Brevet FR2977409A1 — publié le 20130104

Procédé de fabrication d'aimants permanents pour un moteur et moteur correspondant La présente invention concerne un procédé de fabrication d'aimants permanents pour moteurs comprenant des étapes de moulage suivantes : - introduction d'une poudre de particules ferromagnétiques dans une matrice de moulage, la matrice de moulage étant formée par une partie du moteur, - compression de la poudre dans la matrice de moulage, - frittage de la poudre, de sorte à former un corps solide, et - magnétisation du corps. Elle s'applique notamment à la fabrication de moteurs électriques, comme par exemple des moteurs sans balai ou « brushless », comprenant un rotor et un stator. Le rotor comprend des aimants permanents placés dans des cavités. On parle d'aimants enfouis. Dans les moteurs électriques du type précité, la rotation du rotor résulte de l'interaction entre un champ magnétique tournant créé par les bobines du stator et un champ magnétique créé par les aimants du rotor. Le champ magnétique tournant du stator est obtenu en commandant l'alimentation électrique des différentes bobines du stator selon une séquence temporelle définie en fonction de la position relative des pôles du rotor par rapport à ces bobines. Il est souhaitable que les aimants permanents dans les moteurs « brushless » présentent une forme très précise afin de remplir au mieux les cavités, c'est-à-dire afin d'éviter le plus possible les entrefers entre les aimants permanents et la paroi des cavités. Ces entrefers génèrent des réductions de performance du moteur. En effet, ces entrefers entraînent des fuites de flux magnétique entre l'aimant permanent et les tôles. Dans le cas d'un procédé de fabrication décrit ci-dessus, comme le moteur même sert comme matrice de moulage, la forme des aimants permanents est donc parfaitement définie. US 6,674,205 B2 par exemple divulgue un procédé de fabrication d'aimants permanents pour le rotor d'un moteur électrique comprenant les étapes précitées. La poudre de particules ferromagnétiques qui constituent l'aimant est composée de « micro-aimants ». Pendant la compression, les particules prennent une orientation arbitraire ce qui aura pour effet une conduction du flux magnétique non optimisée lors de la magnétisation du corps. Un but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'un aimant permettant d'obtenir un rotor avec une conduction optimale du flux magnétique. A cet effet l'invention a pour objet le procédé de fabrication d'un aimant permanent pour un moteur comprenant les étapes précitées et caractérisé en ce que, lors de la compression de la poudre la poudre est soumise à une orientation magnétique des particules ferromagnétiques. Selon d'autres modes de réalisation, le procédé selon l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'introduction de la poudre dans la matrice de moulage consiste à introduire la poudre pure sans additif ou la poudre en suspension dans une phase liquide sans additif ; - l'orientation magnétique des particules ferromagnétiques de la poudre et la magnétisation du corps sont réalisées avec une ou plusieurs bobines de magnétisation disposées(s) autour de la matrice de moulage ; - lors de l'orientation magnétique des particules ferromagnétiques de la poudre, un courant de 20 à 25A est appliqué dans les bobines de magnétisation pendant une durée de2à5s; - lors de la magnétisation du corps, un courant de 30 à 40 kA est appliqué dans les bobines de magnétisation pendant une durée de 5 à 100 ms ; - la poudre est choisie parmi de la ferrite (Fe), ou des matériaux à base de terres rares tels que le néodyme - fer - bore (NdFeB) ou le samarium-cobalt (SmCo) ; - la matrice de moulage est réalisée par un empilement de tôles percées ; - la matrice de moulage est un rotor du moteur ; - la matrice de moulage comporte une pluralité de cavités distribuées régulièrement autour d'un axe A-A de rotation, présentant chacune une section sensiblement circulaire et disposées adjacentes à une face périphérique du rotor sans déboucher dans la face périphérique ; - la matrice de moulage comporte une cavité de section sensiblement annulaire délimitée par une face périphérique du rotor et un cylindre creux disposé autour du rotor ; - la matrice de moulage est un stator du moteur ; - le procédé comprend en outre des étapes de préparation suivantes : - brassage de matériaux ferromagnétiques en phase liquide, - chauffage dans un four des matériaux en phase liquide de sorte à former des nodules de matériaux, - concassage des nodules de sorte à former la poudre de particules ferromagnétiques, les étapes de préparation étant réalisées avant les étapes de moulage. L'invention a en outre pour objet un moteur comprenant un stator et un rotor dans lequel l'un du stator et du rotor comprend au moins un aimant permanent et dans lequel l'autre du stator et du rotor comprend des bobines d'induction et caractérisée en ce que l'aimant permanent est fabriqué selon le procédé précité. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un moteur selon l'invention, la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un montage comprenant un rotor selon un premier mode de réalisation et des bobines de magnétisation adapté pour exécuter le procédé selon l'invention, la figure 3 est une vue schématique du montage de la figure 2 en coupe selon le plan III-III, la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 2 avec un rotor selon un second mode de réalisation, et la figure 5 est une vue schématique du montage de la figure 4 en coupe selon le plan V-V. Sur la figure 1 est représenté un moteur 2 comprenant un stator 4 et un rotor 6. Le stator 4 comprend des bobines d'induction 7. Le rotor 6 comprend une structure 8 et des aimants permanents 10. La structure 8 comprend des tôles 12 superposées de sorte à former un bloc cylindrique 14. Les tôles 12 s'étendent sensiblement perpendiculairement à un axe A-A principal du bloc cylindrique 14 et présentent une forme sensiblement circulaire. Les tôles 12 sont adaptées pour conduire le flux magnétique. Le bloc cylindrique 14 comporte une ouverture centrale 16 traversante et coaxiale à l'axe A-A et une face périphérique 18. L'ouverture centrale 16 est adaptée pour recevoir un arbre 20 que le rotor 6 entraîne en rotation une fois que le moteur est monté. La face périphérique 18 est la face du rotor 6 qui est en regard du stator 4. Axialement le bloc cylindrique 14 est limité par deux plaques 22 qui présentent un diamètre supérieur au diamètre des tôles 12. Les deux plaques 22 sont des éléments de l'outillage entre lesquels est insérée la structure 8 du rotor 6 qui sera remplie de particules ferromagnétiques avant compression. Selon un premier mode de réalisation (figures 1-3), le bloc cylindrique 14 comporte des cavités 24 distribuées régulièrement autour de l'axe A-A. Dans l'exemple représenté sur les figures, les cavités 24 traversent le bloc cylindrique 14 parallèlement à l'axe A-A. Les cavités 24 sont équidistantes de l'axe A-A et équidistantes les unes des autres. Les cavités 24 présentent une section sensiblement circulaire. En variante, la section est triangulaire, rectangulaire, trapézoïdale, elliptique ou autre. Les cavités 24 sont disposées adjacentes à la face périphérique 18 du bloc cylindrique 14, sans déboucher dans cette face périphérique 18. Les cavités 24 sont prévues pour recevoir les aimants permanents 10. Les tôles 12 sont adaptées pour canaliser le champ magnétique des aimants permanents 10 au stator 4 par rapport duquel le rotor 6 tournera dans le moteur 2. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, le bloc 14 comprend huit cavités 24 pour former huit aimants permanents 10. Les aimants permanents 10 du rotor 6 sont fabriqués selon le procédé suivant. Le procédé est divisé en une série d'étapes de préparation et une série d'étapes de moulage. Les étapes de moulage suivent les étapes de préparation. Les étapes successives de préparation sont le brassage, le chauffage et le concassage. Lors du brassage, des matériaux ferromagnétiques sont dosés et mélangés en phase liquide. Les matériaux ferromagnétiques sont choisis parmi de la ferrite (Fe), ou des matériaux à base de terres rares tels que le néodyme - fer - bore (NdFeB) ou le samarium-cobalt (SmCo). La phase liquide est une phase aqueuse sans additif. Lors du chauffage, les matériaux ferromagnétiques en phase liquide sont introduits et chauffés dans un four rotatif. Lors du chauffage, les matériaux ferromagnétiques en phase liquide forment des nodules de matière. Lors du concassage les nodules de matière sont concassés et réduits en poudre 26 de particules ferromagnétiques. Les étapes successives de moulage sont l'introduction, la compression, le frittage et la magnétisation. Lors de l'introduction, la poudre 26 est injectée dans une matrice de moulage 28. La matrice de moulage 28 est l'ensemble des cavités 24 du rotor 6. En variante, la matrice de moulage 28 fait partie du stator 6. La poudre 26 est injectée en phase sèche ou en phase liquide. En phase sèche, la poudre 26 est pure et ne comporte pas d'additifs. En phase liquide, la poudre est mise en suspension avec un solvant, par exemple un solvant aqueux sans autre additif. Lors de l'introduction, chaque cavité 24 est remplie par la poudre 26, sans laisser de vide dans lesdites cavités 24. Lors de la compression, la poudre 26 est comprimée dans la matrice de moulage par des pistons 30 selon une direction sensiblement parallèle à l'axe A-A, représentée par des flèches sur les figures 2 et 4. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, huit pistons 30 sont utilisés, un piston 30 par cavité 24. Chaque piston 30 présente la même section que la cavité correspondante et est disposé en regard de la dernière. Les pistons 30 appliquent une force de l'ordre de 40 à 60 daN/mm2 sur la poudre 26. Au cas où la poudre 26 a été introduite en phase liquide dans les cavités 24, la phase liquide est expulsée des cavités 24 lors de la compression. La compression est réalisée à température ambiante. Lors de la compression, la poudre 26 est simultanément exposée à un champ magnétique provenant d'une pluralité de bobines de magnétisation 32. Les bobines de magnétisation 32 sont disposées autour du rotor 6 et distribuées de manière régulière en regard des cavités 24. La distribution des bobines de magnétisation 32 est adaptée pour optimalement orienter magnétiquement les particules ferromagnétiques de la poudre 26 dans chaque cavité 24. Les bobines de magnétisation 32 sont orientées sensiblement parallèlement à l'axe A-A. Pour l'orientation magnétique des particules ferromagnétiques, un courant de 20 à 25 A est appliqué pendant une durée de 2 à 5s dans les bobines de magnétisation 32. La durée de l'orientation magnétique est par exemple identique à celle de la compression. Lors du frittage, la poudre 26 est chauffée à une température dépendante de la nature de la poudre 26 de particules ferromagnétiques (par exemple 1170°C pour des particules de ferrite) de sorte à former un corps compact et solide. La température est supérieure à la température Curie à laquelle les particules ferromagnétiques de la poudre 26 perdent leur magnétisation. Le corps ainsi formé n'est pas magnétisé, mais l'orientation magnétique des particules n'est pas ou peu modifiée grâce à l'étape d'orientation magnétique réalisée lors de la compression. De ce fait, une étape de magnétisation du corps suit l'étape de frittage afin de former des aimants permanents 10. Pour la magnétisation du corps, les mêmes bobines de magnétisation 32 sont utilisées que pour l'orientation magnétique des particules ferromagnétiques de la poudre 26. Pour la magnétisation du corps, un courant de 30 à 40 kA est appliqué pendant une durée de 5 à 100 ms dans les bobines de magnétisation 32. Au niveau des corps, le champ magnétique ainsi induit des bobines de magnétisation 32 dépend de la nature du corps. Pour la ferrite, le champ magnétique est de 0,3 à 0,5 T. Pour le néodyme - fer - bore, le champ magnétique est de 0,8 à 1,2 T. A la fin de la magnétisation, le rotor 6 comprend des aimants permanents 10 logés dans les cavités 24 et qui épousent intimement la forme des cavités 24, sans laisser d'entrefer entre la paroi des cavités 24 et l'aimant 10 permanent s'y connectant. Ainsi, le flux magnétique est conduit de façon optimale entre les tôles 12 et les aimants permanents 10 sans fuite de flux. Chaque aimant permanent 10 présente une aimantation transverse, c'est-à-dire que les deux pôles nord et sud de chaque aimant 10 sont formés respectivement sur des faces latérales des aimants 10 orientées vers la face périphérique 18 du bloc cylindrique 14 et donc vers le stator 4 une fois que le rotor 6 est monté dans le moteur 2. Deux aimants permanents 10 adjacents ont une orientation magnétique nord sud inversée. Dans un deuxième mode de réalisation, la structure 8 du rotor comprend une seule cavité 24 de section sensiblement annulaire. La cavité 24 est prévue à la face périphérique 18 du bloc cylindrique 14. Dans l'exemple représenté sur les figures 4 et 5, la cavité 24 est délimitée intérieurement par la face périphérique 18 et extérieurement par un cylindre creux 36 disposé autour du bloc cylindrique 14. Dans cet exemple, le bloc cylindrique 14 a une section circulaire avec des saillies 38 en forme de trapèze. Les saillies 38 sont distribuées régulièrement autour de la section circulaire. En variante, les saillies 38 présentent d'autres formes. La cavité 24 et donc en final l'aimant permanent 10 présentent une section annulaire avec une structure intérieure empreinte par les saillies 38 et une structure extérieure empreinte par le cylindre creux 36. L'aimantation de l'aimant permanent 10 annulaire est la même au niveau de chaque saillie 38 et inversée entre deux saillies 38. En variante, les cavités 24 et donc les aimants permanents 10 présentent une autre forme et/ou une autre distribution que présentées dans les figures. Le procédé selon l'invention comprenant l'étape de compression et orientation magnétique simultanées présente l'avantage que, lors de l'orientation magnétique, les particules ferromagnétiques sont orientées dans le sens des lignes du flux que l'on cherche à créer lors de la magnétisation. La conduction du flux est ainsi améliorée par rapport à un procédé dépourvu d'une étape d'orientation magnétique selon l'invention. Les différentes formes de la matrice de moulage 28 et de pistons 30 contribuent également à l'orientation magnétique des particules ferromagnétiques. REVENDICATIONS1.- Procédé de fabrication d'un aimant permanent (10) pour un moteur (2) comprenant des étapes de moulage suivantes : - introduction d'une poudre (26) de particules ferromagnétiques dans une matrice de moulage (28), la matrice de moulage (28) étant formée par une partie du moteur (2), - compression de la poudre (26) dans la matrice de moulage (28), - frittage de la poudre (26), de sorte à former un corps solide, - magnétisation du corps, caractérisé en ce que, lors de la compression de la poudre (26), la poudre (26) est soumise à une orientation magnétique des particules ferromagnétiques. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'introduction de la poudre (26) dans la matrice de moulage (28) consiste à introduire la poudre (26) pure sans additif ou la poudre (26) en suspension dans une phase liquide sans additif. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'orientation magnétique des particules ferromagnétiques de la poudre (26) et la magnétisation du corps sont réalisées avec une ou plusieurs bobines de magnétisation (32) disposées(s) autour de la matrice de moulage (28). 4.- Procédé selon la revendication 3, dans lequel, lors de l'orientation magnétique des particules ferromagnétiques de la poudre (26), un courant de 20 à 25 A est appliqué dans les bobines de magnétisation (32) pendant une durée de 2 à 5 s. 5.- Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel, lors de la magnétisation du corps, un courant de 30 à 40 kA est appliqué dans les bobines de magnétisation (32) pendant une durée de 5 à 100 ms. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la poudre (26) est choisie parmi de la ferrite (Fe), ou des matériaux à base de terres rares tels que le néodyme - fer - bore (NdFeB) ou le samarium-cobalt (SmCo). 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la matrice de moulage (28) est réalisée par un empilement de tôles (12) percées. 8. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la matrice de moulage (28) est un rotor (6) du moteur (2). 9.- Procédé selon la revendication 8, dans lequel la matrice de moulage (28) comporte une pluralité de cavités (24) distribuées régulièrement autour d'un axe A-A de rotation, présentant chacune une section sensiblement circulaire et disposées adjacentes à une face périphérique (18) du rotor (6) sans déboucher dans la face périphérique (18). 10.- Procédé selon la revendication 8, dans lequel la matrice de moulage (28) comporte une cavité (24) de section sensiblement annulaire délimitée par une face périphérique (18) du rotor et un cylindre creux (36) disposé autour du rotor (6). 11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la matrice de moulage (28) est un stator (4) du moteur (2). 12.- Procédé selon la revendication 1 à 11 comprenant en outre des étapes de préparation suivantes : - brassage de matériaux ferromagnétiques en phase liquide, - chauffage dans un four des matériaux en phase liquide de sorte à former des nodules de matériaux, - concassage des nodules de sorte à former la poudre (26) de particules ferromagnétiques, les étapes de préparation étant réalisées avant les étapes de moulage. 13.- Moteur (2) comprenant un stator (4) et un rotor (6) dans lequel l'un du stator (4) et du rotor (6) comprend au moins un aimant permanent (10) et dans lequel l'autre du stator (4) et du rotor (6) comprend des bobines d'induction (7) et caractérisée en ce que l'aimant permanent (10) est fabriqué selon un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.