WO2024149678A1 - Pôle d'aimant lié pour machine électrique, procédé et dispositif de fabrication correspondants - Google Patents

Pôle d'aimant lié pour machine électrique, procédé et dispositif de fabrication correspondants Download PDF

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WO2024149678A1
WO2024149678A1 PCT/EP2024/050208 EP2024050208W WO2024149678A1 WO 2024149678 A1 WO2024149678 A1 WO 2024149678A1 EP 2024050208 W EP2024050208 W EP 2024050208W WO 2024149678 A1 WO2024149678 A1 WO 2024149678A1
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WO
WIPO (PCT)
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magnet pole
linked
magnetic
pole
volume
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/050208
Other languages
English (en)
Inventor
Laurent Aubanel
Jere Kolehmainen
Original Assignee
Ampere S.A.S.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ampere S.A.S. filed Critical Ampere S.A.S.
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrotechnics and concerns more precisely a linked magnet pole for an electric machine, an electric machine rotor comprising such a magnet pole, as well as a device and a method for manufacturing such a magnet pole.
  • Electrical machines comprise at least one rotor and one stator, the magnetic poles of one of these elements possibly being based on permanent magnets.
  • the use of magnets poses a certain number of problems for high-power applications, for example for electric traction or propulsion machines for electric or hybrid vehicles.
  • the permanent magnets of such a machine increase in temperature due to the eddy currents created by the magnetic field generated by the machine. These eddy currents produce electromagnetic losses and, through the increase in temperature they induce, risk demagnetizing the magnets.
  • each magnetic pole using a magnetized material is made up of small magnets, separated from each other. by glue. These small magnets are formed by cutting large magnets.
  • they are very often of identical shape, for example parallelepiped, not conducive to forming magnetic poles of any shape, in particular magnetic poles of trapezoidal shape as can be found on a flux machine rotor axial.
  • the edges of the poles of such a machine do not include magnetic material, but only a filling material, which reduces the performance of the machine in terms of efficiency compared to the pole material used.
  • Another way of limiting eddy currents is to use linked magnets to form electric machine magnet poles. These magnets are made from magnetic powder consolidated in resin. The magnet poles designed with such bonded magnets present practically no eddy currents, but their magnetic field is weak and their homogeneity is not optimal to ensure the best possible efficiency of the electrical machine.
  • the present invention aims to remedy at least in part the drawbacks of the prior art, by providing a linked magnet pole having a ma- magnetic strong enough for applications such as electric traction or propulsion machines, an axial flux machine rotor comprising such a linked magnet pole as well as a method and a device for manufacturing such a linked magnet pole .
  • the invention proposes a linked magnet pole of an electric machine, formed of magnetic powder consolidated in a resin, the linked magnet pole extending between two angularly opposite edges and partly delimiting two surfaces intended to be positioned orthogonal to a direction parallel to a magnetic field generated by a stator of the electric machine,
  • the linked magnet pole being characterized in that it has a greater density of magnetic powder in a central part of the linked magnet pole located between the two edges than in at least one lateral part of the linked magnet pole. linked magnet located between one of the edges and the middle part.
  • the two opposite edges are angularly opposed with respect to an angle of rotation of a rotor of the electric machine.
  • the linked magnet pole is preferably in one piece and is a magnet pole of the rotor of the electric machine, this machine being an axial flux or radial flux machine.
  • the resin used is a binder product, preferably based on polymer, capable of solidifying, for example epoxy resin or polyethylene. This resin is for example thermosetting or thermoplastic, and is electrically insulating. It can also be formed from a mixture of such materials.
  • the lateral parts of the linked magnet pole all have a lower magnetic density than a central part of the linked magnet pole.
  • the density of magnetic powder is greater in the middle part than in a lateral part of the linked magnet pole located between the other of the edges and the middle part.
  • the magnetic field created in the middle part of the linked magnet pole is greater than in the lateral parts of the linked magnet pole angularly opposite each other relative to the middle part. This makes it possible to reduce torque ripples compared to an electrical machine of the prior art, and therefore also to reduce noise, vibrations and electrical losses compared to a machine of the prior art.
  • the density of magnetic powder gradually increases from at least one of the edges towards the middle part of the linked magnet pole. This progressive increase is preferably continuous. This further makes it possible to reduce the torque ripples of the electrical machine comprising the magnet pole according to the invention.
  • the density of magnetic powder is homogeneous in the direction parallel to the magnetic field generated by a stator of the electric machine.
  • the magnetic distribution of the linked magnet pole is optimal.
  • homogeneous we mean substantially homogeneous with a tolerance of ten percent for example compared to an average density value.
  • the invention also relates to a rotor of an axial flux electric machine comprising a hub, a non-magnetic armature around the hub and having housings, characterized in that at least one of the housings comprises a magnet pole linked according to the 'invention.
  • the invention also relates to an electric machine comprising an axial flux machine rotor according to the invention.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a linked magnet pole of an electric machine according to the invention, comprising steps of:
  • the useful volume of the mold can be used to form one or more linked magnets or a part of a linked magnet, in particular a half of a linked magnet.
  • the mold optionally includes the non-magnetic armature of the rotor according to the invention.
  • the magnet poles of the rotor are molded directly into the housings of the armature intended to receive these magnet poles.
  • the solidification step depends on the resin used, this step may require cooking or cooling at room temperature, depending on the chemical reaction allowing this solidification.
  • the intensity of the magnetic field decreases from the middle section towards the side section of the volume. This application of the magnetic field is carried out by permanent magnets or by electromagnets.
  • the manufacturing process according to the invention makes it possible to concentrate the magnetic powder, during the manufacture of the linked magnet pole, in the middle part of this linked magnet pole.
  • concentration of magnetic material at the center of the magnet pole is greater than in a magnet pole of the prior art.
  • torque produced by the electrical machine comprising the magnet pole according to the invention is greater than in a machine of the prior art using a linked magnet pole of the art prior.
  • this optimal distribution of the magnetic material in the magnet pole improves the efficiency of the electric machine compared to the prior art, particularly in relation to the mass of magnets used.
  • the solidification step is followed by a step of cutting an end section of the volume, the end section adjoining the side section of the volume, at opposite the middle section of the volume.
  • This step makes it possible to increase the overall volume density of magnetic material in the magnet pole linked according to the invention, compared to the prior art.
  • the method of manufacturing a linked magnet pole of an electric machine according to the invention comprises steps of:
  • the solidified volume comprising a surface intended to be positioned orthogonal to the direction parallel to the magnetic field generated by the stator of the electric machine, the magnetic field created by the permanent magnet between its north and south is for example parallel or orthogonal to this surface.
  • the solidification or joining step is optionally followed by a step of cutting at least one end section of the solidified volume(s), this end section being distal to the portion of the volume with the greatest magnetic density.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an axial flux electric machine rotor according to the invention, in which the linked magnet pole is manufactured by the method of manufacturing a linked magnet pole according to the invention, the method of manufacturing a rotor comprising steps of:
  • This last magnetization step makes it possible to form the north and south poles of the rotor according to the invention.
  • the invention finally relates to a device for manufacturing a magnet pole linked to electric machine according to the invention, comprising:
  • a magnetic flux guide capable of concentrating in the middle of the support the magnetic field generated by at least one of the two generators.
  • the first and second generators are permanent magnets or electromagnets.
  • the magnetic flux guide comprises two ferromagnetic plates orthogonal to the direction of magnetization and each covering two ends of the generators, each plate presenting on the side of the support from a first end of the plate, an evolution in thickness of the plate, the thickness of the plate being greater in its middle than at least one of its ends.
  • the rotor according to the invention, the electric machine according to the invention and the manufacturing device according to the invention have advantages similar to those of the magnet pole according to the invention and the method of manufacturing a pole magnet according to the invention.
  • FIG.l represents a rotor of an electric machine according to the invention, in one embodiment of the invention.
  • FIG.2 represents a top view and a sectional view of a linked magnet pole of the rotor of [Fig.l],
  • FIG.3 represents steps of a process for manufacturing a rotor according to the invention, and a linked magnet pole according to the invention, in one embodiment of the invention
  • FIG.4 represents elements of a device for manufacturing a linked magnet pole according to the invention, forming an enclosure in which the elements generate a magnetic field, in one embodiment of the invention
  • FIG.5 represents a mold comprising a homogeneous mixture of magnetic powder and resin, inserted into the enclosure of [Fig.4],
  • FIG.6 represents the mold of [Fig.5] in the enclosure, after migration of the magnetic powder into a central part of the mold following the effect of the magnetic field
  • FIG.7 represents a microscope view of grains of magnetic powder in the homogeneous mixture of [Fig.5],
  • FIG.8 represents a microscope view of grains of magnetic powder of an inhomogeneous mixture present in the mold of [Fig.6],
  • FIG.9 represents a step of cutting end sections of a solidified volume resulting from unmolding from the mold of [Fig.6],
  • FIG.10 represents in perspective the result of the step shown in [Fig.9],
  • FIG.11 represents the rotor according to the invention at different stages of a process for manufacturing a rotor according to the invention, in a variant embodiment of the invention
  • FIG.12 represents steps of a method of manufacturing a rotor according to the invention, and a linked magnet pole according to the invention, in a variant embodiment of the invention
  • FIG.13 represents a step of positioning a mold comprising a mixture of magnetic powder and resin against a permanent magnet, and a step of joining two solidified volumes coming from such a mold, in the alternative embodiment of the invention, and
  • FIG.14 represents an alternative positioning step of a mold comprising a mixture of magnetic powder and resin against a permanent magnet, and a step of joining two solidified volumes coming from such a mold, in the variant embodiment of the invention.
  • a rotor 30 of an axial flux electric machine comprises a hub intended to receive a shaft rotating along an axis of rotation X passing through the center O of the rotor 30.
  • the rotor 30 comprises a non-magnetic armature 32, for example made of aluminum or synthetic composite material.
  • This non-magnetic armature 32 has an internal circular part proximal to the hub, and has an external circular part distal to the hub.
  • the non-magnetic armature 32 comprises branches 34 joining these two circular parts, the branches 34 being regularly distributed angularly around the hub.
  • angularly we mean in an angular direction.
  • An axial direction being defined by the axis of rotation X, the angular direction is defined as rotating around this axial direction, and a radial direction as orthogonal to the axial direction and passing through the center O of the rotor 30.
  • the branches 34 define, between the circular parts of the armature 32, housings in which magnetic poles 20 are fixed, which are each, in this embodiment of the invention, magnet poles linked according to the invention.
  • Each linked magnet pole 20 emits a magnetic field M in the axial direction and is formed of magnetic powder consolidated in a resin, for example an epoxy resin.
  • Each linked magnet pole 20 extends between two angularly opposite edges 22 and 24, and between two radially opposite edges 26, 28, the edge 26 being proximal to the hub.
  • Each linked magnet pole 20 takes the form of a right trapezoidal prism, the edges 22, 24, 26, 28 delimiting two surfaces 21, 23 of the same dimension in the shape of a trapezoid. These surfaces 21, 23 themselves delimit the thickness of the magnet pole 20, in the axial direction.
  • the surfaces 21, 23 are intended to receive orthogonally a magnetic field generated by one or more stators of the electrical machine in operation.
  • the electric machine comprises for example two stators gripping the rotor 30 in the axial direction, or a single stator whose magnetic poles face, at least in part, the magnetic poles of the rotor 30 in the axial direction.
  • each linked magnet pole 20 is not homogeneous, as more easily visible in [Fig.2] representing in detail one of the linked magnet poles 20 of the rotor 30.
  • the density of magnetic powder in a part of the linked magnet pole 20 shown in this [Fig.2] is all the more important as the color of this part is dark.
  • a section S of the bonded magnet pole 20 in the angular direction shows that the magnetic powder density of the bonded magnet pole 20 in the axial direction is homogeneous.
  • the linked magnet pole 20 has a middle part 25 occupying the major part of the linked magnet pole 20 in the center of this linked magnet pole 20, in which the density of magnetic powder is more important only in lateral parts 27, 29 of the linked magnet pole 20, angularly opposed to the middle part 25.
  • the middle part 25 occupying the major part of the linked magnet pole 20 in the center of this linked magnet pole 20, in which the density of magnetic powder is more important only in lateral parts 27, 29 of the linked magnet pole 20, angularly opposed to the middle part 25.
  • the residual magnetic field in the middle part 25 is between 0.6 and
  • the density of magnetic powder is greater in the middle part 25 than on the peripheral parts of the linked magnet pole 20 adjoining the internal circular part or the external circular part of the non-magnetic armature 32.
  • the angular, radial or axial directions are sometimes used to describe the poles of the linked magnet 20 or parts of these poles while they are not yet inserted in the housings of the rotor. 30.
  • the very geometry of the poles is in fact closely linked to the position of these poles in the housings of the rotor 30.
  • the axial direction is always orthogonal to the larger surfaces 21, 23 of the pole of linked magnet 20 considered, that the radial direction is always orthogonal to the axial direction and substantially parallel to one of the edges 22, 24 of the linked magnet pole considered, while the angular direction is always orthogonal to the axial direction and substantially parallel to one of the edges 26, 28 of the linked magnet pole 20 considered.
  • Obtaining a linked magnet pole 20 according to the invention requires a step of concentrating the magnetic powder in the resin in the center of the linked magnet pole 20 before solidification of the resin.
  • FIG.3 describes an embodiment of a method of manufacturing 1 of the rotor 30 according to the invention, including a method 10 of manufacturing a linked magnet pole 20 according to the invention, however other modes of obtaining such a rotor 30 according to the invention or a linked magnet pole 20 according to the invention are possible. More precisely, the first steps 11 to 15 of the manufacturing process 1 of the rotor 30 according to the invention are steps of the process 10 of manufacturing a linked magnet pole 20 according to the invention.
  • the first step 11 of the method 10 for manufacturing a linked magnet pole 20 is the mixing of a magnetic powder, for example a Neodymium Iron Boron (NdFeB) or Samarium Cobalt (SmCo) powder, in a liquid resin such as an epoxy resin. Alternatively another type of resin is used, for example a polyamide.
  • a magnetic powder for example a Neodymium Iron Boron (NdFeB) or Samarium Cobalt (SmCo) powder
  • a liquid resin such as an epoxy resin.
  • Alternatively another type of resin is used, for example a polyamide.
  • the mixture produced in this first step 11 is a homogeneous mixture of the magnetic powder in the resin.
  • a second step 12 of the method 10 for manufacturing a linked magnet pole 20 is the insertion of the mixture produced in the previous step into a mold 4 (referenced [Fig.5]) whose internal volume takes the form of a right prism with a trapezoidal base, of the same thickness as the linked magnet pole 20 but more extended radially and angularly.
  • This internal volume is intended to form the linked magnet pole 20, and therefore comprises a middle section intended to form the middle part 25 of the linked magnet pole 20, and lateral sections intended to form the lateral parts 27, 29 of the linked magnet pole 20.
  • the internal volume of the mold 4 is intended to form several linked magnet poles 20 at the same time, for example by presenting a thickness multiple of the thickness of the linked magnet pole 20, or, in another variant, the internal volume of the mold 4 takes exactly the shape of a linked magnet pole 20 or of several linked magnet poles 20 superimposed axially on each other.
  • a third step 13 of the method 10 for manufacturing a linked magnet pole 20 is the application of a magnetic field to the mold 4.
  • two permanent magnets 6 and 8 at a distance from each other generate a magnetic field respectively ml and m2.
  • the direction of the magnetic fields ml and m2 in each permanent magnet 6, 8 between the south pole and the north pole of this permanent magnet 6, 8, is called the direction of magnetization. This direction is the same for each of the magnets 6, 8 whose magnetic moments are parallel and in the same direction.
  • a first ferromagnetic plate 7 joins the north poles of the magnets permanent magnets 6 and 8, and a second ferromagnetic plate 9 joins the south poles of the permanent magnets 6 and 8.
  • the permanent magnets 6, 8 and the plates 7, 9 together form an enclosure in which the magnetic fields created by the permanent magnets 6 circulate , 8.
  • the first ferromagnetic plate 7 guides the magnetic field lines coming from the north poles of the respective permanent magnets 6, 8 to its middle, these field lines looping back halfway from the permanent magnets 6, 8 towards the south poles respective permanent magnets 6,8 passing through the enclosure then passing into the second ferromagnetic plate 9.
  • the second ferromagnetic plate 9 guides the magnetic field lines leaving the south poles of the respective permanent magnets 6, 8 in a manner symmetrical to the guidance carried out by the first ferromagnetic plate 7.
  • each ferromagnetic plate 7, 9 presents on the enclosure side, an evolution of thickness so as to be thicker in its middle than at its ends, which reduces the distance to travel in the air for the magnetic field lines crossing the enclosure halfway between the permanent magnets 6, 8, by relation to the distance between the ferromagnetic plates near the permanent magnets 6.8.
  • the first ferromagnetic plate 7 has, from a first bearing covering the north pole of the permanent magnet 6, increasing steps 70, 72 and 74, which progressively increase the thickness of the first ferromagnetic plate 7 until its middle, consequently reducing the distance between the first ferromagnetic plate 7 and the second ferromagnetic plate 9 in its middle compared to the distance between these plates near the permanent magnet 6. Then the first ferromagnetic plate 7 present from step 74 median to this plate, decreasing steps 76, 78 up to a second landing of the first ferromagnetic plate 7 covering the north pole of the permanent magnet 8.
  • the second ferromagnetic plate 9 presents, from a first bearing covering the south pole of the permanent magnet 6, increasing steps 90, 92 and 94, which gradually increase the thickness of the second ferromagnetic plate 9 until 'in the middle. Then the second ferromagnetic plate 9 presents, from the step 94 median to this plate, decreasing steps 96, 98 up to a second bearing of the second ferromagnetic plate 9 covering the south pole of the permanent magnet 8.
  • the evolution of the thickness of the ferromagnetic plates is more progressive, for example these plates each have a convex surface, rounded or formed of two inclined planes, on the side of the enclosure traversed by the magnetic field.
  • magnetic resulting from the ml and m2 fields generated by the magnets In the following we refer to this resulting magnetic field unless otherwise indicated, when we mention the magnetic field generated by the magnets 6, 8. This magnetic field is for example between 0.5 and 1T.
  • step 13 of applying a magnetic field to the mold 4 the latter is placed, in this step, in the enclosure formed by the permanent magnets 6, 8 and the ferromagnetic plates 7, 9 , as shown in [Fig.5].
  • a support (not shown) positioned between the two permanent magnets 6, 8 maintains the mold 4 orthogonal to the direction of magnetization.
  • the mold 4 is positioned on the support so that the middle section of the internal volume of the mold is centered opposite the middle steps 74 and 94 of the two ferromagnetic plates 7, 9, that is to say at the the place where the magnetic flux generated by the permanent magnets 6, 8 in the enclosure has maximum intensity.
  • the lateral sections of the internal volume are traversed by a magnetic flux of lower intensity.
  • FIG.6 shows the result of step 13 of application of the magnetic field generated by the permanent magnets 6 and 8 on the mold 4 after a few minutes.
  • the magnetic powder is concentrated under the effect of this magnetic field in the middle section of the internal volume of the mold.
  • the middle section will make it possible to form the middle part 25 of the linked magnet pole 20, and the lateral sections will make it possible to form the lateral parts 27, 29 of the linked magnet pole 20.
  • FIG.7 shows the grains of magnetic powder in the mixture, before inserting mold 4 into the enclosure.
  • FIG.8 shows the grains of magnetic powder in the mixture after step 13 of applying the magnetic field to the mixture, in the enclosure. After step 13, the magnetic powder grains are concentrated in the middle section of the mold, and are preferentially oriented in the direction of magnetization, which makes the magnetic flux generated by the magnetic powder grains greater in this direction. magnetization. It should be noted that the arrows on the grains of magnetic powder indicate a more favorable magnetization direction than other magnetization directions, without indicating a definitive magnetization direction. In fact, the final magnetization of the linked magnet pole 20 takes place after the solidification of the mixture.
  • the next step 14 of the method 10 for manufacturing a linked magnet pole 20 is the solidification of the mixture in the mold, carried out by drying the epoxy resin in the enclosure of the device of Figures 4 to 6. To do this, the resin is heated to a temperature between 120° and 140°. Alternatively, particularly depending on the type of resin used, the mixture is cooled, the mold 4 always remaining in the enclosure traversed by the magnetic field generated by the permanent magnets 6, 8.
  • the next step 15 of the method 10 of manufacturing a linked magnet pole 20 is then, as shown [Fig.9], a cutting of end sections 44 of the solidified volume 40 demolded from the mold 4 after step 14 of solidifying the mixture, these end sections adjoining the side sections of the volume 40, opposite the middle section of the volume 40.
  • this step we obtain more generally by cutting out excess peripheral parts in the volume 40, the linked magnet pole 20. These peripheral parts are much less dense in magnetic powder than the rest of the volume 40.
  • the linked magnet pole 20 obtained, of trapezoidal shape, is illustrated [Fig.10] in perspective .
  • the following step 16 is a step of the method 1 of manufacturing the rotor 30, in which the linked magnet poles 20 obtained by a repetition of steps 11 to 15 for each linked magnet pole of the rotor 30, are inserted into the non-magnetic armature 32.
  • This insertion is done for example by using a non-magnetic armature in two parts, the external circular part being for example a hoop closing the housings of the magnetic poles of the rotor 30, once these housings are filled with the poles of linked magnets 20.
  • These are for example slipped between the branches 34 of the non-magnetic armature 32 using ribs on the edges of the poles, complementary to grooves on the branches 34 of the non-magnetic armature 32.
  • a final step 17 of process 1 for manufacturing the rotor 30 is the magnetization of the linked magnet poles 20, to form the north and south poles of the rotor 30.
  • Each magnet pole is therefore subjected to a field magnetic between 4 and 5T for example, the adjacent magnetic poles being subjected to a magnetic field in the opposite direction.
  • the method of manufacturing a rotor according to the invention comprises a mixing step similar to step 11 described previously, then a step inserting the liquid mixture obtained into a mold delimited at least in part by the non-magnetic armature 32.
  • the non-magnetic armature 32 is placed flat on a support, which serves for example to maintain the liquid mixture in the housings magnetic poles of the rotor 30.
  • Each housing therefore itself forms a mold of linked magnet pole 20.
  • a permanent magnet is placed on each branch 34 of the non-magnetic armature 32 so as to create magnetic field lines concentrated along a radial axis of symmetry of each housing.
  • FIG.11 shows on the left the homogeneous mixture of magnetic powder and resin inserted into the housings before the action of the magnetic field generated by the permanent magnets positioned on the branches 34 of the rotor 30.
  • the rotor 30 is represented with the inhomogeneous mixture obtained following the action of this magnetic field, the poles of magnets having also been solidified.
  • the rotor 30 is shown after a final magnetization step.
  • the edges of the solidified volume coming from the mold are not cut since the mold takes the exact shape of the linked magnet poles.
  • a method of manufacturing 100 of the rotor 30 according to the invention comprises steps 110 to 180, including steps of a method 111 of manufacturing a linked magnet pole 20 according to the invention. More precisely, the first steps 110 to 160 of the manufacturing process 100 of the rotor 30 according to the invention are steps of the process 111 of manufacturing a linked magnet pole 20 according to the invention.
  • the first step 110 of the method 111 for manufacturing a magnet pole 20 is the mixing of a magnetic powder and a liquid resin, in a manner similar to step 11 of the embodiment described previously. .
  • a second step 120 of the method 111 for manufacturing a linked magnet pole 20 is the insertion of the liquid mixture obtained in the previous step 110, into a mold 2 (referenced [Fig.13]) whose useful volume makes it possible to form one half of the linked magnet pole 20 to be manufactured, this half being intended to form with another half of the linked magnet pole manufactured in parallel to these steps 110, 120, the linked magnet pole 20
  • the two halves are radially symmetrical to each other once inserted in one of the housings of the rotor 30.
  • a portion 252 of the useful volume (referenced [Fig.13]) is intended to form one half of the middle part 25. of the linked magnet pole 20.
  • a third step 130 of the method 111 for manufacturing the linked magnet pole 20, shown [Fig.13], is the positioning of the mold 2 against a permanent magnet 3, so that the portion 252 of the useful volume mentioned more top is proximal to the permanent magnet 3.
  • a support 5 makes it possible to maintain the mold 2 in this position, the permanent magnet 3 generating between its north and south poles a magnetic field m3, directed axially with respect to half of the pole d magnet bonded in formation in the mold.
  • the magnetic field m3 passes through the useful volume of the mold 2 in its thickness, the useful volume having substantially the thickness of the linked magnet pole 20 to be manufactured.
  • FIG.13 shows on the left the support 5 and the permanent magnet m3 without the mold 2, in the middle the mold 2 positioned in the support 5 against the permanent magnet m3, the liquid mixture still being homogeneous, and more right the mold 2 positioned in the support 5 against the permanent magnet m3, the magnetic powder in the mold 2 having been concentrated in the portion 252 of the useful volume proximal to the permanent magnet 3.
  • a fourth step 140 of the method 111 for manufacturing the linked magnet pole 20 is the solidification of the liquid mixture in the mold 2 still positioned against the permanent magnet 3, by increasing the temperature of the mixture to a temperature for example between 120° and 140°.
  • a fifth step 150 of the method 111 for manufacturing the linked magnet pole 20 is the joining, for example by gluing, of a solidified volume 41 resulting from the previous step, to a solidified volume 42 resulting from parallel steps 110 to 150 having formed the second half of the linked magnet pole 20 to be manufactured.
  • this joining step 150 we obtain the block shown completely to the right of [Fig.13].
  • a sixth step 160 of the method 111 for manufacturing the linked magnet pole 20 is the cutting of peripheral end parts of this block, this cutting being identical to step 15 of the embodiment described above and allowing to obtain the linked magnet pole 20.
  • steps 170 and 180 of the manufacturing process 100 of the rotor 30 according to the invention are the insertion 170 of the linked magnet poles 20 obtained previously in the non-magnetic armature 32 and the magnetization of these linked magnet poles 20.
  • FIG.14 illustrates an alternative of this variant embodiment, which differs from this variant only in the step 130 of positioning the mold 2 against the permanent magnet 3.
  • the portion 252 of the volume useful of the mold 2 is always positioned proximally to the permanent magnet 3, thanks to the support 5.
  • the permanent magnet 3 is positioned so that the magnetic field m3 generated between the south and north poles of the permanent magnet 3 , is directed parallel to the larger surfaces of the mold, which implies that the grains of the magnetic powder in the liquid mixture are oriented magnetically in this step 130, parallel to the larger surfaces of the linked magnet pole 20 during manufacture.
  • the magnetization step 180 then corrects this poor magnetic orientation of the grains of magnetic powder in the solidified bonded magnet pole 20.
  • this step 130 makes it possible, as in the main alternative embodiment of the invention, to concentrate the magnetic powder in the portion 252 of the useful volume of the mold intended to form half of the middle part 25 of the linked magnet pole 20.

Landscapes

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  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Un pôle d'aimant lié (20) de machine électrique est formé de poudre magnétique consolidée dans une résine. Le pôle d'aimant lié (20) s'étend entre deux bords (22, 24) opposés et délimite en partie deux surfaces (21, 23) destinées à être positionnées orthogonalement à une direction parallèle à un champ magnétique généré par un stator de la machine électrique. Le pôle d'aimant lié (20) présente une densité de poudre magnétique plus importante dans une partie médiane (25) du pôle d'aimant lié (20) située entre les deux bords (22, 24) que dans au moins une partie latérale (27, 29) du pôle d'aimant lié (20) située entre l'un des bords (22, 24) et la partie médiane (25). Ainsi le procédé et dispositif de fabrication pour obtenir un tel pôle d'aimant lié (20).

Description

Description
Titre de l'invention : Pôle d’aimant lié pour machine électrique, procédé et dispositif de fabrication correspondants
[0001] La présente invention se rapporte au domaine de F électro technique et concerne plus précisément un pôle d’aimant lié pour machine électrique, un rotor de machine électrique comportant un tel pôle d’aimant, ainsi qu’un dispositif et un procédé de fabrication d’un tel pôle d’aimant.
[0002] Les machines électriques comportent au moins un rotor et un stator, les pôles magnétiques d’un de ces éléments pouvant être à base d’aimants permanents. Notamment dans les machines synchrones à aimants permanents, l’utilisation d’aimants pose un certain nombre de problèmes pour les applications à haute puissance, par exemple pour les machines électriques de traction ou de propulsion des véhicules électriques ou hybrides. A fort couple, les aimants permanents d’une telle machine augmentent en température du fait des courants de Foucault créés par le champ magnétique généré par la machine. Ces courants de Foucault produisent des pertes électromagnétiques et risquent, par l’augmentation de température qu’ils induisent, de démagnétiser les aimants.
[0003] Afin de limiter ces courants de Foucault, il est connu d’utiliser des pôles magnétiques à aimants segmentés, c’est-à-dire que chaque pôle magnétique utilisant une matière aimantée est constitué de petits aimants, séparés les uns des autres par de la colle. Ces petits aimants sont formés par découpage de gros aimants. Pour une question de coût de fabrication, ils sont bien souvent de forme identique, par exemple parallélépipédique, non propice à former des pôles magnétiques de forme quelconque, notamment des pôles magnétiques de forme trapézoïdale comme on peut en trouver sur un rotor de machine à flux axial. De ce fait les bords des pôles d’une telle machine ne comprennent pas de matière magnétique, mais uniquement un matériau de remplissage, ce qui diminue le rendement de la machine en termes d’efficacité par rapport au matériau des pôles employé.
[0004] Une autre façon de limiter les courants de Foucault est d’utiliser des aimants liés pour former des pôles d’aimants de machine électrique. Ces aimants sont fabriqués à partir de poudre magnétique consolidée dans de la résine. Les pôles d’aimants conçus avec de tels aimants liés ne présentent pratiquement pas de courants de Foucault, mais leur champ magnétique est faible et leur homogénéité n’est pas optimale pour assurer le meilleur rendement possible de la machine électrique.
[0005] La présente invention vise à remédier au moins en partie aux inconvénients de la technique antérieure, en fournissant un pôle d’aimant lié présentant un champ ma- gnétique assez fort pour des applications de type machine électrique de traction ou de propulsion, un rotor de machine à flux axial comportant un tel pôle d’aimant lié ainsi qu’un procédé et un dispositif de fabrication d’un tel pôle d’aimant lié.
[0006] A cette fin, l’invention propose un pôle d’aimant lié de machine électrique, formé de poudre magnétique consolidée dans une résine, le pôle d’aimant lié s’étendant entre deux bords opposés angulairement et délimitant en partie deux surfaces destinées à être positionnées orthogonalement à une direction parallèle à un champ magnétique généré par un stator de la machine électrique,
[0007] le pôle d’aimant lié étant caractérisé en ce qu’il présente une densité de poudre magnétique plus importante dans une partie médiane du pôle d’aimant lié située entre les deux bords que dans au moins une partie latérale du pôle d’aimant lié située entre l’un des bords et la partie médiane.
[0008] Les deux bords opposés sont opposés angulairement par rapport à un angle de rotation d’un rotor de la machine électrique. Le pôle d’aimant lié est préférentiellement d’un seul tenant et est un pôle d’aimant du rotor de la machine électrique, cette machine étant une machine à flux axial ou à flux radial. La résine utilisée est un produit liant, préférentiellement à base de polymère, apte à se solidifier, par exemple de la résine époxy ou du polyéthylène. Cette résine est par exemple thermodurcissable ou thermoplastique, et est électriquement isolante. Elle peut également être formée d’un mélange de telles matières.
[0009] De préférence également les parties latérales du pôle d’aimant lié présentent toutes une densité magnétique plus faible qu’une partie centrale du pôle d’aimant lié. Notamment, selon une caractéristique avantageuse de l’invention, la densité de poudre magnétique est plus importante dans la partie médiane que dans une partie latérale du pôle d’aimant lié située entre l’autre des bords et la partie médiane.
[0010] Grâce à l’invention, le champ magnétique créé dans la partie médiane du pôle d’aimant lié est plus important que dans les parties latérales du pôle d’aimant lié opposées angulairement l’une de l’autre par rapport à la partie médiane. Cela permet de diminuer les ondulations de couple par rapport à une machine électrique de l’art antérieur, et donc de diminuer également le bruit, les vibrations et les pertes électriques par rapport à une machine de l’art antérieur.
[0011] Selon une autre caractéristique avantageuse de l’invention, la densité de poudre magnétique augmente progressivement depuis au moins un des bords vers la partie médiane du pôle d’aimant lié. Cette augmentation progressive est de préférence continue. Cela permet encore de diminuer les ondulations de couple de la machine électrique comportant le pôle d’aimant selon l’invention.
[0012] Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l’invention, la densité de poudre magnétique est homogène dans la direction parallèle au champ magnétique généré par un stator de la machine électrique. Ainsi la distribution magnétique du pôle d’aimant lié est optimale. Par homogène on entend sensiblement homogène avec une tolérance de dix pour cent par exemple par rapport à une valeur de densité moyenne.
[0013] L’invention concerne aussi un rotor de machine électrique à flux axial comportant un moyeu, une armature amagnétique autour du moyeu et présentant des logements, caractérisé en ce qu’au moins un des logements comporte un pôle d’aimant lié selon l’invention.
[0014] L’invention concerne également une machine électrique comportant un rotor de machine à flux axial selon l’invention.
[0015] L’invention concerne encore un procédé de fabrication d’un pôle d’aimant lié de machine électrique selon l’invention, comportant des étapes de :
[0016] - mélange de la poudre magnétique dans la résine liquide,
[0017] - insertion du mélange dans un moule dont la partie utile comporte un volume destiné à former le pôle d’aimant lié, le volume comportant une section médiane destinée à former la partie médiane du pôle d’aimant lié, et au moins une section latérale destinée à former F au moins une partie latérale du pôle d’aimant lié,
[0018] - application d’un champ magnétique au moule, l’intensité du champ magnétique étant plus importante dans la section médiane du volume que dans la section latérale du volume, et
[0019] - solidification du volume.
[0020] Dans ce procédé de fabrication, le volume utile du moule peut servir à former un ou plusieurs aimants liés ou une partie d’aimant lié, notamment une moitié d’aimant lié. Le moule comporte éventuellement l’armature amagnétique du rotor selon l’invention. Dans ce cas les pôles d’aimants du rotor sont moulés directement dans les logements de l’armature destinés à recevoir ces pôles d’aimants. De plus, dans ce procédé de fabrication, l’étape de solidification dépend de la résine utilisée, cette étape pouvant nécessiter une cuisson ou un refroidissement à température ambiante, en fonction de la réaction chimique permettant cette solidification. De préférence, dans l’étape d’application du champ magnétique au moule, l’intensité du champ magnétique est décroissante depuis la section médiane vers la section latérale du volume. Cette application du champ magnétique est réalisée par des aimants permanents ou par des électro-aimants.
[0021] Le procédé de fabrication selon l’invention permet de concentrer la poudre magnétique, lors de la fabrication du pôle d’aimant lié, dans la partie médiane de ce pôle d’aimant lié. Ainsi la concentration de matière magnétique au centre du pôle d’aimant est plus importante que dans un pôle d’aimant de l’art antérieur. De ce fait, le couple réalisé par la machine électrique comportant le pôle d’aimant selon l’invention est plus important que dans une machine de l’art antérieur utilisant un pôle d’aimant lié de l’art antérieur. De manière générale, cette répartition optimale de la matière magnétique dans le pôle d’aimant améliore l’efficacité de la machine électrique par rapport à l’art antérieur, notamment par rapport à la masse d’aimants utilisée.
[0022] Avantageusement dans le procédé de fabrication selon l’invention, l’étape de solidification est suivie d’une étape de découpe d’une section d’extrémité du volume, la section d’extrémité jouxtant la section latérale du volume, à l’opposé de la section médiane du volume. Cette étape permet d’augmenter la densité volumique globale de matière magnétique dans le pôle d’aimant lié selon l’invention, par rapport à l’art antérieur.
[0023] Selon une variante de réalisation de l’invention, dans laquelle le moule permet de former une moitié de pôle d’aimant lié, le procédé de fabrication d’un pôle d’aimant lié de machine électrique selon l’invention comporte des étapes de :
[0024] - mélange de la poudre magnétique dans la résine liquide,
[0025] - insertion du mélange dans un moule dont la partie utile comporte un volume destiné à former une moitié de pôle d’aimant lié, le volume comportant une portion destinée à former une moitié de la partie médiane du pôle d’aimant lié,
[0026] - positionnement du moule contre un aimant permanent, la portion du volume étant positionnée de façon proximale à l’aimant permanent,
[0027] - solidification du volume,
[0028] - solidarisation du volume à un autre volume solidifié obtenu par des étapes identiques aux étapes précédentes.
[0029] Dans cette variante de réalisation, le volume solidifié comportant une surface destinée à être positionnée orthogonalement à la direction parallèle au champ magnétique généré par le stator de la machine électrique, le champ magnétique créé par l’aimant permanent entre ses pôles nord et sud est par exemple parallèle ou orthogonal à cette surface. De plus, dans cette variante de réalisation, l’étape de solidification ou de solidarisation est éventuellement suivie d’une étape de découpe d’au moins une section d’extrémité du ou des volumes solidifiés, cette section d’extrémité étant distale à la portion du volume comportant la densité magnétique la plus importante.
[0030] L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un rotor de machine électrique à flux axial selon l’invention, dans lequel le pôle d’aimant lié est fabriqué par le procédé de fabrication d’un pôle d’aimant lié selon l’invention, le procédé de fabrication d’un rotor comportant des étapes de :
[0031] - disposition du pôle d’aimant lié dans le logement de l’armature magnétique, et
[0032] - magnétisation du pôle d’aimant lié.
[0033] Cette dernière étape de magnétisation permet de former les pôles nord et sud du rotor selon l’invention.
[0034] L’invention concerne enfin un dispositif de fabrication d’un pôle d’aimant lié de machine électrique selon l’invention, comportant :
[0035] - un moule,
[0036] - un premier générateur d’un champ magnétique dans une direction de magnétisation,
[0037] - un deuxième générateur d’un champ magnétique dans la direction de magnétisation,
[0038] - un support positionné entre les deux générateurs orthogonalement à la direction de magnétisation, le support étant apte à recevoir le moule, et
[0039] - un guide de flux magnétique apte à concentrer au milieu du support le champ magnétique généré par au moins un des deux générateurs.
[0040] Les premiers et deuxièmes générateurs sont des aimants permanents ou des électroaimants.
[0041] Avantageusement, le guide de flux magnétique comporte deux plaques ferromagnétiques orthogonales à la direction de magnétisation et recouvrant chacune deux extrémités des générateurs, chaque plaque présentant du côté du support depuis une première extrémité de la plaque, une évolution d’épaisseur de la plaque, l’épaisseur de la plaque étant plus importante en son milieu qu’en au moins une de ses extrémités. Ce mode de réalisation a l’avantage de la simplicité.
[0042] Le rotor selon l’invention, la machine électrique selon l’invention et le dispositif de fabrication selon l’invention présentent des avantages analogues à ceux du pôle d’aimant selon l’invention et du procédé de fabrication d’un pôle d’aimant selon l’invention.
[0043] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[0044] [Fig.l] représente un rotor de machine électrique selon l’invention, dans un mode de réalisation de l’invention,
[0045] [Fig.2] représente une vue de dessus et une vue en coupe d’un pôle d’aimant lié du rotor de la [Fig.l],
[0046] [Fig.3] représente des étapes d’un procédé de fabrication d’un rotor selon l’invention, et d’un pôle d’aimant lié selon l’invention, dans un mode de réalisation de l’invention,
[0047] [Fig.4] représente des éléments d’un dispositif de fabrication d’un pôle d’aimant lié selon l’invention, formant une enceinte dans laquelle les éléments génèrent un champ magnétique, dans un mode de réalisation de l’invention,
[0048] [Fig.5] représente un moule comportant un mélange homogène de poudre magnétique et de résine, inséré dans l’enceinte de la [Fig.4],
[0049] [Fig.6] représente le moule de la [Fig.5] dans l’enceinte, après migration de la poudre magnétique dans une partie centrale du moule suite à l’effet du champ magnétique,
[0050] [Fig.7] représente une vue au microscope de grains de poudre magnétique dans le mélange homogène de la [Fig.5],
[0051] [Fig.8] représente une vue au microscope de grains de poudre magnétique d’un mélange inhomogène présent dans le moule de la [Fig.6],
[0052] [Fig.9] représente une étape de coupe de sections d’extrémité d’un volume solidifié issu d’un démoulage du moule de la [Fig.6],
[0053] [Fig.10] représente en perspective le résultat de l’étape représentée sur la [Fig.9],
[0054] [Fig.11] représente le rotor selon l’invention à différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un rotor selon l’invention, dans une variante de réalisation de l’invention, [0055] [Fig.12] représente des étapes d’un procédé de fabrication d’un rotor selon l’invention, et d’un pôle d’aimant lié selon l’invention, dans une variante de réalisation de l’invention,
[0056] [Fig.13] représente une étape de positionnement d’un moule comportant un mélange de poudre magnétique et de résine contre un aimant permanent, et une étape de solida- risation de deux volumes solidifiés issus d’un tel moule, dans la variante de réalisation de l’invention, et
[0057] [Fig.14] représente une étape de positionnement alternative d’un moule comportant un mélange de poudre magnétique et de résine contre un aimant permanent, et une étape de solidarisation de deux volumes solidifiés issus d’un tel moule, dans la variante de réalisation de l’invention.
[0058] Selon un mode de réalisation de l’invention illustré [Fig.l], un rotor 30 de machine électrique à flux axial selon l’invention comporte un moyeu destiné à recevoir un arbre tournant selon un axe de rotation X passant au centre O du rotor 30. Le rotor 30 comporte une armature amagnétique 32, par exemple en aluminium ou en matière composite synthétique. Cette armature amagnétique 32 comporte une partie circulaire interne proximale au moyeu, et comporte une partie circulaire externe distale au moyeu. L’armature amagnétique 32 comporte des branches 34 joignant ces deux parties circulaires, les branches 34 étant régulièrement réparties angulairement autour du moyeu. Par « angulairement » on entend selon une direction angulaire. Une direction axiale étant définie par l’axe de rotation X, la direction angulaire est définie comme tournante autour de cette direction axiale, et une direction radiale comme orthogonale à la direction axiale et passant par le centre O du rotor 30.
[0059] Les branches 34 définissent, entre les parties circulaires de l’armature 32, des logements dans lesquels sont fixés des pôles magnétiques 20, qui sont chacun, dans ce mode de réalisation de l’invention, des pôles d’aimant lié selon l’invention. Chaque pôle d’aimant lié 20 émet un champ magnétique M dans la direction axiale et est formé de poudre magnétique consolidée dans une résine, par exemple une résine époxy. Chaque pôle d’aimant lié 20 s’étend entre deux bords 22 et 24 angulairement opposés, et entre deux bords 26, 28 radialement opposés, le bord 26 étant proximal au moyeu. Chaque pôle d’aimant lié 20 prend la forme d’un prisme droit de forme trapézoïdale, les bords 22, 24, 26, 28 délimitant deux surfaces 21, 23 de même dimension en forme de trapèze. Ces surfaces 21, 23 délimitent elle-même l’épaisseur du pôle d’aimant 20, dans la direction axiale. Les surfaces 21, 23 sont destinées à recevoir orthogonalement un champ magnétique généré par un ou plusieurs stators de la machine électrique en fonctionnement. La machine électrique comporte par exemple deux stators prenant en tenaille le rotor 30 dans la direction axiale, ou bien un seul stator dont les pôles magnétiques font face, au moins en partie, aux pôles magnétiques du rotor 30 dans la direction axiale.
[0060] La densité de poudre magnétique dans chaque pôle d’aimant lié 20 n’est pas homogène, comme plus facilement visible sur la [Fig.2] représentant en détail un des pôles d’aimant lié 20 du rotor 30. La densité de poudre magnétique en une partie du pôle d’aimant lié 20 représentée sur cette [Fig.2] est d’autant plus importante que la couleur de cette partie est foncée. Une section S du pôle d’aimant lié 20 dans la direction angulaire montre que la densité de poudre magnétique du pôle d’aimant lié 20 dans la direction axiale est homogène. En revanche dans la direction angulaire, le pôle d’aimant lié 20 présente une partie médiane 25 occupant la majeure partie du pôle d’aimant lié 20 au centre de ce pôle d’aimant lié 20, dans laquelle la densité de poudre magnétique est plus importante que dans des parties latérales 27, 29 du pôle d’aimant lié 20, opposées angulairement par rapport à la partie médiane 25. Typiquement :
[0061] - le champ magnétique rémanent dans la partie médiane 25 est compris entre 0,6 et
IT (Tesla), et
[0062] - le champ magnétique rémanent dans les parties latérales 27, 29 est compris entre 0 et 0,2T.
[0063] De même la densité de poudre magnétique est plus importante dans la partie médiane 25 que sur les parties périphériques du pôle d’aimant lié 20 jouxtant la partie circulaire interne ou la partie circulaire externe de l’armature amagnétique 32.
[0064] Comme visible également sur la [Fig.2], la densité de poudre magnétique décroît progressivement depuis la partie médiane 25 vers les bords 22, 24 opposés angulairement du pôle d’aimant lié 20.
[0065] Il est à noter que dans cette demande les directions angulaire, radiale ou axiale sont parfois utilisées pour décrire les pôles d’aimant lié 20 ou des parties de ces pôles alors qu’ils ne sont pas encore insérés dans les logements du rotor 30. La géométrie même des pôles est en effet intimement liée à la position de ces pôles dans les logements du rotor 30. On comprend donc que dans ce cas, la direction axiale est toujours orthogonale aux surfaces de plus grande dimension 21, 23 du pôle d’aimant lié 20 considéré, que la direction radiale est toujours orthogonale à la direction axiale et sensiblement parallèle à l’un des bords 22, 24 du pôle d’aimant lié considéré, tandis que la direction angulaire est toujours orthogonale à la direction axiale et sensiblement parallèle à l’un des bords 26, 28 du pôle d’aimant lié 20 considéré.
[0066] L’obtention d’un pôle d’aimant lié 20 selon l’invention requière une étape de concentration de la poudre magnétique dans la résine au centre du pôle d’aimant lié 20 avant solidification de la résine.
[0067] La [Fig.3] décrit un mode de réalisation d’un procédé de fabrication 1 du rotor 30 selon l’invention, incluant un procédé 10 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 selon l’invention, cependant d’autres modes d’obtention d’un tel rotor 30 selon l’invention ou d’un pôle d’aimant lié 20 selon l’invention sont envisageables. Plus précisément des premières étapes 11 à 15 du procédé de fabrication 1 du rotor 30 selon l’invention sont des étapes du procédé 10 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 selon l’invention.
[0068] La première étape 11 du procédé 10 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 est le mélange d’une poudre magnétique, par exemple une poudre de Néodyme Fer Bore (NdFeB) ou de Samarium Cobalt (SmCo), dans une résine liquide telle qu’une résine époxy. En variante un autre type de résine est utilisé, par exemple un polyamide. Le mélange réalisé dans cette première étape 11 est un mélange homogène de la poudre magnétique dans la résine.
Une deuxième étape 12 du procédé 10 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 est l’insertion du mélange réalisé à l’étape précédente dans un moule 4 (référencé [Fig.5]) dont le volume interne prend la forme d’un prisme droit de base trapézoïdale, de même épaisseur que le pôle d’aimant lié 20 mais plus étendu radialement et angulairement. Ce volume interne est destiné à former le pôle d’aimant lié 20, et comporte donc une section médiane destinée à former la partie médiane 25 du pôle d’aimant lié 20, et des sections latérales destinées à former les parties latérales 27, 29 du pôle d’aimant lié 20. En variante, le volume interne du moule 4 est destiné à former plusieurs pôles d’aimant lié 20 à la fois, par exemple en présentant une épaisseur multiple de l’épaisseur du pôle d’aimant lié 20, ou, dans une autre variante, le volume interne du moule 4 prend exactement la forme d’un pôle d’aimant lié 20 ou bien de plusieurs pôles d’aimants lié 20 superposés axialement les uns aux autres.
[0069] Une troisième étape 13 du procédé 10 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 est l’application d’un champ magnétique au moule 4. Pour cela, on utilise un dispositif de fabrication selon l’invention d’un pôle d’aimant lié 20, représenté aux figures 4 à 6. Sur ces figures, deux aimants permanents 6 et 8 à distance l’un de l’autre génèrent un champ magnétique respectivement ml et m2. La direction des champs magnétiques ml et m2 dans chaque aimant permanent 6, 8 entre le pôle sud et le pôle nord de cet aimant permanent 6, 8, est appelée direction de magnétisation. Cette direction est la même pour chacun des aimants 6, 8 dont les moments magnétiques sont parallèles et de même sens. Une première plaque ferromagnétique 7 joint les pôles nord des aimants permanents 6 et 8, et une deuxième plaque ferromagnétique 9 joint les pôles sud des aimants permanents 6 et 8. Les aimants permanents 6, 8 et les plaques 7, 9 forment ensemble une enceinte dans laquelle circule les champs magnétiques créés par les aimants permanents 6, 8.
[0070] La première plaque ferromagnétique 7 guide les lignes de champ magnétique issues des pôles nord des aimants permanents respectifs 6, 8 jusqu’en son milieu, ces lignes de champ rebouclant à mi-distance des aimants permanents 6, 8 vers les pôles sud des aimants permanents respectifs 6,8 en traversant l’enceinte puis en passant dans la deuxième plaque ferromagnétique 9. La deuxième plaque ferromagnétique 9 guide les lignes de champ magnétique sortant des pôles sud des aimants permanents respectifs 6, 8 de manière symétrique au guidage effectué par la première plaque ferromagnétique 7.
[0071] Pour concentrer les lignes de champ magnétique traversant l’enceinte entre les deux plaques ferromagnétiques 7, 9 à mi-distance des aimants permanents 6, 8, chaque plaque ferromagnétique 7, 9 présente du côté de l’enceinte, une évolution d’épaisseur de sorte à être plus épaisse en son milieu qu’en ses extrémités, ce qui diminue la distance à parcourir dans l’air pour les lignes de champ magnétique traversant l’enceinte à mi-distance des aimants permanents 6, 8, par rapport à la distance entre les plaques ferromagnétiques à proximité des aimants permanents 6,8.
[0072] Notamment la première plaque ferromagnétique 7 présente depuis un premier palier coiffant le pôle nord de l’aimant permanent 6, des marches croissantes 70, 72 et 74, qui augmentent progressivement l’épaisseur de la première plaque ferromagnétique 7 jusqu’en son milieu, diminuant en conséquence la distance entre la première plaque ferromagnétique 7 et la deuxième plaque ferromagnétique 9 en son milieu par rapport à la distance entre ces plaques à proximité de l’aimant permanent 6. Puis la première plaque ferromagnétique 7 présente depuis la marche 74 médiane à cette plaque, des marches décroissantes 76, 78 jusqu’à un deuxième palier de la première plaque ferromagnétique 7 coiffant le pôle nord de l’aimant permanent 8.
[0073] De façon symétrique, la deuxième plaque ferromagnétique 9 présente depuis un premier palier coiffant le pôle sud de l’aimant permanent 6, des marches croissantes 90, 92 et 94, qui augmentent progressivement l’épaisseur de la deuxième plaque ferromagnétique 9 jusqu’en son milieu. Puis la deuxième plaque ferromagnétique 9 présente depuis la marche 94 médiane à cette plaque, des marches décroissantes 96, 98 jusqu’à un deuxième palier de la deuxième plaque ferromagnétique 9 coiffant le pôle sud de l’aimant permanent 8.
[0074] En variante, l’évolution d’épaisseur des plaques ferromagnétiques est plus progressive, par exemple ces plaques présentent chacune une surface convexe, arrondie ou bien formée de deux plans inclinés, du côté de l’enceinte parcourue par le champ ma- gnétique résultant des champs ml et m2 généré par les aimants. Dans la suite on fait référence à ce champ magnétique résultant sauf indication contraire, lorsqu’on évoque le champ magnétique généré par les aimants 6, 8. Ce champ magnétique est par exemple compris entre 0,5 et 1T.
[0075] Revenant à l’étape 13 d’application d’un champ magnétique au moule 4, celui-ci est placé, dans cette étape, dans l’enceinte formée par les aimants permanents 6, 8 et les plaques ferromagnétiques 7, 9, comme représenté à la [Fig.5]. Un support (non représenté) positionné entre les deux aimants permanents 6, 8 maintient le moule 4 or- thogonalement à la direction de magnétisation. Le moule 4 est positionné sur le support de sorte que la section médiane du volume interne du moule soit centrée en vis-à-vis des marches médianes 74 et 94 des deux plaques ferromagnétiques 7, 9, c’est-à-dire à l’endroit où le flux magnétique généré par les aimants permanents 6, 8 dans l’enceinte a une intensité maximale. Les sections latérales du volume interne sont parcourues par un flux magnétique de plus faible intensité.
[0076] Sur la [Fig.5], la couleur du mélange contenu dans le moule 4 est homogène car le champ magnétique généré par les aimants permanents 6, 8 n’a pas encore modifié l’homogénéité du mélange.
[0077] La [Fig.6] montre le résultat de l’étape 13 d’application du champ magnétique généré par les aimants permanents 6 et 8 sur le moule 4 après quelques minutes. La poudre magnétique s’est concentrée sous l’effet de ce champ magnétique dans la section médiane du volume interne du moule. De ce fait la section médiane va permettre de former la partie médiane 25 du pôle d’aimant lié 20, et les sections latérales vont permettre de former les parties latérales 27, 29 du pôle d’aimant lié 20.
[0078] La [Fig.7] montre les grains de poudre magnétique dans le mélange, avant l’insertion du moule 4 dans l’enceinte. La [Fig.8] montre les grains de poudre magnétique dans le mélange après l’étape 13 d’application du champ magnétique au mélange, dans l’enceinte. Après l’étape 13, les grains de poudre magnétique se sont concentrés dans la section médiane du moule, et se sont orientés préférentiellement dans la direction de magnétisation, ce qui rend le flux magnétique généré par les grains de poudre magnétique plus important dans cette direction de magnétisation. Il est à noter que les flèches sur les grains de poudre magnétique indiquent une direction de magnétisation plus favorable que d’autres directions de magnétisation, sans indiquer une direction de magnétisation définitive. En effet la magnétisation finale du pôle d’aimant lié 20 a lieu après la solidification du mélange.
[0079] L’étape suivante 14 du procédé 10 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 est la solidification du mélange dans le moule, réalisée par séchage de la résine époxy dans l’enceinte du dispositif des figures 4 à 6. Pour cela la résine est chauffée à une température comprise entre 120° et 140°. En variante, notamment en fonction du type de résine utilisée, un refroidissement du mélange est effectué, le moule 4 restant toujours dans l’enceinte parcourue par le champ magnétique généré par les aimants permanents 6, 8.
[0080] L’étape suivante 15 du procédé 10 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 est ensuite, comme représenté [Fig.9], une découpe de sections d’extrémité 44 du volume solidifié 40 démoulé du moule 4 après l’étape 14 de solidification du mélange, ces sections d’extrémité jouxtant les sections latérales du volume 40, à l’opposé de la section médiane du volume 40. Dans cette étape on obtient plus généralement par découpage de parties périphériques en surplus dans le volume 40, le pôle d’aimant lié 20. Ces parties périphériques sont beaucoup moins denses en poudre magnétique que le reste du volume 40. Le pôle d’aimant lié 20 obtenu, de forme trapézoïdale, est illustré [Fig.10] en perspective.
[0081] L’étape suivante 16 est une étape du procédé 1 de fabrication du rotor 30, dans laquelle les pôles d’aimants liés 20 obtenus par une répétition des étapes 11 à 15 pour chaque pôle d’aimant lié du rotor 30, sont insérés dans l’armature amagnétique 32. Cette insertion se fait par exemple en utilisant une armature amagnétique en deux parties, la partie circulaire externe étant par exemple une frette fermant les logements des pôles magnétiques du rotor 30, une fois ces logements remplis avec les pôles d’aimants liés 20. Ceux-ci sont par exemple glissés entre les branches 34 de l’armature amagnétique 32 à l’aide de nervures sur les bords des pôles, complémentaires de rainures sur les branches 34 de l’armature amagnétique 32.
[0082] Enfin une dernière étape 17 du procédé 1 de fabrication du rotor 30 est la magnétisation des pôles d’aimant lié 20, pour former les pôles nord et sud du rotor 30. Chaque pôle d’aimant est soumis pour cela à un champ magnétique compris par exemple entre 4 et 5T, les pôles magnétiques adjacents étant soumis à un champ magnétique de sens contraire.
[0083] Bien sûr l’ordre des étapes 16 et 17 peut être inversé.
[0084] Dans une variante de réalisation de l’invention, illustrée [Fig.l 1], le procédé de fabrication d’un rotor selon l’invention comporte une étape de mélange similaire à l’étape 11 décrite précédemment, puis une étape d’insertion du mélange liquide obtenu dans un moule délimité au moins en partie par l’armature amagnétique 32. Dans cette variante l’armature amagnétique 32 est posée à plat sur un support, qui sert par exemple à maintenir le mélange liquide dans les logements des pôles magnétiques du rotor 30. Chaque logement forme donc lui- même un moule de pôle d’aimant lié 20. De plus un aimant permanent est disposé sur chaque branche 34 de l’armature amagnétique 32 de sorte à créer des lignes de champs magnétiques concentrées le long d’un axe de symétrie radial de chaque logement.
[0085] La [Fig.11] montre à gauche le mélange homogène de poudre magnétique et de résine inséré dans les logements avant l’action du champ magnétique généré par les aimants permanents positionnés sur les branches 34 du rotor 30. Au milieu le rotor 30 est représenté avec le mélange inhomogène obtenu suite à l’action de ce champ magnétique, les pôles d’aimants ayant été également solidifiés. A gauche le rotor 30 est représenté après une dernière étape de magnétisation. Dans cette variante de réalisation, on ne découpe pas les bords du volume solidifié issu du moule puisque le moule prend la forme exacte des pôles d’aimant lié.
[0086] Dans une autre variante de réalisation de l’invention représentée [Fig.12], un procédé de fabrication 100 du rotor 30 selon l’invention comporte des étapes 110 à 180, incluant des étapes d’un procédé 111 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 selon l’invention. Plus précisément les premières étapes 110 à 160 du procédé de fabrication 100 du rotor 30 selon l’invention sont des étapes du procédé 111 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 selon l’invention.
[0087] La première étape 110 du procédé 111 de fabrication d’un pôle d’aimant 20, est le mélange d’une poudre magnétique et d’une résine liquide, de manière similaire à l’étape 11 du mode de réalisation décrit précédemment.
[0088] Une deuxième étape 120 du procédé 111 de fabrication d’un pôle d’aimant lié 20 est l’insertion du mélange liquide obtenu à l’étape 110 précédente, dans un moule 2 (référencé [Fig.13]) dont le volume utile permet de former une moitié du pôle d’aimant lié 20 à fabriquer, cette moitié étant destinée à former avec une autre moitié du pôle d’aimant lié fabriquée en parallèle à ces étapes 110, 120, le pôle d’aimant lié 20. Les deux moitiés sont symétriques radialement l’une à l’autre une fois insérées dans un des logements du rotor 30. Une portion 252 du volume utile (référencée [Fig.13]) est destinée à former une moitié de la partie médiane 25 du pôle d’aimant lié 20.
[0089] Une troisième étape 130 du procédé 111 de fabrication du pôle d’aimant lié 20, représentée [Fig.13], est le positionnement du moule 2 contre un aimant permanent 3, de sorte que la portion 252 du volume utile mentionnée plus haut soit proximale à l’aimant permanent 3. Un support 5 permet de maintenir le moule 2 dans cette position, l’aimant permanent 3 générant entre ses pôles nord et sud un champ magnétique m3, dirigé axialement par rapport à la moitié de pôle d’aimant lié en formation dans le moule. Autrement dit le champ magnétique m3 traverse le volume utile du moule 2 dans son épaisseur, le volume utile ayant sensiblement l’épaisseur du pôle d’aimant lié 20 à fabriquer. La [Fig.13] montre à gauche le support 5 et l’aimant permanent m3 sans le moule 2, au milieu le moule 2 positionné dans le support 5 contre l’aimant permanent m3, le mélange liquide étant encore homogène, et plus à droite le moule 2 positionné dans le support 5 contre l’aimant permanent m3, la poudre magnétique dans le moule 2 s’étant concentrée dans la portion 252 du volume utile proximale à l’aimant permanent 3. [0090] Une quatrième étape 140 du procédé 111 de fabrication du pôle d’aimant lié 20 est la solidification du mélange liquide dans le moule 2 toujours positionné contre l’aimant permanent 3, par augmentation de la température du mélange jusqu’à une température comprise par exemple entre 120° et 140°.
Une cinquième étape 150 du procédé 111 de fabrication du pôle d’aimant lié 20 est la solidarisation, par exemple par collage, d’un volume 41 solidifié issu de l’étape précédente, à un volume 42 solidifié issu d’étapes parallèles 110 à 150 ayant formé la deuxième moitié du pôle d’aimant lié 20 à fabriquer. On obtient, à l’issu de cette étape 150 de solidarisation, le bloc montré complètement à droite de la [Fig.13].
[0091] Une sixième étape 160 du procédé 111 de fabrication du pôle d’aimant lié 20 est la découpe de parties périphériques d’extrémité de ce bloc, cette découpe étant identique à l’étape 15 du mode de réalisation décrit plus haut et permettant d’obtenir le pôle d’aimant lié 20.
[0092] De manière identique aux étapes 16 à 17 du mode de réalisation décrit plus haut, les étapes suivantes 170 et 180 du procédé de fabrication 100 du rotor 30 selon l’invention sont l’insertion 170 des pôles d’aimant lié 20 obtenus précédemment dans l’armature amagnétique 32 et la magnétisation de ces pôles d’aimant lié 20.
[0093] La [Fig.14] illustre une alternative de cette variante de réalisation, qui diffère de cette variante uniquement dans l’étape 130 de positionnement du moule 2 contre l’aimant permanent 3. Dans cette alternative, la portion 252 du volume utile du moule 2 est toujours positionnée de manière proximale à l’aimant permanent 3, grâce au support 5. Cependant l’aimant permanent 3 est positionné de manière que le champ magnétique m3 généré entre les pôles sud et nord de l’aimant permanent 3, soit dirigé parallèlement aux surfaces de plus grandes dimensions du moule, ce qui implique que les grains de la poudre magnétique dans le mélange liquide s’orientent magnétiquement dans cette étape 130, parallèlement aux surfaces de plus grandes dimensions du pôle d’aimant lié 20 en cours de fabrication. Bien sûr l’étape 180 de magnétisation corrige ensuite cette mauvaise orientation magnétique des grains de poudre magnétique dans le pôle d’aimant lié 20 solidifié. Cependant cette étape 130 permet, comme dans la variante principale de réalisation de l’invention, de concentrer la poudre magnétique dans la portion 252 du volume utile du moule destinée à former la moitié de la partie médiane 25 du pôle d’aimant lié 20.
[0094] Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment les caractéristiques des différents modes ou variantes de réalisation peuvent être combinées pour réaliser l’invention, dans la mesure où ces modes ou variantes ne sont pas incompatibles entre eux.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Pôle d’aimant lié (20) de machine électrique, formé de poudre magnétique consolidée dans une résine, le pôle d’aimant lié (20) s’étendant entre deux bords (22, 24) opposés angulairement et délimitant en partie deux surfaces (21, 23) destinées à être positionnées orthogonalement à une direction parallèle à un champ magnétique (M) généré par un stator de la machine électrique, le pôle d’aimant lié (20) étant caractérisé en ce qu’il présente une densité de poudre magnétique plus importante dans une partie médiane (25) du pôle d’aimant lié (20) située entre les deux bords (22, 24) que dans au moins une partie latérale (27, 29) du pôle d’aimant lié (20) située entre l’un des bords (22, 24) et la partie médiane (25).
[Revendication 2] Pôle d’aimant lié (20) selon la revendication 1, dans lequel la densité de poudre magnétique est plus importante dans la partie médiane (25) que dans une partie latérale (27, 29) du pôle d’aimant lié (20) située entre l’autre des bords (22, 24) et la partie médiane (25).
[Revendication 3] Pôle d’aimant lié (20) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la densité de poudre magnétique augmente progressivement depuis au moins un des bords (22, 24) vers la partie médiane (25) du pôle d’aimant lié (20).
[Revendication 4] Pôle d’aimant lié (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la densité de poudre magnétique est homogène dans la direction parallèle au champ magnétique (M) généré par un stator de la machine électrique.
[Revendication 5] Rotor (30) de machine électrique à flux axial comportant un moyeu, une armature amagnétique (32) autour du moyeu et présentant des logements, caractérisé en ce qu’au moins un des logements comporte un pôle d’aimant lié (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
[Revendication 6] Procédé de fabrication (10) d’un pôle d’aimant lié (20) de machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comportant des étapes de :
- Mélange (11) de la poudre magnétique dans la résine liquide,
- Insertion (12) du mélange dans un moule (4) dont la partie utile comporte un volume (40) destiné à former le pôle d’aimant lié (20), le volume (40) comportant une section médiane destinée à former la partie médiane (25) du pôle d’aimant lié (20), et au moins une section latérale destinée à former F au moins une partie latérale (27, 29) du pôle d’aimant lié (20),
- Application (13) d’un champ magnétique (ml, m2) au moule (4), l’intensité du champ magnétique (ml, m2) étant plus importante dans la section médiane du volume (40) que dans la section latérale du volume (40), et
- solidification (14) du volume (40).
[Revendication 7] Procédé de fabrication (10) d’un pôle d’aimant lié (20) selon la revendication 6, dans lequel l’étape de solidification (14) est suivie d’une étape de découpe (15) d’une section d’extrémité (44) du volume, la section d’extrémité jouxtant la section latérale du volume (40), à l’opposé de la section médiane du volume (40).
[Revendication 8] Procédé de fabrication (1) d’un rotor (30) de machine électrique à flux axial selon la revendication 5, dans lequel le pôle d’aimant lié (20) est fabriqué par le procédé de fabrication (10) selon la revendication 6 ou 7, le procédé de fabrication (1) d’un rotor (30) comportant des étapes de :
- Disposition (16) du pôle d’aimant lié (20) dans le logement de l’armature magnétique (32), et
- Magnétisation (17) du pôle d’aimant lié (20).
[Revendication 9] Dispositif de fabrication d’un pôle d’aimant lié (20) de machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comportant :
- un moule (4),
- un premier générateur (6) d’un champ magnétique (m2) dans une direction de magnétisation,
- un deuxième générateur (8) d’un champ magnétique (ml) dans la direction de magnétisation,
- un support positionné entre les deux générateurs orthogonalement à la direction de magnétisation, le support étant apte à recevoir le moule (4), et
- un guide de flux magnétique (7, 9) apte à concentrer au milieu du support le champ magnétique (ml, m2) généré par au moins un des deux générateurs (6, 8).
[Revendication 10] Dispositif de fabrication d’un pôle d’aimant lié (20) pour rotor (30) de machine électrique selon la revendication 9, dans lequel le guide de flux magnétique (7, 9) comporte deux plaques ferromagnétiques orthogonales à la direction de magnétisation et recouvrant chacune deux extrémités des générateurs (6, 8), chaque plaque présentant du côté du support depuis une première extrémité de la plaque, une évolution d’épaisseur de la plaque, l’épaisseur de la plaque étant plus importante en son milieu qu’en au moins une de ses extrémités.
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US20120091832A1 (en) * 2009-09-21 2012-04-19 Soderberg Rod F Matrix material comprising magnetic particles for use in hybrid and electric vehicles
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