FR2997221A1 - Aimant hybride, procede de fabrication d'un aimant hybride et machine electrique tournante comprenant de tels aimants hybrides - Google Patents

Aimant hybride, procede de fabrication d'un aimant hybride et machine electrique tournante comprenant de tels aimants hybrides Download PDF

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Abstract

Un aimant hybride (4) selon l'invention est du type de ceux comprenant un premier matériau composé de ferrite et un second matériau comprenant au moins une terre rare. Conformément à l'invention, l'aimant comporte un noyau (3) constitué du premier matériau et une partie périphérique (5) constituée du second matériau entourant au moins en partie le noyau. Selon une forme de réalisation, le second matériau comprend du néodyme, du bore et du fer. Le second matériau peut être composé d'une poudre d'un alliage Néodyme-Fer-Bore dans une matrice. Dans un tel cas, la matrice peut être constituée de matière plastique, de préférence du polysulfure de phénylène ou du polyamide. Le procédé de fabrication consiste à surmouler le noyau en ferrite avec un mélange de la poudre d'alliage magnétique aux terres rares et d'un liant thermoplastique. De préférence, l'alliage magnétique est l'alliage Néodyme-Fer-Bore et le liant thermoplastique est du polysulfure de phénylène ou du polyamide.

Description

- 1 - AIMANT HYBRIDE, PROCEDE DE FABRICATION D'UN AIMANT HYBRIDE ET MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE COMPRENANT DE TELS AIMANTS HYBRIDES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un aimant hydride et son procédé de fabrication. L'invention concerne également une machine électrique tournante comprenant des aimants permanents de ce type, notamment pour des applications 10 comme moteur électrique de traction dans des véhicules automobiles électriques et hybrides. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. De par leurs performances accrues en termes de rendement et de puissance 15 massique et volumique, les machines synchrones à aimants permanents trouvent aujourd'hui une large application dans le domaine des véhicules automobiles. Ces machines électriques sont réalisables dans une large gamme de puissance et de vitesse et trouvent des applications aussi bien dans les véhicules de type « tout électrique » que dans les véhicules à bas CO2 de types dits « mild20 hybrid » et « full-hybrid » (en terminologie anglaise). Les applications « mild-hybrid » concernent généralement des machines électriques de l'ordre de 8 à 10 KW, par exemple, un moteur électrique monté en face avant d'un moteur thermique et couplé à celui-ci par une courroie de transmission. Il est possible avec un tel moteur électrique de réduire la cylindrée de 25 la motorisation thermique (« engine downsizing » en terminologie anglaise) en prévoyant une assistance électrique en couple qui fournit un appoint de puissance, notamment lors des reprises. De plus, une traction à faible vitesse, par exemple en environnement urbain, peut également être assurée par ce même moteur électrique. 30 Les applications de type « full-hybrid» concernent généralement des moteurs de 30 à 50 KW pour des architectures de type série et/ou parallèle avec un niveau d'intégration plus abouti du ou des moteurs électriques dans la chaîne de traction du véhicule. Les remarquables performances des machines à aimants permanents 35 actuelles sont pour une grande part dues aux développement des aimants aux - 2 - terres rares tels que les aimants de type Néodyme-Fer-Bore (NdFeB), Samarium-Fer (SmFe), ou Samarium-Cobalt (SmCo), qui peuvent présenter des rémanences dépassant le tesla. La difficulté d'accession à des ressources naturelles pérennes et la hausse 5 de la demande ont entraîné une augmentation des coûts des aimants aux terres rares qui tend à réserver leur utilisation aux machines haut de gamme. Ces machines ont des puissances électriques élevées et travaillent à des températures allant jusqu'à 200 °C. Dans ces conditions de température, on doit ajouter au mélange NdFeB 10 jusqu'à 10% de dysprosium afin que les aimants NdFeB présentent un champ coercitif suffisant pour éviter les problèmes de désaimantation, ce qui a pour résultat d'augmenter encore les coûts de fabrication. L'utilisation d'aimants permanents constitués de ferrite pourrait être envisagée, mais les ferrites présentent en général un champ coercitif insuffisant à 15 basse température à moins d'une concentration en lanthane importante, qui conduirait également à une augmentation des coûts de fabrication. Il est connu qu'une poudre de NdFeB ayant subi un traitement HDDR (hydrogénation, dismutation, désorption et recombinaison) permettrait d'atteindre le champ coercitif requis par les applications, mais cette poudre ne permet pas de 20 réaliser des aimants par frittage. Un exemple de moteur électrique synchrone permettant d'obtenir de meilleures performances tout en limitant les coûts est décrit dans l'article "Improvement of Rotor Structure of Concentrated Surface Permanent Magnet Synchronous Motor" présenté au cours du congrès ICEMS en 2009 par S. Zeze et 25 ah i (International Conference on Electrical Machines and Systems, 15 - 18 Nov. 2009, pages 1 - 6, IEEE). Ce moteur comprend un rotor comportant des aimants tangentiels constitués de ferrite juxtaposés à des aimants NdFeB radiaux. Mais cette configuration des deux types d'aimants dite HCSPM ("Hybride 30 type Concentrated Surface Permanent Magnet" en terminologie anglaise, c'est-à-dire "Aimant Permanent de Surface à Concentration de flux Hybride) ne semble pas susceptible d'éviter la désaimantation des ferrites. Il demeure donc un besoin pour un aimant hybride de faible coût qui présente un champ coercitif suffisant dans toute la gamme des températures des applications - 3 - visées, et qui, pour ce faire, ne contienne pas de dysprosium et soit produit à un coût raisonnable. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION.
Le but de la présente invention est par conséquent de satisfaire ce besoin. Elle a précisément pour objet un aimant hybride du type de ceux comprenant un premier matériau composé de ferrite et un second matériau comprenant au moins une terre rare. L'aimant hybride selon l'invention est remarquable en ce qu'il présente un 10 noyau constitué de ce premier matériau et une partie périphérique constituée de ce second matériau entourant au moins en partie le noyau central. Ce second matériau comprend avantageusement du néodyme, du bore et du fer. Il est de préférence composé d'une poudre d'un alliage Néodyme-Fer-Bore dans une matrice. 15 Cette matrice est fort avantageusement constituée de matière plastique, de préférence du polysulfure de phénylène ou du polyamide. On tire bénéfice du fait que la poudre de l'alliage NdFeB résulte d'un traitement par hydrogénation, dismutation, désorption et recombinaison. L'aimant hybride selon l'invention est aussi remarquable en ce que la partie 20 périphérique et le noyau présentent une forme sensiblement parallélépipédique, ce noyau étant situé au centre de cette partie périphérique. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un aimant hybride présentant les caractéristiques ci-dessus. Ce procédé est remarquable en ce qu'il consiste à surmouler un noyau en 25 ferrite avec un mélange d'une poudre d'un alliage magnétique aux terres rares et d'un liant thermoplastique. Dans ce procédé de fabrication d'un aimant hybride, on tire bénéfice du fait que: - l'alliage magnétique est un alliage Néodyme-Fer-Bore, ayant subi de préférence 30 un traitement par hydrogénation, dismutation, désorption et recombinaison; - le liant thermoplastique est une matière plastique, de préférence du polysulfure de phénylène ou du polyamide. Le procédé selon l'invention comprend avantageusement les étapes suivantes: 35 - le noyau en ferrite est inséré dans une première cavité d'un premier moule, cette - 4 - première cavité présentant une première surface intérieure sensiblement complémentaire d'une surface extérieure du noyau et comprenant des canaux périphériques en regard de ce noyau; - le mélange de poudre d'alliage magnétique aux terres rares et de liant 5 thermoplastique est injecté dans ces canaux périphériques; - un étrier enchâssant le noyau est formé de la sorte dans le premier moule; - le noyau enchâssé dans l'étrier est extrait du premier moule; - le noyau enchâssé dans l'étrier est inséré dans une seconde cavité d'un second moule, cette seconde cavité présentant une seconde surface intérieure apte à 10 centrer l'étrier dans cette seconde cavité; - le mélange est injecté dans la seconde cavité; - l'aimant hybride est extrait du second moule. Fort avantageusement, dans ce procédé de fabrication d'un aimant hybride: - les première et seconde cavités sont en outre d'une forme générale 15 parallélépipédique; - les canaux périphériques présentent en outre une section rectangulaire et s'étendent dans au moins un plan longitudinal et au moins un plan transversal de la première cavité. L'invention concerne également une machine électrique tournante 20 remarquable en ce qu'elle comprend une pluralité d'exemplaires d'un aimant hybride présentant les caractéristiques ci-dessus. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par l'aimant hybride selon l'invention et son procédé de fabrication, ainsi que par la machine électrique correspondante, par 25 rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. 30 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. Les Figures la et lb illustrent deux étapes de fabrication d'un aimant hybride par surmoulage selon un mode de réalisation préféré de l'invention. - 5 - La Figure 2 montre un aimant hybride dans un mode de réalisation préféré de l'invention comme résultat du procédé de fabrication illustré par les Figures la et I b.
DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION PREFERE DE L'INVENTION. Dans ce mode de réalisation, le surmoulage est effectué au moyen de moules 1, 2 présentant un intérieur de forme sensiblement parallélépipédique, comme le montrent bien les Figures la et 1 b, sur un noyau 3 en ferrite en forme 10 de barreau également sensiblement parallélépipédique. Le produit obtenu est un aimant hybride 4 comportant une partie périphérique 5 de forme sensiblement parallélépipédique constituant un aimant aux terres rares entourant le noyau 3 en ferrite. La nuance de ferrite choisie est de préférence un premier matériau à faible 15 teneur en lanthane dans le but de limiter les coûts. La partie périphérique 5 est réalisée dans un second matériau composé d'une poudre d'un alliage NdFeB, rendue anisotrope par le traitement HDDR, dans une matrice de polysulfure de phénylène (PPS), ou, alternativement de polyamide (PA).
20 Une étape essentielle du procédé de fabrication de l'aimant hybride 4 selon l'invention, consiste à placer le barreau de ferrite 3 à l'intérieur d'un premier moule 1. La première cavité 6 de ce premier moule 1 épouse sensiblement la surface extérieure du barreau de ferrite 3 en ménageant des canaux périphériques 7, 8 tout 25 autour du barreau de ferrite 3. Ces canaux périphériques 7, 8 présentent une section sensiblement rectangulaire. Trois d'entre 7 eux s'étendent dans des plans transversaux de la première cavité 6 en entourant symétriquement pour moitié le barreau de ferrite 3, et un autre s'étend dans un plan longitudinal de cette première cavité 6 en entourant 30 complètement le barreau de ferrite 3, comme le montre bien la Figure la. De la sorte, l'injection 9 dans les canaux périphériques 6 d'un mélange thermoplastique constitué de la poudre d'alliage HDDR- NdFe dans du polysulfure de phénylène, ou dans du polyamide, permet de réaliser un étrier 10, ou une cage, entourant le barreau de ferrite 3, qui permettra, dans une étape suivante du procédé - 6 - montrée sur la Figure lb, de centrer le barreau de ferrite 3 dans le second moule 2 tout en constituant une partie de l'aimant au terres rares du produit final 4. Ce second moule 2 comporte une seconde cavité 11 présentant une seconde surface intérieure de forme sensiblement parallélépipédique, comme le montre bien 5 la Figure lb. Cette seconde surface intérieure constitue une surface d'appui pour l'étrier 10 formé dans une étape précédente et maintient le barreau de ferrite 3 au centre du second moule 2. L'injection 12 du mélange thermoplastique dans les espaces restés vides 10 entre l'étrier 10, le barreau de ferrite 3 et la seconde surface intérieure 11 permet de compléter la partie périphérique 5 du produit final 4. Une épaisseur E de la partie périphérique 5, c'est-à-dire une profondeur des canaux périphériques 6, est prédéterminée par l'entité inventive de manière à ce qu'un champ magnétique dans le barreau de ferrite 3 comme conséquence d'un 15 champ démagnétisant externe n'atteigne jamais la valeur du champ coercitif du premier matériau utilisé. Des simulations réalisées sur ordinateur par l'entité inventive, ont montré qu'un rapport de l'épaisseur E de la partie périphérique 3 sur une largeur L du barreau de ferrite 3 (plus petite dimension d'une section droite) de l'ordre de 0,3 20 conduisait à une absence totale de risque de démagnétisation sur une plage de température de - 60 ° C à 150 °C pour un mélange thermoplastique HDDR-NdFeB/ PPS. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation préférentiel décrit ci-dessus.
25 Notamment, le noyau 3 en ferrite ne se présente pas obligatoirement sous la forme d'un barreau parallélépipédique. L'invention permet aussi bien de résoudre alternativement le problème de la désaimantation d'un barreau de ferrite cylindrique. Dans ces circonstances, les formes des cavités des moules seraient différentes de celles décrites ci-dessus.
30 Une forme et un nombre de canaux périphériques 6 du premier moule 1 destinés à former l'étrier 10, ou la cage, différents de ceux décrits, seront aussi déterminés par l'homme de métier selon les besoins. D'autres liants différents du PPS ou du PA cités, tels que du nylon, pourront entrer dans la composition du mélange thermoplastique associés à des matériaux 35 magnétiques différents du NdFeB, par exemple du Samarium-Cobalt. - 7 - Ces autres modes de réalisation basés sur d'autres essais ou simulations réalisés par l'entité inventive ne sortiraient pas du cadre de la présente invention dans la mesure où ils résultent des revendications ci-après.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1) Aimant hybride (4) du type de ceux comprenant un premier matériau composé de ferrite et un second matériau comprenant au moins une terre rare, caractérisé en ce qu'il comporte un noyau (3) constitué dudit premier matériau et une partie périphérique (5) constituée dudit second matériau entourant au moins en partie ledit noyau (3).
  2. 2) Aimant hybride (4) selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que 10 ledit second matériau comprend du néodyme, du bore et du fer.
  3. 3) Aimant hybride (4) selon la revendication 2 précédente, caractérisé en ce que ledit second matériau est composé d'une poudre d'un alliage Néodyme-Fer-Bore dans une matrice. 15
  4. 4) Aimant hybride (4) selon la revendication 3 précédente, caractérisé en ce que ladite matrice est constituée de matière plastique, de préférence du polysulfure de phénylène ou du polyamide. 20
  5. 5) Aimant hybride (4) selon la revendication 3 précédente, caractérisé en ce que ladite poudre résulte d'un traitement par hydrogénation, dismutation, désorption et recombinaison.
  6. 6) Aimant hybride (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 précédentes, 25 caractérisé en ce que ladite partie périphérique (5) et ledit noyau(3) présentent une forme sensiblement parallélépipédique, ledit noyau (3) étant situé au centre de ladite partie périphérique (5).
  7. 7) Procédé de fabrication d'un aimant hybride (4) selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 6 précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à surmouler un noyau (3) en ferrite avec un mélange d'une poudre d'un alliage magnétique aux terres rares et d'un liant thermoplastique.
  8. 8) Procédé de fabrication d'un aimant hybride (4) selon la revendication 7précédente caractérisé en ce que: - ledit alliage magnétique est un alliage Néodyme-Fer-Bore, ayant subi de préférence un traitement par hydrogénation, dismutation, désorption et recombinaison; - ledit liant thermoplastique est une matière plastique, de préférence du polysulfure de phénylène ou du polyamide.
  9. 9) Procédé de fabrication d'un aimant hybride (4) selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes 10 suivantes: - ledit noyau (3) est inséré dans une première cavité (6) d'un premier moule (1), ladite première cavité (6) présentant une première surface intérieure sensiblement complémentaire d'une surface extérieure dudit noyau (3) et comprenant des canaux périphériques (7, 8) en regard dudit noyau (3); 15 - ledit mélange est injecté dans lesdits canaux périphériques (7, 8); - un étrier (10) enchâssant ledit noyau (3) est formé de la sorte dans ledit premier moule (1); - ledit noyau (3) enchâssé dans ledit étrier (10) est extrait dudit premier moule (1); - ledit noyau (3) enchâssé dans ledit étrier (10) est inséré dans une seconde cavité 20 d'un second moule (2), ladite seconde cavité (11) présentant une seconde surface intérieure apte à centrer ledit étrier (10) dans ladite seconde cavité (11); - ledit mélange est injecté dans ladite seconde cavité (11); - ledit aimant hybride (4) est extrait dudit second moule (2). 25
  10. 10) Procédé de fabrication d'un aimant hybride (4) selon la revendication 9 précédente, caractérisé en ce que: - lesdites première et seconde cavités (6,
  11. 11) sont d'une forme générale parallélépipédique; - lesdits canaux périphériques (7, 8) présentent une section sensiblement 30 rectangulaire et s'étendent dans au moins un plan longitudinal et au moins un plan transversal de ladite première cavité (6). 11) Machine électrique tournante, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'exemplaires d'un aimant hybride (4) selon l'une quelconque des revendications 1 35 à 6 précédentes.
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