Brevet FR3119496A1 — publié le 20220805

L’invention concerne un rotor (10) pour moteur électrique comprenant : - un arbre (2) de rotor monté rotatif autour d’un axe (X); - un paquet de tôles (4) monté coaxialement sur l’arbre (2) de rotor, ledit paquet de tôles (4) comprenant une pluralité de cavités internes (5); - un pluralité d’aimants permanents (6) logés à l’intérieur des cavités internes (5) du paquet de tôles (4); dans lequel chaque aimant permanent (6) est formé d’une première partie (61, 61’) et d’une deuxième partie (62, 62’), la première partie (61, 61’) étant formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules possédant des propriétés magnétiques et la deuxième partie (62, 62’) étant obtenue par frittage de particules possédant des propriétés magnétiques. Figure 2 Rotor pour moteur électrique L’invention concerne un rotor pour moteur électrique. L’invention concerne également un moteur électrique comprenant un tel rotor. De manière générale, les moteurs électriques actuels comportent un rotor solidaire d’un arbre et un stator qui entoure le rotor. Le stator est monté dans un carter qui comporte des roulements pour le montage en rotation de l’arbre. Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue de dents délimitant deux à deux une pluralité d’encoches ouvertes vers l’intérieur du corps de stator et destinées à recevoir des enroulements de phase. Ces enroulements de phase traversent les encoches du corps de stator et forment des chignons faisant saillie de part et d’autre du corps de stator. Les enroulements de phase peuvent par exemple être constitués d’une pluralité de segments de conducteurs en forme de U, les extrémités libres de deux segments adjacents étant reliées entre elles par soudage. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de tôles ou roues polaires (claw pole) maintenues sous forme de paquet au moyen d’un système de fixation adapté. Le corps du rotor comporte des cavités internes logeant des aimants permanents. Dans les modes de réalisations connus, les aimants permanents sont généralement réalisés exclusivement en ferrite, ou comprenant exclusivement des terres rares. Chacun de ces deux types d’aimants possèdent des avantages spécifiques. Ainsi, les aimants comprenant des terres rares sont des aimants surfaciques et possèdent une rémanence supérieure aux aimants en ferrite. Le coût de tels aimants est toutefois sensiblement supérieur à celui des aimants en ferrite. Le choix d’intégrer des aimants en ferrite ou des aimants comprenant des terres rares dans un moteur électrique dépend donc des contraintes et objectifs de puissance délivrée par le moteur électrique et de coût lié à la conception du moteur électrique. Ainsi, pour des puissances élevées, il sera préférable d’utiliser des aimants comprenant des terres rares plutôt que des aimants en ferrite. Une telle solution présente toutefois l’inconvénient de génèrer des coûts de fabrication élevés qui peuvent être incompatibles avec un cahier des charges fixé au départ. Cette problématique des coûts de fabrication a incité les fabricants de moteurs électriques à adopter des solutions alternatives mettant en œuvre des aimants composites formés à partir d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules possédant des propriétés magnétiques. Ces aimants composites présentent en effet l’avantage d’être moins onéreux que des aimants frittés à base de ferrite ou de terres rares. Toutefois, il faut constater que la rémanence de ces aimants composites est généralement inférieure à celles d’aimants permanents totalement frittés de même volume. Confrontés aux besoins des constructeurs automobiles de disposer de plusieurs types de moteurs électriques couvrant une large gamme de puissance, les fabricants de moteurs électriques se trouvent actuellement confrontés à un problème majeur lorsqu’ils veulent répondre aux attentes de leur client tout en limitant leur coût de production. En effet, le développement d’un moteur électrique d’une puissance bien particulière nécessite souvent des adaptations importantes de moteurs existants de puissance inférieure ou supérieure. En particulier, la structure du rotor, notamment la forme de ces cavités, et la composition des aimants permanents logés à l’intérieur des cavités de ces rotors doivent être totalement modifiées et désignées spécifiquement pour atteindre l’objectif fixé en terme de puissance. Un des buts de l’invention est donc de proposer une solution au problème tel que décrit précédemment. A cet effet, l’invention concerne un rotor pour moteur électrique comprenant : - un arbre de rotor monté rotatif autour d’un axe ; - un paquet de tôles monté coaxialement sur l’arbre de rotor, ledit paquet de tôles comprenant une pluralité de cavités internes ; - un pluralité d’aimants permanents logés à l’intérieur des cavités internes du paquet de tôles ; dans lequel chaque aimant permanent est formé d’une première partie et d’une deuxième partie, la première partie étant formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules possédant des propriétés magnétiques et la deuxième partie étant obtenue par frittage de particules possédant des propriétés magnétiques. Ainsi configuré, le rotor de l’invention permettra de répondre à des objectifs relativement larges en terme de puissance à fournir par le moteur électrique, tout en limitant les modifications des parties actives (plus particulièrement le paquet de tôles du rotor) à prévoir pour passer d’une gamme de puissance à une autre. En effet, la structure du rotor, notamment la forme et le volume des cavités destinées à contenir les aimants permanents, pourra être conservée, seule la composition des aimants permanents étant modifiée pour obtenir la puissance souhaitée. La solution de l’invention offre par ailleurs la possibilité de produire une structure de rotor standard, ce que ne permettaient pas les solutions de l’art antérieur. En outre, l’utilisation d’aimants permanents partiellement en matière thermoplastique permet de réduire les coûts de fabrication de la gamme de rotors de différentes puissances par rapport à des aimants permanents totalement frittés. La solution de l’invention présente donc l’avantage de réduire les coûts de fabrication du rotor. Selon d’autres caractéristiques, le rotor de l’invention comporte une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes considérées seules ou en combinaison : - l’une parmi les première et deuxième parties de l’aimant permanent est plus proche radialement de l’arbre de rotor que l’autre partie. - les particules possédant des propriétés magnétiques utilisées pour la formation de la première et/ou deuxième partie sont constituées d’un matériau choisi parmi la ferrite ou une terre rare. - la matrice de la première partie de chacun des aimants permanents est constituée d’un matériau choisi parmi le polyamide (PA) 6, le polyamide (PA) 12, et le polysulfure de phénylène (PPS). - la première partie est formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules à base de terres rares sous formes de particules isotropes ou anisotropes et la deuxième partie est formée par frittage de particules de ferrite. - la deuxième partie est plus proche radialement de l’arbre que la première partie. - le rapport volumique entre la deuxième partie et la première partie est compris entre 1 et 5. - la première partie est formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules à base de ferrite et la deuxième partie est formée par frittage de particules à base de terres rares. - la première partie est plus proche radialement de l’arbre que la deuxième partie. - le rapport volumique entre la première partie et la deuxième partie est compris entre 1 et 5. L’invention a également pour objet un moteur électrique comprenant un rotor tel que défini ci-dessus. L’invention sera davantage comprise à la lecture de la description non limitative qui va suivre, faite en référence aux figures ci-annexées. est une vue en perspective d’un rotor selon l’art antérieur, est une vue en perspective d’un rotor selon un premier mode de réalisation de l’invention, est une vue en perspective d’un rotor selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, est une vue en coupe transversale du rotor des figures 1, 2 et 3. La représente un rotor 1 conventionel selon l’art antérieur comprenant un corps formé par un paquet de tôles 4 réalisé dans un matériau ferromagnétique, notamment en acier, ainsi qu’une pluralité d’aimants permanents 6 destinés à être logés dans une pluralité de cavités internes 5 formées à l’intérieur du paquet de tôles 4, chaque cavité interne 5 logeant un aimant permanent 6. Le paquet de tôles 4 est monté coaxialement sur un arbre 2 monté rotatif autour d’un axe X. L’arbre 2 pourra être emmanché en force à l’intérieur d’une ouverture centrale du paquet de tôles 4 de manière à lier en rotation le corps du rotor avec l’arbre 2. Le paquet de tôles 4 est formé d’un empilement axial de tôles qui s’étendent dans un plan radial perpendiculaire à l’axe X de l’arbre 2. Une pluralité de trous de fixation 3 sont réalisés dans le paquet de tôles 4 pour permettre le passage de boulons de fixation (non représentés) destinés à fixer sur le paquet de tôles 4 des flasques d’équilibrage (non représentés) disposés axialement de part et d’autre du paquet de tôles 4. Ces trous de fixation 3 sont traversants de sorte qu’il est possible de faire passer à l’intérieur de chaque trou 3 une vis. Comme illustré sur la , qui est une vue en coupe du rotor 1 selon un plan de coupe orthogonal à l’axe X, les cavités 5 s’étendent suivant une direction radiale par rapport à l’axe X et sont axialement traversantes. Elles possèdent une section sensiblement triangulaire et sont réparties uniformément autour de l’axe X. Deux cavités 5 directement adjacentes sont séparées par un segment radial 7 du paquet de tôles 4 de sorte que le corps du rotor est constitué d’une alternance de cavités 5 et de segments 7 lorsque l’on suit une circonférence du rotor 1. Chaque cavité 5 loge un aimant permanent 6 unique. Les aimants permanents 6 sont à aimantation orthoradiale, c’est-à-dire que les deux faces d’extrémité 63, 64 de chaque aimant permanent 6 qui sont adjacentes l’une par rapport à l’autre dans le sens orthoradial sont magnétisées de manière à pouvoir générer un flux magnétique suivant une orientation orthoradiale par rapport à l’axe X. Parmi ces faces d’extrémité 63, 64, il faut distinguer la face 63 correspondant au pôle Nord de l’aimant permanent 6, représenté par la lettre N sur la , et la face 64 correspondant au pôle Sud de l’aimant permanent 6, représenté par la lettre S sur la . Les aimants permanents 6 situés dans deux cavités 5 consécutives sont de polarités alternées. Ainsi disposés, les aimants permanents 6 génèrent dans le paquet de tôles 4 un flux magnétique orienté radialement et dirigé vers la périphérie externe du corps du rotor. Dans le rotor de la , les aimants permanents 6 sont formés à partir de particules de ferrite qui ont été soumises à un procédé de frittage. De tels aimants frittés ont une rémanence relativement limitée qui confère au moteur électrique incorporant un tel rotor 1 une puissance maximale de l’ordre de 15 à 20 kW. Pour réaliser un moteur électrique de même architecture et encombrement, et possédant une puissance supérieure à 20 kW, il faudrait actuellement remplacer les aimants permanents 6 en ferrite par des aimants frittés à base de terres rares qui possèdent une rémanence plus élevée. Ces aimants à base de terres rares sont généralement disposés le long de la périphérie externe du rotor 1 de manière à être proche du stator. Cette solution présente toutefois l’inconvénient d’accroître de manière significative le coût de fabrication du rotor. Pour pallier les inconvénients de cette solution de l’art antérieur, l’invention propose donc de remplacer les aimants permanents totalement frittés par des aimants permanents formés par une combinaison de deux parties, à savoir une première partie formée par une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules ayant des propriétés magnétiques et une deuxième partie formée par frittage de particules ayant des propriétés magnétiques. Ces aimants pourront être formées par co-extrusion d’un profilé, puis découpe du profilé au format des cavités du rotor. Ils pourront également être formés par bi-injection, par surmoulage ou par collage. En faisant varier notamment la nature des particules ayant des propriétés magnétiques utilisées pour former la première partie et la deuxième partie, le rapport volumique entre la première partie et la deuxième partie et la proportion de particules ayant des propriétés magnétiques dans la première partie, il est possible de faire varier la rémanence de l’aimant permanent et, ainsi, la puissance délivrée par le moteur électrique au final. En particulier, à volume constant, l’utilisation d’une matrice en matière thermoplastique dans la première partie permet de diminuer la rémanence globale de l’aimant par rapport à un aimant totalement fritté comme ceux utilisés dans le rotor de la . Cette diminution de la rémanence peut alors être compensée par la deuxième partie pour atteindre, voire dépasser la rémanence des aimants permanents de la . Une configuration possible peut notamment consister à utiliser une matrice thermoplastique contenant des particules à base de terres rares pour former la première partie de l’aimant permanent, cette première partie étant proche de la périphérie externe du rotor. Dans ce cas, la deuxième partie est proche de l’axe du rotor et est formée par frittage de particules de ferrite. Une telle configuration est notamment représentée sur la figure 2. Une autre configuration possible consiste à utiliser une matrice thermoplastique contenant des particules de ferrite pour former la première partie de l’aimant permanent, cette première partie étant proche de l’arbre du rotor. Dans ce cas, la deuxième partie est proche de la périphérie externe du rotor et est formée par frittage de particules à base de terres rares. Une telle configuration est notamment représentée sur la . La rémanence globale des aimants composites dépendra également du rapport volumique entre la première partie et la deuxième partie. Pour atteindre des rémanences élevées, il sera donc envisageable d’augmenter la proportion volumique de la deuxième partie par rapport à la première partie dans le volume final de l’aimant permanent. Un autre paramètre à prendre en compte est la proportion de particules magnétiques contenues dans la matrice en matière thermoplastique. Plus cette proportion sera grande, plus élevée sera la rémanence de l’aimant permanent. Deux modes de réalisation particuliers de l’invention ont été représentées sur les figures 2 et 3. Dans le mode de réalisation de la , le rotor 10 selon l’invention comprend une structure de rotor sensiblement identique à celle du rotor 1 de la . Il comprend notamment une pluralité de cavités internes 5 formées à l’intérieur du paquet de tôles 4, chaque cavité interne 5 logeant un aimant permanent 6. Chaque aimant permanent 6 est formé d’une première partie 61 formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules possédant des propriétés magnétiques et d’une deuxième partie 62 obtenue par frittage de particules de ferrite. La deuxième partie 62 est plus proche radialement de l’arbre 2 du rotor 10 que la première partie 61. La matière constitutive de la matrice de la première partie 61 pourra avantageusement être choisie parmi le polyamide (PA) 6, le polyamide (PA) 12, et le polysulfure de phénylène (PPS) et les particules possédant des propriétés magnétiques incorporées dans cette matrice seront avantageusement constituées d’un matériau à base de terres rares sous forme de particules isotropes ou anisotropes. Le rapport volumique entre la deuxième partie 62 et la première partie 61 pourra être compris entre 1 et 5, par exemple égal à 3. Ainsi configuré, le rotor 10 permettra de réaliser des moteurs électriques d’une puissance supérieure à 15 kW et notamment sensiblement égale à 20 KW. Dans le mode de réalisation de la , le rotor 10 selon l’invention comprend une structure de rotor sensiblement identique à celle du rotor 10 de la . Il s’en différencie par la composition des aimants permanents 6 logés à l’intérieur des cavités 5 du paquet de tôles 4. Chaque aimant permanent 6 est notamment formé d’une première partie 61’ formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules possédant des propriétés magnétiques et d’une deuxième partie 62’ obtenue par frittage de particules à base de terres rares. La première partie 61’ est plus proche radialement de l’arbre 2 du rotor 10 que la deuxième partie 62’. La matière constitutive de la matrice de la première partie 61’ pourra avantageusement être choisie parmi le polyamide (PA) 6, le polyamide (PA) 12, et le polysulfure de phénylène (PPS) et les particules possédant des propriétés magnétiques incorporées dans cette matrice seront avantageusement constituées d’un matériau en ferrite sous forme de particules isotropes ou anisotropes. Le rapport volumique entre la première partie 61’ et la deuxième partie 62’ pourra être compris entre 1 et 5, par exemple être égal à 3. Ainsi configuré, le rotor 10 permettra de réaliser des moteurs électriques d’une puissance supérieure à 20 kW et notamment sensiblement égale à 25 KW. Dans tous les modes de réalisation possibles, on préviligiera de positionner la partie constituée de ferrite le plus proche radialement de l’arbre 2 du rotor afin de maîtriser au mieux les effets indésirables des courants de Foucault générés à proximité de l’arbre 2 lors du fonctionnement du moteur électrique. L’invention n’est évidemment pas limitée à la configuration de l’invention telle que décrite précédemment mais s’étend à et inclut toutes les combinaisons et sous-combinaisons d’une ou de plusieurs fonctionnalité(s) décrite(s) ci-dessus. Rotor (10) pour moteur électrique comprenant : - un arbre (2) de rotor monté rotatif autour d’un axe (X); - un paquet de tôles (4) monté coaxialement sur l’arbre (2) de rotor, ledit paquet de tôles (4) comprenant une pluralité de cavités internes (5); - un pluralité d’aimants permanents (6) logés à l’intérieur des cavités internes (5) du paquet de tôles (4); caractérisé en ce que chaque aimant permanent (6) est formé d’une première partie (61, 61’) et d’une deuxième partie (62, 62’), la première partie (61, 61’) étant formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules possédant des propriétés magnétiques et la deuxième partie (62, 62’) étant obtenue par frittage de particules possédant des propriétés magnétiques. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’une parmi les première et deuxième parties (62, 61’) de l’aimant permanent (6) est plus proche radialement de l’arbre (2) de rotor que l’autre partie (61, 62’). Rotor (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules possédant des propriétés magnétiques utilisées pour la formation de la première et/ou deuxième partie sont constituées d’un matériau choisi parmi la ferrite ou une terre rare. Rotor (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice de la première partie (61, 61’) de chacun des aimants permanents (6) est constituée d’un matériau choisi parmi le polyamide (PA) 6, le polyamide (PA) 12, et le polysulfure de phénylène (PPS). Rotor (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première partie (61) est formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules à base de terres rares sous formes de particules isotropes ou anisotropes et la deuxième partie (62) est formée par frittage de particules de ferrite. Rotor (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième partie (62) est plus proche radialement de l’arbre (2) que la première partie (61). Rotor (10) selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le rapport volumique entre la deuxième partie (62) et la première partie (61) est compris entre 1 et 5. Rotor (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première partie (61’) est formée d’une matrice en matière thermoplastique incorporant des particules à base de ferrite et la deuxième partie (62’) est formée par frittage de particules à base de terres rares. Rotor (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première partie (61’) est plus proche radialement de l’arbre (2) que la deuxième partie (62’). Rotor (10) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le rapport volumique entre la première partie (61’) et la deuxième partie (62’) est compris entre 1 et 5. Moteur électrique comprenant un rotor (10) selon l’une des revendications précédentes.