WO2017203137A1 - Rotor de machine électrique tournante muni d'aimants en terre rare à faible taux de dysprosium - Google Patents

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

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WO2017203137A1
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claw rotor
rotor
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volts
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Jean-Marc Dubus
Benoit WALME
Johnny DUARTE
Mamy Rakotovao
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Valeo Equipements Electriques Moteur
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Definitions

  • the invention relates to a rotary electric machine rotor provided with rare earth magnets with a low dysprosium level.
  • the invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application in the field of alternators for motor vehicles.
  • Such an alternator transforms mechanical energy into electrical energy and can be reversible.
  • Such a reversible alternator is called an alternator-starter and makes it possible to convert electrical energy into mechanical energy, in particular for starting the engine of the vehicle.
  • the invention may also be implemented with an electric motor.
  • an alternator comprises a housing and, inside thereof, a claw rotor mounted on a shaft, and a stator which surrounds the rotor.
  • the stator comprises a body in the form of a pack of sheets with notches for mounting the phases of the stator.
  • Each phase comprises at least one winding passing through the notches of the stator body and forms, with all the phases, buns on either side of the stator body.
  • the phase windings are obtained for example from a continuous wire covered with enamel or from conductive elements in the form of pins electrically connected to each other for example by welding.
  • the rotor comprises two pole wheels each having a transversely oriented flange provided at its outer periphery claws for example of trapezoidal shape and axial orientation.
  • the claws of one wheel are directed axially towards the flange of the other wheel.
  • the claws of a polar wheel penetrate the space between two claws adjacent to the other polar wheel, so that the claws of the pole wheels are interlaced with each other.
  • the invention aims to effectively overcome this disadvantage by providing a claw rotor for a rotating electrical machine, characterized in that it comprises a plurality of interpolar magnets made of Neodymium-Iron-Boron whose dysprosium level is less than 2. % by mass.
  • the invention thus makes it possible, by minimizing the rate of dysprosium in the magnets of the rotating electrical machine, to overcome the problems related to the fluctuation of its supply and its cost.
  • the level of dysprosium is less than 1 .8% by weight.
  • the level of dysprosium is less than 0.03% by weight. This corresponds to the presence of impurities in the magnet derived from neodymium.
  • a grain size of each magnet is less than 8 micrometers.
  • the size of the grains of each magnet is of the order of 3 micrometers.
  • a neodymium and praseodymium level of each magnet is between 28 and 35% by weight and is preferably 33%.
  • a boron content of each magnet is between 0.5 and 1.5% by weight and is preferably 1%.
  • an iron content of each magnet is at least equal to 60% by weight.
  • a blade covers one face of each magnet.
  • the subject of the invention is an electric machine rotating rotor having a claw rotor as previously defined.
  • said rotating electrical machine is able to operate at a voltage selected from one of the following voltages: 12 volts, 14 volts plus X volts in the context of a floating electrical network, 48 volts, or between 100 and 300 volts.
  • said rotating electrical machine is able to operate either in alternator mode or in motor and generator mode.
  • Figure 1 is a partial elevational view of a claw rotor of a rotating electrical machine according to the present invention
  • Figure 2 is a partial sectional view along line II-II of the rotor of Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic representation of the different steps of manufacturing rare earth magnets according to the invention.
  • the electric machine comprises a stator and a rotor 2 provided with a shaft having an axis 4.
  • the machine may operate either in alternator mode or in motor and generator mode at a voltage selected from one of the following voltages: 12 volts, 14 volts + XVolts in the context of a floating electrical network, 48 Volts, or between 100 and 300 Volts.
  • the rotor 2 comprises two pole pieces 6 each comprising a disc-shaped flange 8 mounted co-axially on the shaft.
  • the two flanges 8 extend in coincidence and parallel to each other.
  • Each pole piece 6 has claw-shaped poles 10, generally flat and triangular, extending from the flange 8 towards the other flange.
  • the poles of the polar pieces are interlaced mutually, so that the tip of each pole 10 extends near the flange 8 of the other pole piece.
  • Each pole 10 has two circumferential faces respectively external convex 12 and internal concave 14, and two flat lateral faces 16 forming two of the sides of the triangle and adjacent to the side faces of the circumferential poles. The faces extend opposite and at a distance from one another.
  • Each side face 16 has a groove 18 or U-shaped profile groove, the groove having an axis 21 extending in a longitudinal direction of the side face 16.
  • the groove 18 has a flat bottom and two sides perpendicular to it.
  • the rotor 2 comprises permanent magnets 20, called interpolar magnets, here having a general rectangular parallelepiped shape and in particular a rectangular profile perpendicular to a longitudinal direction of the magnet.
  • Each magnet 20 is received between the side faces 16 of two respective poles with its side faces 22 in the grooves 18 with possible interposition of a layer of glue at the bottom of the grooves.
  • Each magnet 20 is polarized North-South in a direction extending from one to the other of its lateral faces 22.
  • Each pair of grooves 18 opposite one another define a magnet housing 20, the profile of the grooves preventing the magnet out of the housing in a plane perpendicular to an axis 21 of the grooves once the poles 10 are intertwined mutually.
  • a magnet can for example be slid parallel to the axis 21 of the grooves to the axial end of the housing.
  • the rotor 2 comprises for each magnet 20 a blade 24 or wafer made of a material that is less hard and more flexible than the material of the magnet. It is here, glass fibers embedded in a preimpregnated plastic material.
  • the blade 24 is flat rectangular and has the same dimensions and the same shape as the outer circumferential face 25 of the magnet 20 that it covers with its edges in coincidence.
  • a layer 26 of glue softer than the magnet 20 is interposed between the magnet 20 and the blade 24.
  • the blade 24 and the adhesive layer 26 each extend in the two grooves 18 being interposed between the outer circumferential face 25 of the magnet and one of the flanks of the groove 18.
  • the outer circumferential face 25 of the magnet is oriented in a direction opposite to the rotor shaft, in contrast to the inner circumferential face 27 of the magnet which is oriented towards this tree.
  • the blade 24 and the adhesive layer 26 Due to the flexibility of the blade 24 and the adhesive layer 26, it is provided in a radial direction to the axis 4 of the rotor a catch of the games due to manufacturing tolerances. In addition, when the rotor 5 rotates at high speeds, it damps the deformation of the parts due to the forces and warming caused by the rotation of the rotor.
  • each magnet 20 For assembly, it is possible to stick to each magnet 20 the blade 24 and then introduce the assembly thus formed in its housing. Alternatively, one can introduce each magnet 20 in its housing, then introduce the blade 24 in the housing and stick to the magnet on this occasion.
  • the interpolar magnets are made of Neodymium-Iron-Boron and have a dysprosium level of less than 2% by weight, or even less than 1% by weight.
  • the level of dysprosium is less than 0.03% by weight, which corresponds to the presence of impurities in the magnet derived from neodymium.
  • a grain size of each magnet 20 is less than 8 micrometers and is preferably of the order of 3 micrometers.
  • a neodymium and praseodymium level of each magnet 20 is between 28 and 35% by weight and is preferably 33%. This rate is thus to be taken into consideration in relation to the sum of the mass of neodymium and praseodymium contained in the magnet 20.
  • a boron content of each magnet 20 is between 0.5 and 1.5% by weight and is preferably 1%.
  • An iron content of each magnet 20 is at least equal to 60% in mass.
  • Grains 33 with a diameter of the order of 100 micrometers are then introduced into a nitrogen jet grinding device 34 to obtain a powder containing grains of the order of 3 microns.
  • a mold 36 then compacts the powder 35 to obtain a block 38.
  • the compaction is carried out under a magnetic field applied by electromagnets 37.
  • the magnetic field can be oriented in the direction of the application of the force pressing or in a direction perpendicular to the pressing force.
  • the block 38 is introduced into a furnace 39 to ensure its cooking and a thermal after-treatment.
  • the block 38 is then machined to shape and obtain the desired tolerances using a suitable device 39.
  • the block 38 is then cut by means of a tool 40 to obtain a plurality of individual magnets 20. It will also be possible to implement a surface treatment step of the magnets 20 to protect them against corrosion.

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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

REVENDICATIONS
I . 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. Rotor à griffes selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le taux de dysprosium est inférieur à 1 .8% en masse.
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Machine électrique tournante comportant un rotor à griffes (2) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
I I . 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. Machine électrique tournante selon la revendication 10 ou 1 1 , caractérisée en ce qu'elle est apte à fonctionner soit en mode alternateur, soit en mode moteur et générateur.
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