour concevoir un aimant. Ces poudres sont placées dans le moule 38 en graphite ou WC (carbures de Tungstène) ou céramique phase MAX (carbures ternaires), ayant la forme de la pièce à produire avec les poinçons 56 fermant la cavité 54 du moule. L’outillage de magnétisation 66 est positionné autour du moule 38 et l’ensemble est placé dans l’enceinte de densification 64.
Puis au cours de l’étape ET4, l’enceinte de densification 64 est mise sous vide et le champ magnétique produit par le premier outillage 66 de magnétisation est alors appliqué. Une pression croissante inférieure à 100 MPa est ensuite appliquée, sans chauffage, par les poinçons 56 sur le moule jusqu’à l’arrêt du déplacement des vérins 57.
Une fois cet état atteint, le champ magnétique est coupé en suivant l’étape ET5 et l’atmosphère dans l’enceinte de densification 64 est adaptée en injectant une atmosphère adaptée telle qu’un gaz neutre à la place du vide.
Au cours de l’étape ET6, une courant pulsé est fourni par le générateur 58 au moule 38 afin d’en élever rapidement la température entre 900 et 1200°C et ainsi de densifier la poudre. La contrainte exercée par les vérins 57 peut être pilotée durant cette étape, en la ramenant à 0 MPa puis en l’augmentant à nouveau suivant différents paliers, indépendamment. En tout état de cause, la pression appliquée reste inférieure à 100 MPa. Puis un palier de température est appliqué pendant une durée de 5 à 40 minutes jusqu’à densification complète des poudres. On obtient alors l’ébauche d’aimant 42.
Comme l’illustrent les figures 1 1 et 12, après cette première phase P1 de réalisation de l’ébauche d’aimant 42 intervient une seconde phase P2 de finition de l’ébauche d’aimant 42 comprenant au moins une étape d’usinage de l’ébauche d’aimant 42 et une étape de magnétisation finale de l’ébauche d’aimant 42, pour obtenir l’aimant.
Cette deuxième phase P2 peut intervenir en partie dans le dispositif 50 ou hors du dispositif 50.
Selon une première variante de l’invention, comme représenté à la figure 13, la deuxième phase P2 de finition de l’ébauche d’aimant 42 comporte d’abord une septième étape ET7 au cours de laquelle la pression exercée par les poinçons 56 est retirée, le chauffage est coupé et on laisse refroidir l’ébauche d’aimant 42 jusqu’à une température de Curie de l’aimant. La température de refroidissement est par exemple pilotée à l’aide d’un thermocouple inséré dans le moule.
La température de Curie dépend de la nature des poudres 36 utilisées. A titre d’exemple, celle-ci est de 400 à 500°C pour des poudres de ferrite Fe, 700 à 900°C pour des poudres de Samarium- Cobalt SmCo et 300 à 400°C pour des poudres néodymes NdFeB.
Dans cette première variante, la deuxième phase P2 de finition de l’ébauche d’aimant 42 comporte ensuite une huitième étape ET8 formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant 42 à un champ magnétique généré par le premier outillage 66 de magnétisation.
Cette configuration est particulièrement avantageuse car elle permet de réaliser la magnétisation finale de l’ébauche d’aimant 42 dans le dispositif 50 avec le même premier outillage 66 de magnétisation précédemment employé. L’ébauche d’aimant 42 sort donc du dispositif 50 pratiquement prête à être utilisée, et il n’est dès lors plus nécessaire de terminer sa finition qu’au cours d’une neuvième étape ET9 d’usinage de l’ébauche d’aimant 42 hors du moule 38, à l’issue de laquelle on obtient l’aimant 20.
Selon des deuxième et troisième variantes de l’invention, comme représenté à la figure 14, l’ébauche d’aimant 42 est extraite du dispositif 50 à l’issue de la première phase P1 et la deuxième phase P2 de finition de l’ébauche d’aimant 42 intervient hors du dispositif 50, ce qui permet avantageusement de libérer celui-ci pour la fabrication de l’ébauche d’aimant 42 suivante.
Dans ces deuxième et troisième variantes de l’invention, la phase P2 de finition de l’ébauche d’aimant 42 comporte une septième étape ET’7 d’usinage de l’ébauche d’aimant 42 hors du moule.
Puis, au cours d’une huitième étape ET’8, on dispose l’ébauche d’aimant 42 dans un second outillage de magnétisation (non représenté) indépendant du moule 38, selon une orientation analogue à une position occupée par l’ébauche d’aimant 42 dans le premier outillage de magnétisation 66 à l’issue de la quatrième étape ET4. Cette disposition a pour but d’orienter l’ébauche d’aimant 42 conformément à la direction préférentielle selon laquelle, au cours de l’étape ET4, les grains de la poudre 42 ont été préalablement orientés. Pour mémoire cette direction préférentielle permet une magnétisation définitive ultérieure établie plus facilement. Puis, au cours d’une neuvième étape ET’9, on réalise la magnétisation de l’ébauche d’aimant 42 en soumettant à nouveau l’ébauche d’aimant 42 à un champ magnétique généré par le second outillage de magnétisation indépendant du moule 38.
Le second outillage de magnétisation est, dans la deuxième variante du procédé, un outillage de magnétisation spécifique dédié à cette seule tâche.
Toutefois, dans la troisième variante du procédé, la neuvième étape ET’9 peut avantageusement être réalisée en utilisant comme second outillage de magnétisation indépendant du moule un stator d’une machine électrique destinée à recevoir un rotor comportant l’aimant. Cette configuration permet de se dispenser d’un second outillage de magnétisation spécifique, et de réaliser la magnétisation de l’ébauche d’aimant 42 du rotor in situ, directement dans la machine électrique.
On décrit à présent un dispositif 50 plus particulièrement destiné à la fabrication d’un aimant 20 annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X pour un rotor de machine électrique de type moteur électrique, générateur ou capteur.
Comme précédemment, le dispositif 50 comporte au moins un moule métallique 38 comprenant une matrice fixe 52 délimitant une cavité 54 de forme annulaire d’axe X destinée à recevoir les poudres 36 et au moins un poinçon 56, lui aussi annulaire d’axe X, qui est par conséquent complémentaire d’une section annulaire de la cavité 54. Le poinçon est mu par un vérin d’une presse hydraulique (non représenté sur la figure 7) entre une position hors de la cavité 54 et une position représentée dans laquelle il obture la cavité et pénètre dans la cavité 54 selon une course C déterminée suivant l’axe X, correspondant au tassement de la poudre 36 voulu. Le dispositif 50 qui a été représenté à la figure 6 ne comporte qu’un poinçon 56.
Comme précédemment, le dispositif 50 comporte en outre un outillage de frittage flash SPS comprenant au moins un générateur de courant et des moyens conducteurs de courant (non représentés) agencés dans la matrice 52 et le poinçons 56. Cet outillage permet le passage d’un courant électrique de forte intensité à travers les poudres 36 et leur agglomération par frittage.
L’outillage comporte aussi une enceinte 64 contenant le moule 38, qui n’a été représentée qu’aux figures 7 et 10, et qui, comme précédemment, est apte à être sélectivement mise au vide ou remplie d’un gaz neutre.
Le dispositif 50 comporte un premier outillage 66 de magnétisation, comportant un circuit magnétique 68 annulaire logé dans l’enceinte et entourant le moule 38. Ce circuit magnétique annulaire comporte un noyau magnétique 70 sensiblement annulaire d’axe X traversé par une pluralité de bobines magnétiques 72 d’axes parallèles à l’axe X et distribuées angulairement de manière régulière autour de l’axe X.
Sur les figures 8 et 9, on a représenté un dispositif 50 comportant un circuit magnétique 68 comportant huit bobines magnétiques 72 reliées en série par des liaisons transversales 74, qui permet de réaliser des aimants à 8 pôles (quatre pôles Nord N et quatre pôles Sud S) mais il sera compris qu’en fonction du nombre de pôles dont on désire doter l’aimant, le circuit magnétique peut comporter un plus grand nombre de bobines 72.
Par exemple, comme l’illustre la figure 10, un dispositif 50 selon l’invention comporte un circuit magnétique 68 comportant 16 bobines magnétiques 72 permettant de réaliser un aimant à 16 pôles (huit pôles Nord N et huit pôles Sud S). Les bobines peuvent comporter un circuit magnétique 68 de bobines 72 comportant un seul conducteur 73, comme l’illustre la développée du circuit magnétique 68 à la figure 1 1 , ou un circuit magnétique 68 de bobines 72 comportant deux conducteurs 73, 75 comme l’illustre la développée du circuit magnétique 68 à la figure 12.
Comme l’illustrent les figures 7, 9 et 10, le dispositif 50 comporte de surcroît un écran thermique annulaire 76 interposé entre le moule et le circuit magnétique. Cet écran thermique permet de protéger les bobines 72 de la chaleur du moule 38 lorsqu’il est chauffé par l’outillage de frittage flash SPS.
Comme l’illustre la figure 7, le dispositif 50 peut aussi comporter de surcroît un échangeur de refroidissement annulaire 78 agencé autour du circuit magnétique 68 à l’intérieur de l’enceinte 64. Cette configuration est plus particulièrement adaptée à un dispositif 50 destiné à mettre en œuvre la première variante du procédé faisant l’objet de l’invention pour laquelle cet échangeur de refroidissement annulaire 78 permet de contrôler et de piloter la température de refroidissement selon la première variante du procédé faisant l’objet de l’invention, entre les septième étape ET7 et huitième étape ET8.
Lorsqu’il est destiné à mettre en œuvre les deuxième ou troisième variantes du procédé faisant l’objet de l’invention, le dispositif 50 n’est pas utilisé pour la totalité de la fabrication de l’aimant 20, puisque la magnétisation finale de l’ébauche d’aimant 42 est effectuée hors du moule 38. En ce cas, le dispositif fait partie d’une installation de fabrication de l’aimant comportant le dispositif de fabrication précédemment décrit et un second outillage de magnétisation externe (non représenté) au dispositif 50. Ce second outillage de fabrication est de configuration similaire au premier outillage de magnétisation, apte à entourer l’ébauche d’aimant 42. Par outillage similaire, on comprendra notamment que ce second outillage de magnétisation comporte des bobines disposées de manière similaire au premier outillage 66 de magnétisation, afin de conserver une orientation des champs magnétiques analogue à celles des champs mis en œuvre pendant l’étape ET4.
Plus particulièrement, lorsqu’il est destiné à mettre en œuvre la deuxième variante du procédé faisant l’objet de l’invention, le second outillage de magnétisation externe est sensiblement identique au premier outillage de magnétisation externe. Lorsqu’il est destiné à mettre en œuvre la troisième variante du procédé, il ne s’agit pas d’un outillage spécifique mais simplement un stator d’une machine électrique devant accueillir un rotor recevant l’aimant 20 à flux orienté. Cette configuration est très avantageuse car elle permet de réduire le temps d’occupation du moule 38 par l’ébauche d’aimant 42 afin de le libérer pour d’autres ébauches, et de réaliser la magnétisation finale de l’aimant selon l’étape ET’9 directement dans la machine électrique.
L’invention permet donc de réduire considérablement les temps de production d’un aimant multipolaire à flux orienté pour un rotor de machine électrique

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d’un aimant (20) de rotor d’une machine électrique, ledit procédé comportant une première phase (P1 ) de réalisation d’une ébauche d’aimant (42) comprenant :
- une première étape (ET1 ) au cours de laquelle on fournit des poudres métalliques et/ou céramiques (36) pour aimant,
- une deuxième étape (ET2) au cours de laquelle on mélange lesdites poudres (36),
- une troisième étape (ET3) au cours de laquelle on dispose lesdites poudres (36) dans un moule (38) et on dispose un premier outillage de magnétisation (66) autour dudit moule (38),
- une quatrième étape (ET4) de pressage sous champ magnétique au cours de laquelle on presse lesdites poudres (36) à température ambiante pour obtenir l’ébauche d’aimant (42), et on les soumet simultanément à un champ magnétique généré par le premier outillage (66) de magnétisation,
- une cinquième étape (ET5) au cours de laquelle on arrête le champ magnétique généré par le premier outillage (66) de magnétisation, et
- une sixième étape (ET6) au cours de laquelle on densifie l’ébauche d’aimant (42),
Ledit procédé comportant en outre une deuxième phase (P2) de finition de l’ébauche d’aimant (42) comprenant au moins une étape d’usinage de l’ébauche d’aimant (42) et une étape de magnétisation finale de l’ébauche d’aimant (42), pour obtenir l’aimant (20), caractérisé en ce que, au cours de la troisième étape (ET3), le moule est disposé dans une enceinte de densification (64), en ce que la sixième étape (ET6) est réalisée par frittage flash SPS dans ladite enceinte de densification (64).
2. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la deuxième phase (P2) de finition de l’ébauche d’aimant (42) comporte :
- une septième étape (ET7) au cours de laquelle on laisse refroidir l’ébauche d’aimant (42) jusqu’à une température de Curie de l’aimant,
- une huitième étape (ET8) formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant (42) à un champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation (66), et
- une neuvième étape (ET9) d’usinage de l’ébauche d’aimant (42) hors du moule (38), à l’issue de laquelle on obtient l’aimant (20).
3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la deuxième phase (P2) de finition de l’ébauche d’aimant comporte :
- une septième étape (ET’7) d’usinage de l’ébauche d’aimant (42) hors du moule (38),
- une huitième étape (ET’8) au cours de laquelle on dispose l’ébauche d’aimant (42) dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule (38) selon une orientation analogue à une position occupée par l’ébauche d’aimant (42) dans le premier outillage de magnétisation (66) à l’issue de la quatrième étape (ET4), et
- une neuvième étape (ET’9) formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant (42) à un champ magnétique généré par le second outillage de magnétisation indépendant du moule (38).
4. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la neuvième étape (ET’9) est réalisée en utilisant un stator d’une machine électrique comme second outillage de magnétisation indépendant du moule (38).
5. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au cours de la quatrième étape (ET4) de pressage sous champ magnétique, on presse les poudres sous une pression croissante inférieure à 100Mpa.
6. Procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au cours de la sixième étape (ET6), on densifie la poudre en élevant rapidement sa température entre 900 et 1200°C.
7. Dispositif (50) pour la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins :
- un moule métallique (38) comprenant une matrice fixe (52) délimitant une cavité (54) et au moins un poinçon (56) qui est complémentaire d’une section de la cavité (54), et qui est mu par une presse hydraulique entre une position hors de la cavité (54) et une position dans laquelle il obture la cavité (54) et pénètre dans ladite cavité (54) selon une course (C) déterminée,
- un outillage de frittage flash SPS comprenant au moins un générateur (58) de courant pulsé, des moyens conducteurs de courant (60) agencés dans ladite matrice (52) et ledit poinçon (56), et une enceinte (64) contenant le moule (38) apte à être sélectivement mise au vide ou remplie d’un gaz neutre, et
- un premier outillage de magnétisation (66), comportant un circuit magnétique annulaire (68) logé dans l’enceinte et entourant le moule (38).
8. Dispositif (50) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte de surcroît un écran thermique annulaire (76) interposé entre le moule (38) et le circuit magnétique (68).
9. Dispositif (50) selon l’une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu’il comporte de surcroît un échangeur de refroidissement annulaire agencé (78) autour du circuit magnétique (68) à l’intérieur de l’enceinte (64).
10. Dispositif (50) selon l’une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu’il est configuré pour la fabrication d’un aimant annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X, et en ce que :
- la cavité (54) du moule (38) est annulaire d’axe X,
- le circuit magnétique (68) annulaire du premier outillage (66) de magnétisation comporte un noyau magnétique (70) sensiblement annulaire traversé d’axe X par une pluralité de bobines magnétiques (72) d’axes parallèles à l’axe X et distribuées angulairement de manière régulière autour dudit axe X.
1 1 . Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le noyau magnétique (70) est traversé par un nombre de bobines magnétiques (72) compris entre 4 et 16, et de préférence entre 8 et 16.
12. Dispositif selon l’une des revendication 7 à 10, caractérisé en ce que le moule (38) est en graphite ou à base de carbures de Tungstène ou de carbures ternaires.
13. Dispositif selon l’une des revendication 7 à 12, caractérisé en ce que les moyens conducteurs de courant (60) sont des conducteurs en graphite.
14. Installation de fabrication d’un aimant (20) annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X conformément au procédé de fabrication selon l’une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de fabrication (50) selon la revendication 8 et un second outillage de magnétisation externe audit dispositif de fabrication et de configuration similaire au premier outillage de magnétisation (66), apte à entourer l’ébauche d’aimant (42).
15. Installation de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le second outillage de magnétisation est un stator d’une machine électrique dont un rotor est destiné à recevoir l’aimant (20) à flux orienté.
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