Brevet FR3132975A1 — publié le 20230825

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un aimant de rotor d’une machine électrique, ledit procédé comportant une première phase (P1) de réalisation d’une ébauche d’aimant comprenant une étape (ET4) de pressage sous champ magnétique de poudres dans un moule pour aimant en les soumettant à un champ magnétique généré par un premier outillage de magnétisation, une étape (ET6) de densification de l’ébauche d’aimant obtenue et une deuxième phase (P2) de finition de l’ébauche d’aimant comprenant au moins une étape de magnétisation finale de l’ébauche d’aimant, pour obtenir un aimant, caractérisé en ce que le moule est disposé dans une enceinte de densification, en ce que l’étape (ET6) de densification est réalisée par frittage flash SPS dans ladite enceinte de densification. Figure pour l'abrégé : Figure 13. PROCEDE DE FABRICATION D’UN AIMANT MULTIPOLAIRE A FLUX ORIENTE Domaine technique de l'invention L’invention concerne un procédé de fabrication d’un aimant, et en particulier d’un aimant multipolaire à flux orienté pour un rotor de machine électrique de type moteur électrique, générateur ou capteur, et un outillage permettant de mettre en œuvre ce procédé. Arrière-plan technique Il existe deux types d’aimants, les aimants unidirectionnels, qui présentent une orientation unidirectionnelle entre leurs deux pôles Nord et Sud, et les aimants à orientation variable, qui présentent une orientation variable de manière continue entre leurs deux pôles Nord et Sud. Ces derniers présentent des lignes de champ dissymétriques de part et d’autre de l’aimant, et sont appelés pour cette raison aimants à flux orientés car les champs qu’ils génèrent sont d’intensité plus élevée d’un côté de l’aimant que de l’autre par rapport à l’orientation Nord /Sud. Cette propriété trouve particulièrement son intérêt dans le cadre de la fabrication d’aimants annulaires multipôles. Ces aimants permettent de limiter les fuites magnétiques lorsqu’ils sont mis en œuvre dans des machines électriques. Ainsi, un aimant annulaire multipolaire à flux orienté constitue un réseau d’aimants dit de Halbach qui présente l’avantage d’accroître le champ magnétique d'un côté de l’aimant tout en éliminant presque totalement le champ magnétique de l'autre côté. Lorsqu’un tel aimant est mis en œuvre dans un rotor d’une machine électrique, cette configuration permet de disposer de lignes de champ orientées majoritairement vers l’extérieur du rotor, c’est à dire vers son stator, avec un champ magnétique globalement de plus forte intensité, et des lignes de champ quasiment inexistantes vers l’intérieur du rotor. Ceci permet par conséquent d’obtenir des machines électriques dotées d’un meilleur rendement qu’une machine électrique dotée d’aimants traditionnels. La magnétisation de tels aimants est largement connue de l’état de la technique et est notamment documentée par le document WO-97/37362-A1 Dans le cadre de la fabrication d’un rotor de machine électrique, un tel aimant présente aussi l’avantage d’être monobloc. En effet, dans une conception conventionnelle utilisant des aimants unidirectionnels, il est nécessaire de coller un grand nombre de ces aimants sur un support annulaire. Une telle opération est peu avantageuse en termes de temps de fabrication et de coût, alors qu’une conception mettant en œuvre un aimant monobloc permet de réduire les temps de fabrication. Le document EP-3637060-A2 décrit un procédé de fabrication d’un tel aimant. Conventionnellement, un tel procédé comprend une première étape au cours de laquelle on sélectionne des matériaux destinés à fournir des poudres métalliques pour aimant. Ces matériaux sont fondus dans un four à induction, puis les lingots obtenus subissent une première phase de broyage pour obtenir des grains de taille proche de 500μm et qui sont ensuite pulvérisés par broyage à boulets ou broyage à jet de gaz sous pression pour atteindre une taille proche de 10μm. Puis, s’ensuit une deuxième étape au cours de laquelle on mélange ces poudres, une troisième étape au cours de laquelle on dispose les poudres dans un moule, et une quatrième étape au cours de laquelle les poudres sont pressées à température ambiante en même temps qu’elles sont soumises à un champ magnétique généré par un premier outillage de magnétisation. Puis, au cours d’une cinquième étape, on arrête le champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, et au cours d’une sixième étape, on densifie l’ébauche d’aimant ainsi obtenue par un procédé de frittage conventionnel. Cette ébauche peut alors être usinée au cours d’une septième étape, puis magnétisée définitivement au cours d’une huitième étape de magnétisation finale. Ce procédé présente plusieurs inconvénients. En premier lieu, cette méthode est limitée à l’obtention de formes simples et aisées à démouler. En second lieu, les étapes de pressage à température ambiante, densification, et magnétisation finale sont dissociées et généralement réalisées dans des outillages indépendants, ce qui augmente la complexité de la gamme de production et engendre des durées de fabrication élevées. Elle induit également une problématique de repositionnement de l’ébauche d’aimant à magnétiser entre les différentes étapes, afin de renforcer le champ magnétique final de l’aimant, puisqu’au cours de la huitième étape de magnétisation finale, l’ébauche doit être orientée dans la même position qu’au cours de la quatrième étape. Ce point est d’autant plus critique pour les aimants Shaped Field, pour lesquels l’écart angulaire entre l’étape de magnétisation à froid et après densification doit être minimisé. En troisième lieu, l’étape de densification est bien souvent réalisée sans que l’ébauche ne soit maintenue en pression, en frittage dit « libre », ce qui nécessite, pour atteindre des niveaux de densification élevés supérieurs à 90%, des temps et des températures de densification importants. Enfin, les étapes de magnétisation à froid nécessitent beaucoup d’énergie pour saturer le matériau, et donc des outillages de magnétisation de forte capacité, ce qui est limitant dans le cas de la création d’un champ tournant car l’énergie totale consommée est répartie sur une large gamme de domaines angulaires du champ, avec pour conséquence une réduction de l’amplitude du champ pour chaque orientation. Il existe donc un réel besoin pour un procédé de fabrication permettant de fabriquer un aimant multipolaire à flux orienté en un nombre réduit d’étapes. L‘invention remédie à ces inconvénients en proposant un nouveau procédé de fabrication dans lequel les étapes de pressage à température ambiante et de densification sont réalisées dans un même outillage et dans lequel l’étape de densification est réalisée par frittage flash SPS, (acronyme anglo-saxon de Spark Plasma Sintering ), ou frittage à plasma d’arc. Dans ce but, l’invention propose un procédé de fabrication d’un aimant de rotor d’une machine électrique, ledit procédé comportant une première phase de réalisation d’une ébauche d’aimant comprenant : - une première étape au cours de laquelle on fournit des poudres métalliques et/ou céramiques pour aimant, - une deuxième étape au cours de laquelle on mélange lesdites poudres, - une troisième étape au cours de laquelle on dispose lesdites poudres dans un moule et on dispose un premier outillage de magnétisation autour dudit moule, - une quatrième étape de pressage sous champ magnétique au cours de laquelle on presse lesdites poudres à température ambiante pour obtenir l’ébauche d’aimant, et on les soumet simultanément à un champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, - une cinquième étape au cours de laquelle on arrête le champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, et - une sixième étape au cours de laquelle on densifie l’ébauche d’aimant, ledit procédé comportant en outre une deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant comprenant au moins une étape d’usinage de l’ébauche d’aimant et une étape de magnétisation finale de l’ébauche d’aimant, pour obtenir l’aimant, caractérisé en ce que, au cours de la troisième étape, le moule est disposé dans une enceinte de densification, en ce que la sixième étape est réalisée par frittage flash SPS dans ladite enceinte de densification. Ainsi, le procédé faisant l’objet de l’invention permet de réaliser les étapes de pressage à température ambiante et de densification dans un même outillage, ce qui élimine les temps de transfert d’un outillage à l’autre et les erreurs de positionnement angulaire. De plus, la conduite de l’étape de densification par frittage flash SPS permet de réduire substantiellement la durée de cette étape car il n’est dès lors plus nécessaire de procéder à une longue remontée en température de l’enceinte dans laquelle est réalisée la densification. Selon une autre caractéristique du procédé, la deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant comporte, selon une première variante : - une septième étape au cours de laquelle on laisse refroidir l’ébauche d’aimant jusqu’à une température de Curie de l’aimant, - une huitième étape formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant à un champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation, et - une neuvième étape d’usinage de l’ébauche d’aimant hors du moule, à l’issue de laquelle on obtient l’aimant. Dans cette première variante, les étapes de pressage à température ambiante, de densification et de magnétisation sont avantageusement toutes conduites dans le même outillage, ce qui permet un gain de temps substantiel et une diminution du nombre d’outillages mis en jeu. La huitième étape de densification, qui est conduite pendant que l’ébauche d’aimant se refroidit en étant encore à une température proche de sa température de Curie permet en outre de magnétiser fortement le matériau tout en limitant l’énergie consommée par le premier outillage de magnétisation, car l’orientation des domaines magnétiques ou domaines de Weiss dans le matériau est plus facile à réaliser et moins énergivore à une température proche de la température de Curie. Selon une autre caractéristique du procédé, la deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant comporte, selon une deuxième variante : - une septième étape d’usinage de l’ébauche d’aimant hors du moule, - une huitième étape au cours de laquelle on dispose l’ébauche d’aimant dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule selon une orientation analogue à une position occupée par l’ébauche d’aimant dans le premier outillage de magnétisation à l’issue de la quatrième étape, et - une neuvième étape formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant à un champ magnétique généré par le second outillage de magnétisation indépendant du moule. Dans cette deuxième variante, les étapes de pressage à température ambiante et de densification sont avantageusement conduites dans le même outillage, ce qui permet un gain de temps substantiel et une diminution du nombre d’outillages mis en jeu. L’étape de magnétisation est, quant à elle, réalisée dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule. Ceci permet de libérer le moule pour préparer un autre aimant. Selon une autre caractéristique du procédé, dans la deuxième phase de finition de l’ébauche d’aimant, selon une troisième variante, la neuvième étape de magnétisation peut aussi être réalisée dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule consistant en un stator d’une machine électrique destinée à recevoir l’aimant. Cette neuvième étape (ET’9) de magnétisation est donc une magnétisation in situ . L’invention concerne aussi un dispositif pour la mise en œuvre du procédé de fabrication du type décrit précédemment, qui comporte au moins : - un moule métallique comprenant une matrice fixe délimitant une cavité et au moins un poinçon qui est complémentaire d’une section de la cavité, et qui est mu par une presse hydraulique entre une position hors de la cavité et une position dans laquelle il obture la cavité et pénètre dans ladite cavité selon une course déterminée, - un outillage de frittage flash SPS comprenant au moins un générateur de courant pulsé, des moyens conducteurs de courant agencés dans ladite matrice et ledit poinçon, et une enceinte contenant le moule apte à être sélectivement mise au vide ou remplie d’un gaz neutre, et - un premier outillage de magnétisation, comportant un circuit magnétique annulaire logé dans l’enceinte et entourant le moule. Selon d’autres caractéristiques du dispositif : - le dispositif comporte de surcroît un écran thermique annulaire interposé entre le moule et le circuit magnétique, - le dispositif comporte de surcroît un échangeur de refroidissement annulaire agencé autour du circuit magnétique à l’intérieur de l’enceinte, - le dispositif est configuré pour la fabrication d’un aimant annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X , et: la cavité du moule est annulaire d’axe X, le circuit magnétique annulaire du premier outillage de magnétisation comporte un noyau magnétique sensiblement annulaire traversé d’axe X par une pluralité de bobines magnétiques d’axes parallèles à l’axe X et distribuées angulairement de manière régulière autour dudit axe X. L’invention concerne également une installation de fabrication d’un aimant annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X conformément aux deuxième et troisième variantes du procédé de fabrication décrit précédemment, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de fabrication et un second outillage de magnétisation externe audit dispositif de fabrication et de configuration similaire au premier outillage de magnétisation, apte à entourer l’ébauche d’aimant. Selon une autre caractéristique de cette installation de fabrication, le second outillage de magnétisation est un stator d’une machine électrique dont un rotor est destiné à recevoir l’aimant à flux orienté. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue en coupe schématique de principe d’un aimant unidirectionnel ; la est une vue en coupe schématique de principe d’un aimant à orientation variable ou flux orienté ; la est une vue en perspective d’une bague conventionnelle de rotor de machine électrique comportant des aimants unidirectionnels ; la est une vue en perspective d’une bague de rotor de machine électrique selon l’invention comportant des aimants multipolaires à flux orienté ; la est une vue schématique des étapes d’un procédé conventionnel de fabrication d’un aimant ; la est une vue de principe d’un dispositif de fabrication selon l’invention ; la est une vue en demi-coupe axiale d’un premier dispositif de fabrication selon l’invention ; la est une vue en perspective d’une partie du premier dispositif de la ; la est une vue en perspective avec arrachement de la partie du premier dispositif de la ; la est une vue en coupe transversale d’un second dispositif de fabrication selon l’invention ; la est une vue développée du circuit magnétique d’une première variante du dispositif de la ; la est une vue développée du circuit magnétique d’une seconde variante du dispositif de la ; la est un diagramme-bloc illustrant les étapes d’une première variante du procédé de fabrication de l’invention ; la est un diagramme-bloc illustrant les étapes de deuxième ou troisièmes variantes du procédé de fabrication de l’invention, Procédé de fabrication d’un aimant (20) de rotor d’une machine électrique, ledit procédé comportant une première phase (P1) de réalisation d’une ébauche d’aimant (42) comprenant : - une première étape (ET1) au cours de laquelle on fournit des poudres métalliques et/ou céramiques (36) pour aimant, - une deuxième étape (ET2) au cours de laquelle on mélange lesdites poudres (36), - une troisième étape (ET3) au cours de laquelle on dispose lesdites poudres (36) dans un moule (38) et on dispose un premier outillage de magnétisation (66) autour dudit moule (38), - une quatrième étape (ET4) de pressage sous champ magnétique au cours de laquelle on presse lesdites poudres (36) à température ambiante pour obtenir l’ébauche d’aimant (42), et on les soumet simultanément à un champ magnétique généré par le premier outillage (66) de magnétisation, - une cinquième étape (ET5) au cours de laquelle on arrête le champ magnétique généré par le premier outillage (66) de magnétisation, et - une sixième étape (ET6) au cours de laquelle on densifie l’ébauche d’aimant (42), Ledit procédé comportant en outre une deuxième phase (P2) de finition de l’ébauche d’aimant (42) comprenant au moins une étape d’usinage de l’ébauche d’aimant (42) et une étape de magnétisation finale de l’ébauche d’aimant (42), pour obtenir l’aimant (20), caractérisé en ce que, au cours de la troisième étape (ET3), le moule est disposé dans une enceinte de densification (64), en ce que la sixième étape (ET6) est réalisée par frittage flash SPS dans ladite enceinte de densification (64). Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la deuxième phase (P2) de finition de l’ébauche d’aimant (42) comporte : - une septième étape (ET7) au cours de laquelle on laisse refroidir l’ébauche d’aimant (42) jusqu’à une température de Curie de l’aimant, - une huitième étape (ET8) formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant (42) à un champ magnétique généré par le premier outillage de magnétisation (66), et - une neuvième étape (ET9) d’usinage de l’ébauche d’aimant (42) hors du moule (38), à l’issue de laquelle on obtient l’aimant (20). Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième phase (P2) de finition de l’ébauche d’aimant comporte : - une septième étape (ET’7) d’usinage de l’ébauche d’aimant (42) hors du moule (38), - une huitième étape (ET’8) au cours de laquelle on dispose l’ébauche d’aimant (42) dans un second outillage de magnétisation indépendant du moule (38) selon une orientation analogue à une position occupée par l’ébauche d’aimant (42) dans le premier outillage de magnétisation (66) à l’issue de la quatrième étape (ET4), et - une neuvième étape (ET’9) formant l’étape de magnétisation finale au cours de laquelle on soumet à nouveau l’ébauche d’aimant (42) à un champ magnétique généré par le second outillage de magnétisation indépendant du moule (38). Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la neuvième étape (ET’9) est réalisée en utilisant un stator d’une machine électrique comme second outillage de magnétisation indépendant du moule (38). Dispositif (50) pour la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins : - un moule métallique (38) comprenant une matrice fixe (52) délimitant une cavité (54) et au moins un poinçon (56) qui est complémentaire d’une section de la cavité (54), et qui est mu par une presse hydraulique entre une position hors de la cavité (54) et une position dans laquelle il obture la cavité (54) et pénètre dans ladite cavité (54) selon une course (C) déterminée, - un outillage de frittage flash SPS comprenant au moins un générateur (58) de courant pulsé, des moyens conducteurs de courant (60) agencés dans ladite matrice (52) et ledit poinçon (56), et une enceinte (64) contenant le moule (38) apte à être sélectivement mise au vide ou remplie d’un gaz neutre, et - un premier outillage de magnétisation (66), comportant un circuit magnétique annulaire (68) logé dans l’enceinte et entourant le moule (38). Dispositif (50) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte de surcroît un écran thermique annulaire (76) interposé entre le moule (38) et le circuit magnétique (68). Dispositif (50) selon l’une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu’il comporte de surcroît un échangeur de refroidissement annulaire agencé (78) autour du circuit magnétique (68) à l’intérieur de l’enceinte (64). Dispositif (50) selon l’une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu’il est configuré pour la fabrication d’un aimant annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X, et en ce que : - la cavité (54) du moule (38) est annulaire d’axe X, - le circuit magnétique (68) annulaire du premier outillage (66) de magnétisation comporte un noyau magnétique (70) sensiblement annulaire traversé d’axe X par une pluralité de bobines magnétiques (72) d’axes parallèles à l’axe X et distribuées angulairement de manière régulière autour dudit axe X. Installation de fabrication d’un aimant (20) annulaire multipolaire à flux orienté d’axe X conformément au procédé de fabrication selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif de fabrication (50) selon la revendication 8 et un second outillage de magnétisation externe audit dispositif de fabrication et de configuration similaire au premier outillage de magnétisation (66), apte à entourer l’ébauche d’aimant (42). Installation de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le second outillage de magnétisation est un stator d’une machine électrique dont un rotor est destiné à recevoir l’aimant (20) à flux orienté.