FR3051991A1 - Rotor de machine electrique tournante muni d'aimants en terre rare a faible taux de dysprosium - Google Patents

Rotor de machine electrique tournante muni d'aimants en terre rare a faible taux de dysprosium Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un rotor à griffes (2) pour machine électrique tournante, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aimants (20) interpolaires réalisés en Néodyme-Fer-Bore dont le taux de dysprosium est inférieur à 2% en masse. L'invention permet ainsi, en minimisant le taux de dysprosium dans les aimants de la machine électrique tournante, de s'affranchir des problèmes liés à son approvisionnement et à son coût.

Description

ROTOR DE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNI D'AIMANTS EN TERRE RARE À FAIBLE TAUX DE DYSPROSIUM L'invention porte sur un rotor de machine électrique tournante muni d'aimants en terre rare à faible taux de dysprosium. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs pour véhicules automobiles. Un tel alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un tel alternateur réversible est appelé alterno-démarreur et permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. L'invention pourra également être mise en œuvre avec un moteur électrique.
De façon connue en soi, un alternateur comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes monté sur un arbre, et un stator qui entoure le rotor. Le stator comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches pour le montage des phases du stator. Chaque phase comporte au moins un enroulement traversant les encoches du corps de stator et forme, avec toutes les phases, des chignons de part et d'autre du corps de stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées électriquement entre elles par exemple par soudage.
Par ailleurs, le rotor comporte deux roues polaires présentant chacune un flasque d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes d'une roue sont dirigées axialement vers le flasque de l'autre roue. La griffes d'une roue polaire pénètrent dans l'espace existant entre deux griffes voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes des roues polaires sont imbriquées les unes par rapport aux autres.
Afin d'améliorer les performances magnétiques de la machine électrique, il est connu d'intercaler des aimants permanents réalisés en Néodyme-Fer-Bore entre deux griffes adjacentes. Le problème de ce type d'aimants est qu'ils contiennent du dysprosium en quantité importante, ce qui implique un coût de fabrication élevé ainsi que des problèmes d'approvisionnement compte tenu du nombre réduit de zones de production de ce matériau dans le monde. L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un rotor à griffes pour machine électrique tournante, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aimants interpolaires réalisés en Néodyme-Fer-Bore dont le taux de dysprosium est inférieur à 2% en masse. L'invention permet ainsi, en minimisant le taux de dysprosium dans les aimants de la machine électrique tournante, de s'affranchir des problèmes liés à la fluctuation de son approvisionnement et à son coût.
Selon une réalisation, le taux de dysprosium est inférieur à 1.8% en masse.
Selon une réalisation, le taux de dysprosium est inférieur à 0.03% en masse. Cela correspond à la présence d'impuretés dans l'aimant dérivant du Néodyme.
Selon une réalisation, une taille des grains de chaque aimant est inférieure à 8 micromètres.
Selon une réalisation, la taille des grains de chaque aimant est de l'ordre de 3 micromètres.
Selon une réalisation, un taux de néodyme et de praséodyme de chaque aimant est compris entre 28 et 35% en masse et vaut de préférence 33%.
Selon une réalisation, un taux de bore de chaque aimant est compris entre 0.5 et 1.5% en masse et vaut de préférence 1%.
Selon une réalisation, un taux de fer de chaque aimant est au moins égal à 60% en masse.
Selon une réalisation, une lame recouvre une face de chaque aimant.
Selon un autre aspect, l'invention a pour objet une machine électrique tournante comportant un rotor à griffes tel que précédemment défini.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante est apte à fonctionner à une tension choisie parmi une des tensions suivantes: 12 Volts, 14 Volts plus X Volts dans le cadre d'un réseau électrique flottant, 48 Volts, ou entre 100 et 300 Volts.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante est apte à fonctionner soit en mode alternateur, soit en mode moteur et générateur. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une vue partielle en élévation d'un rotor à griffes d'une machine électrique tournante selon la présente invention;
La figure 2 est une vue partielle en coupe selon la ligne ll-ll du rotor de la figure 1 ;
La figure 3 est une représentation schématique des différentes étapes de fabrication des aimants en terre rare selon l’invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La machine électrique comporte un stator et un rotor 2 muni d'un arbre ayant un axe 4. La machine pourra fonctionner soit en mode alternateur, soit en mode moteur et générateur à une tension choisie parmi une des tensions suivantes: 12 Volts, 14 Volts+XVolts dans le cadre d'un réseau électrique flottant, 48 Volts, ou entre 100 et 300 Volts.
Le rotor 2 comporte deux pièces polaires 6 comprenant chacune un flasque 8 en forme de disque monté co-axialement sur l'arbre. Les deux flasques 8 s'étendent en coïncidence et parallèlement l'un à l'autre.
Chaque pièce polaire 6 comporte des pôles 10 en forme de griffe, généralement plats et triangulaires, s'étendant à partir du flasque 8 en direction de l'autre flasque. Les pôles des pièces polaires sont entrelacés mutuellement, de sorte que la pointe de chaque pôle 10 s'étend à proximité du flasque 8 de l'autre pièce polaire.
Les deux pièces polaires 6 sont associées aux pôles magnétiques respectifs Nord et Sud. Chaque pôle 10 présente deux faces circonférentielles respectivement externe convexe 12 et interne concave 14, et deux faces latérales planes 16 formant deux des côtés du triangle et contiguës aux faces latérales des pôles circonférentielles. Les faces s'étendent en regard et à distance les unes des autres.
Chaque face latérale 16 présente une rainure 18 ou gorge à profil en forme de U, la rainure ayant un axe 21 s'étendant suivant une direction longitudinale de la face latérale 16.
La gorge 18 présente un fond plat et deux flancs perpendiculaires à celui-ci. Le rotor 2 comporte des aimants permanents 20, dits aimants interpolaires, ayant ici une forme générale en parallélépipède rectangle et notamment un profil rectangulaire perpendiculairement à une direction longitudinale de l'aimant.
Chaque aimant 20 est reçu entre les faces latérales 16 de deux pôles respectifs avec ses faces latérales 22 dans les gorges 18 avec interposition éventuelle d'une couche de colle au fond des gorges.
Chaque aimant 20 est polarisé Nord-Sud suivant une direction s'étendant de l'une à l'autre de ses faces latérales 22.
Chaque paire de rainures 18 en regard l'une de l'autre définissent un logement d'aimant 20, le profil des rainures empêchant l'aimant de sortir du logement dans un plan perpendiculaire à un axe 21 des rainures une fois que les pôles 10 sont entrelacés mutuellement. Pour introduire un aimant dans son logement ou de l'en extraire, on peut par exemple le faire coulisser parallèlement à l'axe 21 des rainures jusqu'à l'extrémité axiale du logement.
De préférence, le rotor 2 comprend pour chaque aimant 20 une lame 24 ou plaquette en un matériau moins dur et plus souple que le matériau de l'aimant. Il s'agit ici, de fibres de verre noyées dans une matière plastique preimprégnée. La lame 24 est plate rectangulaire et a les mêmes dimensions et la même forme que la face circonférentielle externe 25 de l'aimant 20 qu'elle recouvre avec ses bords en coïncidence. Une couche 26 de colle plus souple que l'aimant 20 est interposée entre l'aimant 20 et la lame 24. La lame 24 et la couche de colle 26 s'étendent chacune dans les deux rainures 18 en étant interposées entre la face externe circonférentielle 25 de l'aimant et l'un des flancs de la rainure 18. La face externe circonférentielle 25 de l'aimant est orientée en direction opposée à l'arbre du rotor, au contraire de la face interne circonférentielle 27 de l'aimant qui est orientée vers cet arbre.
Grâce à la souplesse de la lame 24 et de la couche de colle 26, on assure suivant une direction radiale à l'axe 4 du rotor un rattrapage des jeux dus aux tolérances de fabrication. En outre, lorsque le rotor 5 tourne à des vitesses élevées, on amortit les déformations des pièces dues aux efforts et à réchauffement provoqués par la rotation du rotor.
Pour le montage, on peut coller à chaque aimant 20 la lame 24 puis introduire l'ensemble ainsi constitué dans son logement. Alternativement, on peut introduire chaque aimant 20 dans son logement, puis introduire la lame 24 dans le logement et la coller à l'aimant à cette occasion.
Conformément à l'invention, les aimants 20 interpolaires sont réalisés en Neodyme-Fer-Bore et présentent un taux de dysprosium inférieur à 2% en masse, voire inférieur à 1.8% en masse. De préférence, le taux de dysprosium est inférieur à 0.03% en masse, ce qui correspond à la présence d'impuretés dans l'aimant dérivant du Néodyme.
Une taille des grains de chaque aimant 20 est inférieure à 8 micromètres et est de préférence de l'ordre de 3 micromètres.
Un taux de néodyme et de praséodyme de chaque aimant 20 est compris entre 28 et 35% en masse et vaut de préférence 33%. Ce taux est ainsi à prendre en considération par rapport à la somme de la masse de néodyme et de praséodyme contenus dans l'aimant 20.
Un taux de bore de chaque aimant 20 est compris entre 0.5 et 1.5% en masse et vaut de préférence 1 %.
Un taux de fer de chaque aimant 20 est au moins égal à 60% en masse.
On décrit ci-après, en référence avec la figure 3, le procédé de fabrication de tels aimants 20. Après avoir pesé la quantité de matériaux nécessaires à la réalisation d'un ensemble d'aimants 20 dans les proportions en masse précédemment indiquées, les matériaux sont fondus dans un four à induction en atmosphère contrôlée contenant au moins 90% d'azote. Le matériau en fusion est ensuite déversé sur un rouleau rotatif 31 pour obtention de pétales de matériau 32.
Des grains 33 d'un diamètre de l'ordre de 100 micromètres sont ensuite introduits dans un dispositif de broyage 34 à jet d'azote pour obtenir une poudre 35 contenant des grains de l'ordre de 3 micromètres.
Un moule 36 assure ensuite un compactage de la poudre 35 pour obtenir un bloc 38. Le compactage est effectué sous un champ magnétique appliqué par des électro-aimants 37. Le champ magnétique pourra être orienté suivant la direction de l'application de l'effort de pressage ou suivant une direction perpendiculaire à l'effort de pressage.
Suite à l'étape de compactage, le bloc 38 est introduit dans un four 39 pour assurer sa cuisson ainsi qu'un post-traitement thermique.
Il est à noter que les étapes d'obtention des pétales 32, de broyage par jet d'azote, de compactage, et de cuisson sont réalisées sous atmosphère contrôlée avec présence d'azote à plus de 90 pourcents. Cela permet d'éviter au maximum l'oxygénation des aimants 20.
Le bloc 38 est ensuite usiné pour mise en forme et obtention des tolérances souhaitées à l'aide d'un dispositif adapté 39. Le bloc 38 est ensuite découpé au moyen d'un outil 40 pour obtenir une pluralité d'aimants 20 individuels. Il sera également possible de mettre en œuvre une étape de traitement de surface des aimants 20 afin de les protéger contre la corrosion.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Rotor à griffes (2) pour machine électrique tournante, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aimants interpolaires (20) réalisés en Néodyme-Fer-Bore dont le taux de dysprosium est inférieur à 2% en masse.
  2. 2. Rotor à griffes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux de dysprosium est inférieur à 1.8% en masse.
  3. 3. Rotor à griffes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le taux de dysprosium est inférieur à 0.03% en masse.
  4. 4. Rotor à griffes selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une taille des grains de chaque aimant (20) est inférieure à 8 micromètres.
  5. 5. Rotor à griffes selon la revendication 4, caractérisé en ce que la taille des grains de chaque aimant (20) est de l'ordre de 3 micromètres.
  6. 6. Rotor à griffes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un taux de néodyme et de praséodyme de chaque aimant (20) est compris entre 28 et 35% en masse et vaut de préférence 33%.
  7. 7. Rotor à griffes selon l'une quelconques des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un taux de bore de chaque aimant (20) est compris entre 0.5 et 1.5% en masse et vaut de préférence 1%.
  8. 8. Rotor à griffes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un taux de fer de chaque aimant (20) est au moins égal à 60% en masse.
  9. 9. Rotor à griffes selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une lame (24) recouvre une face de chaque aimant (20).
  10. 10. Machine électrique tournante comportant un rotor à griffes (2) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  11. 11. Machine électrique tournante selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle est apte à fonctionner à une tension choisie parmi une des tensions suivantes: 12 Volts, 14 Volts plus X Volts dans le cadre d'un réseau électrique flottant, 48 Volts, ou entre 100 et 300 Volts.
  12. 12. Machine électrique tournante selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce qu'elle est apte à fonctionner soit en mode alternateur, soit en mode moteur et générateur.
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