Brevet FR2730874A1 — publié le 19960823

INDUCTEUR COMPOSITE POUR MACHINES TOURNANTES ELECTRIQUES COMPORTANT DES AIMANTS PERMANENTS FRITTES ENROBES DANS UN LIANT FERROMAGNETIQUE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un inducteur de machine tournante électrique comportant des aimants permanents frittés enrobés dans un liant ferromagnétique. Les machines électriques tournantes sont principalement les moteurs électriques ou les générateurs électriques, par exemple pour les auxiliaires automobiles; elles comportent un inducteur qui est généralement le stator mais parfois le rotor. ETAT DE LA TECHNIQUE Habituellement un inducteur comprend une culasse, pièce tubulaire cylindrique dont la section droite présente au moins un axe de symétrie et généralement est de forme circulaire, polygonale ou carrée aux angles arrondis. Sur la paroi intérieure de la culasse en matériau magnétique doux, sont fixés un ou plusieurs aimants permanents en matériau magnétique dur. Ils peuvent être de forme annulaire, une seule pièce aimantée recouvrant le pourtour intérieur de la section droite, ou sous forme de plusieurs pièces aimantées réparties symétriquement sur ledit pourtour; ces pièces peuvent alors avoir une section droite par exemple rectangulaire ou préférentiellement être un secteur de couronne circulaire, ou peuvent avoir au moins une face à section circulaire adaptée à l'induit. Lesdits aimants permanents peuvent être des pièces frittées, ou des composites, par exemple comprenant la matière aimantée noyée dans une résine solide. Ils sont tels qu'ils laissent au centre de la culasse un espace dans lequel prend place l'induit de la machine tournante. Des pièces polaires peuvent compléter les aimants permanents du coté de l'induit pour canaliser le flux magnétique et améliorer les performances de la machine tournante. La matière active des aimants permanents est de type connu, par exemple ferrite, alliage contenant des terres-rares (comme Nd-Fe-B ou Sm-Co) ou autres matériaux. Les pièces polaires sont en matériau magnétique doux, comme la culasse, par exemple en acier. Entre les aimants ou les pièces polaires et l'induit se situe l'espace d'entrefer dont l'épaisseur doit être aussi réduite et régulière que possible. Dans les fabrications de moteurs en série elle est habituellement de l'ordre de 0,6 à 1 mm. I1 est difficile d'avoir une épaisseur plus faible compte tenu en particulier que la culasse, à laquelle sont adossés les aimants avec éventuellement leurs pièces polaires, est généralement en acier roulé ou embouti et présente une irrégularité géométrique, due aux tolérances dimensionnelles et de symetrie, qui est cumulée avec celle des autres composants. Pour arriver à ce résultat, il est nécessaire de faire subir à l'aimant un usinage soigné et coûteux. Cet usinage demande en particulier beaucoup de soin lorsque l'aimant est en matériau fritté. Cependant il est parfois possible de réaliser des entrefers d'épaisseur réduite jusqu'à 0,3mm en accumulant les précautions d'usinage et d'assemblage des différents composants de l'inducteur, precautions qui sont souvent délicates à réaliser et conduisent à une importante augmentation de coût. Les aimants sont habituellement fixés dans la culasse à l'aide d'agrafes ou épingles amovibles, par maintien dans une cage amagnétique (par ex. en matière plastique) ou par collage ou injection d'une résine amagnétique. Il est aussi connu et avantageux pour effectuer le montage des aimants de réaliser une pièce rigide comportant des aimants usinés (avec éventuellement leurs pièces polaires) surmoulés à l'aide d'un matériau amagnétique par exemple de l'aluminium ou une résine thermodurcissable. L'ensemble rigide est ensuite introduit et positionné aisément dans la culasse; il peut également être obtenu en surmoulant les aimants directement dans la culasse. Une solution de ce type est connue du brevet FR.2617344 qui décrit des aimants composites (4), réalisés à partir d'une poudre de Nd-Fe-B mélangée à un liant ou compactée, surmoulés dans la culasse (1) à l'aide d'une résine qui assure leur fixation grâce aux parties latérales (7); en outre l'aimant se trouve protégé, sur sa face en regard avec l'induit, par un voile de résine (5) contre une atmosphère éventuellement corrosive. Comme cela a été dit, un tel mode de fixation ne permet pas à lui seul d'obtenir un entrefer aimant/induit plus mince et régulier que ce qui a été vu plus haut, en raison du fait que ledit entrefer dépend des tolérances de la culasse et du montage mais également de l'épaisseur du voile de résine amagnétique déposé sur ladite surface de l'aimant en regard avec l'induit. Ainsi dans le mode de réalisation decrit, l'épaisseur d'entrefer aimant/induit sera plus grande que les valeurs habituelles de 0,6 à lmm données ci-dessus puisqu'il faudra y ajouter l'épaisseur de substance amagnétique (5) recouvrant la face polaire de l aimant; les performances de la machine tournante en seront affectées d'autant, même si la distance séparant la substance amagnétique (5) de l'induit est très faible (par exemple 0,3mm). Aussi, la demanderesse a-t-elle cherché à mettre au point des inducteurs ne nécessitant au mieux qu'un usinage partiel et peu onéreux des aimants permanents, par exemple un simple dégrossissage, voir aucun usinage, ou plus généralement dont la forme n'a pas besoin d'être rigoureuse, tout en permettant au moins le maintien, mais plus généralement une amélioration, des caractéristiques des machines tournantes obtenues. Elle a recherché également à mieux contrôler la dispersion des lignes de flux dans l'entrefer ce qui permet encore d'améliorer les performances individuelles des machines tournantes et aussi l'homogénéité des productions en série de machines, tout en conservant une grande facilité de montage. Elle a encore cherché à obtenir de faibles entrefers, par exemple d'au plus 0,3mm, tout en conservant les avantages ci-dessus. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention est un inducteur pour machine tournante électrique comportant une culasse cylindrique creuse ou pleine sur une paroi latérale de laquelle est fixé au moins un aimant ayant une face polaire située en regard d'un induit, caractérisé en ce que l'aimant est fixé à la culasse par un surmoulage enrobant au moins ladite face polaire à l'aide d'un matériau composite de surmoulage comprenant un matériau ferromagnétique dispersé dans un liant solide amagnétique. L'invention concerne le plus souvent un inducteur comportant une culasse cylindrique creuse sur la paroi intérieure de laquelle le ou les aimants sont fixés. L'induit se trouve alors à l'intérieur de l'inducteur. Mais elle concerne également un inducteur comportant une culasse ou noyau cylindrique, plein ou creux, sur la paroi extérieure duquel le ou les aimants sont fixés. L'induit entoure alors l'inducteur. Ainsi l'invention concerne un inducteur que celui-ci soit stator ou rotor et qu'il soit situé à l'extérieur ou à l'intérieur de l'induit. L'invention est surtout appliquée à la production en série de générateurs ou moteurs électriques en particulier pour les auxiliaires automobiles, où l'inducteur est généralement le stator. La culasse (ou le noyau) a généralement une section droite avec un centre de symétrie; elle est par exemple de forme polygonale avec des angles arrondis, ou de préférence circulaire (par exemple en forme de tube). Elle est habituellement en matériau ferromagnétique dense, par exemple acier, de façon à boucler les lignes de flux magnétiques. Selon une configuration préférée de l'invention, l'inducteur comprend plusieurs aimants permanents qui constituent autant de pôles. Ils ont habituellement une forme en tuile canal telle que leur section droite est un secteur de couronne circulaire, dont le diamètre intérieur est adapté à celui de l'induit. Mais l'invention permet également d'utiliser des aimants à section droite rectangulaire, ou carrée, pour obtenir des machines tournantes ayant de très bonnes performances. Les aimants sont de type connu. Ils peuvent être des aimants permanents à base de ferrite ou de terres rares et métal de transition (par ex. Fe-Nd-B ou Sm-Co ...) et peuvent se présenter sous forme de pièces frittées, moulées, obtenues par déformation d'une ébauche ou des pièces composites comprenant le matériau aimanté magnétique dur dispersé dans une matrice solide amagnétique, par exemple une résine. Ils sont habituellement positionnés à proximité de la paroi latérale de la culasse et de façon à ce que leur grand axe soit parallèle à celui de la culasse. Leur fixation est obtenue grâce au surmoulage. Ce dernier peut être effectué par injection, extrusion, compaction, moulage, etc... pour former une pièce rigide qui est ensuite mise en place sur la culasse; le matériau de surmoulage peut également être mis en oeuvre directement dans, et éventuellement autour de, la culasse après avoir mis en place les aimants. Le matériau de surmoulage enrobe au moins partiellement chacun des aimants, les maintient en place les uns par rapport aux autres et par rapport à la culasse. Le surmoulage est tel que les aimants sont répartis sur la surface périphérique de la culasse et qu'il délimite le diamètre de l'inducteur. C'est ce diamètre complété avec l'épaisseur de l'entrefer qui donnera le diamètre de l'induit. Le matériau de surmoulage recouvre la face polaire de l'aimant en regard avec l'induit et puisqu'il contient un matériau ferromagnétique, c'est lui qui assure et règle l'entrefer avec ledit induit. La couche de matière de surmoulage recouvrant la face polaire est appelée couche polaire; elle est la plus mince possible pour éviter les fuites de flux magnétiques transversales et elle doit être suffisamment épaisse pour s'affranchir des irrégularités de forme de la face polaire et de positionnement des aimants. Elle est généralement comprise entre 0,5 et 5mm et de préférence entre 0,5 et 1,5 mm pour les moteurs courants. Entre deux aimants consécutifs, on peut disposer un pont (ou zone de retour) de matière de surmoulage, qui assure en particulier la rigidité de l'ensemble inducteur et peut éviter de prévoir des points d'ancrage dans la culasse. Son épaisseur doit être suffisamment faible pour éviter des fuites flagnétiques mais elle permet également de désaturer la culasse; elle est de préférence de l'ordre de 1 à 4 mm. Le matériau composite de surmoulage comprend généralement un métal ferromagnétique doux (par ex. au moins Fe, Co, Ni ou leurs alliages et éventuellement d'autres éléments d'additions connus) dispersé dans un matériau amagnétique solide par exemple une résine ou un liant thermodurcissable ou thermoplastique tels que les polyamides, polyesters, les polyestertéréphtalates (PET), les résines phénoliques, èpoxy, etc... La perméabilité magnétique de ce composite est toujours plus grande que 1 puisque le liant amagnetique contient un métal ferromagnétique; elle est généralement supérieure à 2 et de préférence comprise entre 4 et 40. Le taux de métal ferromagnétique se situe de préférence entre 10 et 40% (en volume). I1 est à noter que dans le matériau de surmoulage peuvent être également noyées des pièces polaires en métal ferromagnétique doux ou des inserts amagnetiques, par ex. de positionnement, selon les besoins. Les aimants permanents peuvent, cornme cela a été dit, se contenter d'un usinage réduit ou sommaire pour éliminer les gros défauts, voire aucun usinage. En effet dans l'invention l'épaisseur et la régularité de l'entrefer ne sont pas déterminées par l'intervalle entre un aimant usiné avec précision selon l'art antérieur et l'induit, mais c'est la matière de surmoulage ou d'enrobage contenant le matériau dispersé magnétique doux et mis en forme à des cotes précises qui assure l'entrefer et qui permet de s'affranchir des irrrégularités résultant d'un aimant non parfaitement usiné ou positionné ou d'une culasse imparfaite. Le matériau de surmoulage ferromagnétique enrobant l'aimant permet de régulariser l'induction magnétique dans l'entrefer et minimiser ainsi la variation de couple de la machine consécutive aux variations brusques d'induction dans l'entrefer. De plus, le surmoulage permet une immobilisation complète et rigide de l'aimant, qui ne génère plus de vibrations mécaniques. Ainsi les bruits d'origine magnétique et mécanique sont considérablement réduits. Le fait de pouvoir mettre en forme aisément le matériau de surmoulage directement à des cotes précises correspondant à l'induit, permet d'obtenir des épaisseurs d'entrefer très réduites toujours inférieures à 0,7mm mais pouvant aisément atteindre ou être inférieures à 0,3mm. En pratique on utilise souvent cette valeur qui représente un bon compromis entre une épaisseur d'entrefer plus faible qui permet une augmentation du couple moteur et une épaisseur plus élevée moins sensible aux irrégularités géométriques et magnétiques du montage. L'invention permet cependant en cas de besoin de réduire encore l'épaisseur d'entrefer sans altérer sensiblement la régularité de fonctionnement de la machine tournante et la constance des caractéristiques lors de la production en série. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait qu'il n'est pas nécessaire de procéder à un positionnement rigoureux des aimants ou d'utiliser des aimants reproduisant fidèlement la forme de l'induit puisque, à l'inverse de ce qui est nécessaire dans l'art antérieur, ce n'est pas d'eux que dépend l'entrefer mais du matériau de surmoulage. Quand l'inducteur comprend plusieurs aimants permanents, il est particulièrement avantageux que les fuites magnétiques se produisant par les parties latérales du matériau de surmoulage enrobant les bords (le pourtour) des aimants soient réduites au minimum afin de limiter les pertes de flux magnétique dans la culasse. Pour cela on peut reduire au minimum l'épaisseur de cette partie latérale qui ne dépasse pas en général 1 à 5mm. On peut également la supprimer complètement, en laissant cependant subsister par endroits des plots de raccordement en matériau de surmoulage qui contribuent au maintien des aimants et au raccordement de la couche polaire avec la zone de retour. Ces parties latérales ou les plots de raccordement peuvent aussi être réalisés en matériau de surmoulage amagnétique, constituant ainsi un assemblage composite ferromagnétique et amagnétique des aimants dans la culasse. D'autres possibilités offertes grâce aux avantages apportés par l'invention consistent par exemple - à encombrement du moteur constant et à entrefer également constant, à diminuer le volume d'aimant non usiné pour obtenir un flux sensiblement équivalent à celui d'une structure standard de l'art antérieur utilisant des aimants usinés maintenus dans la culasse par collage, surmoulage amagnétique ou fixation mécanique; - à encombrement du moteur constant, à diminuer l'entrefer ainsi que le volume d'aimant non usiné pour obtenir un flux supérieur à celui de ladite structure, donc à améliorer les performances de la machine tournante; - à volume d'aimant constant et à entrefer éventuellement réduit, à accroître considérablement le flux par rapport à ladite structure standard, donc les performances de la machine tournante;; - à encombrement constant et à entrefer éventuellement réduit, à accroître le volume d'aimant non usiné en augmentant l'angle de couverture d'un pôle. Habituellement, et spécialement dans le cas des aimants frittés anisotropes ayant la forme de tuile canal, les contraintes de fabrication ne permettent pas de réaliser d'un seul tenant et de manière économique, des aimants présentant un angle de couverture important. Ainsi grâce au surmoulage de l'invention un pôle peut être réalisé en accolant bord à bord plusieurs aimants aimantés dans la même direction; ceci permet d'obtenir facilement des angles de couverture très importants, par exemple depassant aisément 140 à 160 . En effet, la présence du matériau de surmoulage ferromagnétique, particulièrement entre des aimants contigus de même polarité formant le pôle,permet, malgré le fractionnement magnétique du pôle, d'assurer une bonne homogénéité de l'induction magnétique sous le pôle. Cette façon d'augmenter le volume d'aimant est économique et permet des gains de flux et de performances qui peuvent être très importants; - à constituer, selon la méthode précédente, une couronne circulaire compte à l'aide de plusieurs aimants jointifs maintenus par le surmoulage ferromagnetique et aimantés pour obtenir un nombre quelconque de pôles magnétiques;; - à recouvrir au moins partiellement l'autre paroi latérale de la culasse ne comportant pas les aimants, ce qui permet d'utiliser des culasses realisées à l'aide d'une simple tôle roulée ou emboutie pour obtenir un cylindre non nécessairement fermé et ayant des tolérances géométriques élargies. Dans ce cas, la culasse cylindrique peut même être réalisée à partir d'arcs de cylindres accolés, l'ensemble étant surmoulé simultanément avec les aimants à l'aide du liant ferromagnétique selon l'invention. Les figures 1 et 2 illustrent un moteur possédant un inducteur fixe extérieur selon la présente invention et un induit mobile intérieur. En (1) on voit la culasse, en matériau ferromagnétique doux, en (2) des aimants permanents en matériau ferromagnetique dur non usinés ou usinés sommairement avec les flèches (3) indiquant le sens du champ magnetique. Le matériau de surmoulage (4) contient un produit ferromagnétique doux dispersé, représenté par le pointillé, dans une matrice solide amagnétique, par exemple une résine. On voit que l'entrefer (5) est bien délimité par le matériau de surmoulage (4) contenant le produit ferromagnétique doux et l'induit (6). Sur les figures 1 et 2, les deux aimants sont séparés l'un de l'autre. Dans la figure 1 le matériau de surmoulage a alors été conforme de façon à ce que les parties latérales (8) enrobant les bords desdits aimants soient suffisamment minces pour éviter des fuites magnétiques trop importantes. Dans la figure 2 les parties latérales ont été supprimées et remplacées par des plots de raccordements (9) en matériau de surmoulage traversant l'aimant par des lumières pratiquées par endroits et assurant la cohésion du surmoulage et des aimants. En (10) on voit une zone de retour étroite assurant la rigidité de l'ensemble matériau de surmoulage/aimants. Le surmoulage a été fait directement dans la culasse et on voit dans le cas de la figure 1 que le matériau de surmoulage (4) traverse par endroits ladite culasse pour former des points d'ancrage (11). Mais dans le cas de la figure 2 le surmoulage a été effectué en dehors de la culasse et l'ensemble rigide matériau de surmoulage/aimants a été introduit ensuite dans ladite culasse puis éventuellement solidarisé avec elle par tous moyens connus. On voit en (12) la couche polaire en matériau de surmoulage composite qui permet de s'affranchir des irrégularités géométriques des aimants permanents, tout en permettant de régler de façon très précise le diamètre intérieur de l'inducteur et donc à bien maîtriser l'épaisseur d'entrefer, en particulier dans le cas des faibles épaisseurs; ceci conduit à améliorer les caractéristiques des machines tournantes tout en facilitant leur construction, y compris lors de la production en serie, et en abaisse le prix grâce à l'absence d'usinage précis des aimants. La figure 3 représente, dans un moteur de même type que ceux des figures 1 et 2, un inducteur selon l'invention dans lequel chacun des pôles est fait de plusieurs aimants (2) accolés côte à côte, ces aimants ayant de plus, grâce à l'invention, une forme de plaquette parallélépipédique allongée. La figure 4 représente un cas où la culasse est en deux demi-coquilles (ou arc de cylindre) (la) et (lb) et où le surmoulage selon l'invention enrobe à la fois les aimants (2) et les deux demi-coquilles (la) et (lb) pour obtenir un inducteur rigide. Le point de jonction entre les deux demi-coquilles peut être situé n'importe où, par rapport à l'axe des pôles. EXEMPLES Exemple 1 On a comparé plusieurs moteurs ayant un encombrement extérieur constant pour ventilateur d'habitacle d'automobile comportant deux poles aimantés en ferrite et une culasse de diamètre 59mm d'une puissance de l'ordre de 150W. Dans la version standard, selon l'art antérieur, les aimants ont été usinés de façon précise à partir d'une ébauche frittée pour avoir un entrefer avec l'induit d'environ 0,7mm; ils ont été ensuite mis en place et collés dans la culasse par surmoulage à l'aide d'une résine thermodurcissable de façon à ce que ledit entrefer aimant-induit soit bien de 0,7mm. Le surmoulage est tel qu'il n'y a pas de voile de résine, recouvrant la face polaire de l'aimant, se situant dans l'entrefer. On évite ainsi d'augmenter l'épaisseur d'entrefer ce qui serait nécessaire pour tenir compte des tolérances de faux-rond (culasse, induit) ou de montage et conduirait à une diminution des performances du moteur. Dans la version 1, selon l'invention, des ébauches non usinées d'aimants permanents de volume plus faible puis mises en place dans la culasse et surmoulées à l'aide d'un matériau composite de perméabilité magnétique 4 à base de la même résine thermodurcissable et dans laquelle a été dispersée de la poudre de fer (taux de solide 40% en volume); l'entrefer matériau de surmoulage composite/induit est le même que dans la version standard. L'épaisseur de la couche polaire est d'environ lmm aux endroits les plus minces, celle de la zone de retour de 3mm. La version 2 se distingue de la version 1 principalement par un entrefer de l'ordre de 0,3mm et des aimants plus épais mais dont le volume reste inférieur à celui de la version standard. Le tableau 1 donne les valeurs du flux, directement lié à la performance des moteurs, en fonction des paramètres géométriques des aimants et de la valeur d'entrefer pour les différentes versions. TABLEAU 1 Version Standard Version 1 Version 2 (aimants usinés) (aimants non (aimants non usinés) usinés) usines) usines) Epaisseur aimant (mm) 6,05 + 0,1 4,9 + 0,5 5,3 + 0,5 Volume aimant(%) 100 81 88 Entrefer (mm) 0,74 0,69 0,29 Flux (%) 100 96,3 102 En comparant les versions standard et 1, on voit qu'à encombrement extérieur du moteur constant, on gagne près de 20% de volume d'aimant, alors que les performances du moteur ne sont diminuées que de 3,7%, pertes qui pourraient être aisément compensées par exemple par un léger allongement des aimants. Mais plus avantageusement la comparaison des versions standard et 2 montre que l'invention permet, toujours à encombrement constant, de gagner 12% de volume d'aimant tout en augmentant les performances du moteur grâce à une épaisseur d'entrefer réduite. REVENDICATIONS 1. Inducteur, pour machine tournante électrique, comportant une culasse (1) cylindrique creuse ou pleine sur une paroi latérale de laquelle est fixé au moins un aimant (2) ayant une face polaire située en regard d'un induit (6), caractérise en ce que l'aimant (2) est fixé à la culasse (1) par un surmoulage enrobant au moins ladite face polaire à l'aide d'un matériau composite de surmoulage (4) comprenant un matériau ferromagnétique dispersé dans un liant solide amagnétique. 2. Inducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse (1) cylindrique est creuse et que le ou les aimants (2) sont fixés sur sa paroi latérale intérieure, l'induit (6) se situant à l'intérieur de l'inducteur. 3. Inducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la culasse (1) cylindrique est pleine ou creuse et que le ou les aimants (2) sont fixés sur sa paroi latérale extérieure, l'induit (6) entourant alors l'inducteur. 4. Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'épaisseur d'entrefer (5) est mesurée entre le matériau de surmoulage (4) et l'induit (6). 5. Inductucteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'épaisseur d'entrefer (5) est toujours inférieure à 0,7mm et de préférence d'au plus 0,3mm. 6. Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (12) de matériau de surmoulage (4) recouvrant la face polaire de l'aimant (2) est comprise entre 0,5 et 5mm. 7. Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le matériau de surmoulage (4) et les aimants (2) forment un ensemble rigide introduit dans la culasse (1) ou obtenu par injection, extrusion, compaction ou moulage dudit matériau dans la culasse. 8. Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les fuites de flux magnétiques le long des faces latérales des aimants sont réduites au minimum. 9. inducteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'épaisseur (8) du matériau de surmoulage le long des faces latérales des aimants est inférieure à Smm. 10.Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les aimants (2) sont des aimants permanents à base de ferrites, ou de terres rares. ll.Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le matériau de surmoulage (4) a une perméabilité magnétique supérieure à 2 et de préférence comprise entre 4 et 40. 12.Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que le matériau ferromagnétique dispersé dans le liant amagnétique est un métal ferromagnétique doux contenant au moins un élément du groupe Fe, Co, Ni. 13.Inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que le liant solide amagnétique est à base de résine thermodurcissable ou thermoplastique.