Brevet FR3146247A1 — publié le 20240830

Montage réversible d’aimant permanent dans une machine électrique L’invention concerne une machine électrique à rotor à aimants permanents, le rotor comprenant un circuit magnétique (22) et au moins un aimant permanent (20), l’aimant permanent (20) s’étendant selon l’axe de rotation de la machine électrique et présentant une forme générale de section radiale, le circuit magnétique (22) comprenant une cavité (26) configurée pour contenir l’aimant permanent (20), Le circuit magnétique comprend au moins une lumière (28, 30) s’ouvrant sur la cavité (26), dans la lumière (28, 30) une surface extérieure (38, 40) de l’aimant permanent (20) est à distance du circuit magnétique (22) de façon à former une barrière au flux magnétique généré par l’aimant permanent (20). Le circuit magnétique (22) comprend, dans la lumière (28, 30), une partie élastique (32, 34) venant en appui contre l’aimant permanent (20) afin de limiter le déplacement de l’aimant permanent (20), en translation parallèlement à l’axe de rotation. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Montage réversible d’aimant permanent dans une machine électrique L’invention concerne les machines électriques utilisées dans des domaines très variés tels que le transport, l’industrie, la génération électrique… De plus en plus de machines électriques à aimants permanents sont mises en œuvre. Ces machines permettent notamment d’éviter le recours aux rotors bobinés nécessitant un raccordement électrique. Les aimants permanents sont réalisés en matériaux ferromagnétiques dit durs, c’est-à-dire présentant un cycle d'hystérésis large. Au milieu du XXième siècle des alliages fer-nickel-aluminium auxquels on peut ajouter du cobalt ont contribué à l’essor des aimants permanents. Plus récemment l’utilisation de certaines terres rares, notamment de la famille des lanthanides tels que le samarium, le cérium et le néodyme ont permis d’augmenter nettement les champs coercitifs de désaimantation des aimants. Aujourd’hui, des alliages de néodyme-fer-bore (NdFeB) sont largement mis en œuvre. Afin de limiter l’emploi de ressources naturelles, on cherche à recycler au maximum les équipements complexes arrivés en fin de vie. Pour ce faire, il est nécessaire de séparer les différents composants des équipements afin de traiter séparément ces composants, chacun par une filière de recyclage qui lui est propre. Le recyclage des disques durs informatiques contenant des aimants de type NdFeB a été très étudié. Une technique de décrépitation sous hydrogène conduisant à la fragmentation des disques durs permet de séparer et récupérer les aimants sous forme de poudre. Les moteurs électriques de traction ont récemment beaucoup progressé, notamment dans l’automobile. L’augmentation de la vitesse de rotation des machines électriques utilisées, notamment comme moteurs dans l’automobile, pose des problèmes de maintien mécanique des aimants dans les rotors qui en sont équipés. Pour assurer ce maintien mécanique, le montage des aimants en surface est souvent remplacé par un montage enterré à l’intérieur de paquets de tôles formant un circuit magnétique assurant le guidage du flux magnétique généré par les aimants. Pour le recyclage de ces nouvelles machines électriques de traction, l’approche mise en œuvre pour les disques durs informatique n’est pas applicable du fait de la masse beaucoup plus importante de l’ordre de plusieurs kg d’aimants de type NdFeB et du fait de la fixation des aimants dans les paquets de tôle par une accroche adhésive (à l’aide de résines) et par une accroche mécanique (picots, poinçons). Pour ces moteurs, le retrait des aimants nécessite de compenser l’adhésion et le maintien mécanique des aimants insérés dans les paquets de tôles. Les aimants doivent donc être extraits par des moyens mécaniques combinés à des traitements thermiques permettant de réduire l’accrochage des résines. Les traitements thermiques sont contraignants car réalisés sur des moteurs entiers avec comme objectif de dégrader les colles utilisées pour la fixation des aimants et de démagnétiser les aimants pour réduire les forces magnétiques qui bloquent les aimants ou tendent à les agglomérer. Dans certaines machines électriques où les aimants sont encastrés, lors de la fabrication, au sein des tôles internes des rotors, pour extraire les aimants, il est nécessaire de mettre en œuvre des moyens mécaniques importants tels que des éjecteurs mus par une presse hydraulique. Ces moyens mécaniques nécessitent des investissements importants difficiles à supporter par les filières de recyclage. De plus, ce type investissement ne peut être rentabilisé qu’avec une standardisation dans la topologie des machines électriques et la mise en place d’une filière en amont pour augmenter les volumes. Par ailleurs, les efforts mécaniques mis en œuvre peuvent impacter la qualité des aimants récupérés compte tenu de la fragilité des matériaux de ceux-ci. Enfin, la présence de résine de collage résiduelle, en surface des aimants après extraction, réduit la valeur des aimants car elle constitue une source de pollution lors des étapes de recyclage des aimants. Une étape de surfaçage des aimants et donc nécessaire à l’issue de l’extraction mais cette opération est compliquée si les aimants sont endommagés ou fragmentés. Pour toutes ces raisons techniques et l’absence de réglementation contraignante, le recyclage des aimants en fin de vie, notamment ceux issus des moteurs à aimants enterrés, n’est pas développé à grande échelle malgré le potentiel en terme de valorisation des matières critiques. A cet effet, l’invention a pour objet une machine électrique à rotor à aimants permanents, le rotor pouvant tourner autour d'un axe de rotation par rapport à un stator de la machine électrique, le rotor comprenant un circuit magnétique et au moins un aimant permanent, le circuit magnétique étant configuré pour guider le flux magnétique généré par l'aimant permanent, l'aimant permanent s'étendant selon l'axe de rotation et présentant une forme générale de section radiale adaptée à générer le flux magnétique, le circuit magnétique comprenant une cavité configurée pour contenir l'aimant permanent, la cavité étant au contact de l'aimant permanent, dans laquelle le circuit magnétique comprend au moins une lumière s'ouvrant sur la cavité, dans la lumière une surface extérieure de l'aimant permanent est à distance du circuit magnétique de façon à former une barrière au flux magnétique généré par l'aimant permanent, et dans laquelle le circuit magnétique comprend, dans la lumière, une partie élastique venant en appui contre l'aimant permanent afin de limiter le déplacement de l'aimant permanent, en translation parallèlement à l'axe de rotation, par rapport à la cavité. Avantageusement, la limitation du déplacement de l'aimant permanent, en translation parallèlement à l'axe de rotation, par rapport à la cavité est réalisée par obstacle. Avantageusement, l'aimant permanent comprend un renfoncement dans lequel la partie élastique vient en butée pour éviter le déplacement en translation de l'aimant permanent par rapport à la cavité. Avantageusement, le renfoncement possède au moins une paroi s'étendant perpendiculairement à l'axe de rotation, la paroi formant une butée franche empêchant tout déplacement de l'aimant permanent en translation parallèlement à l'axe de rotation. Avantageusement, le renfoncement possède au moins un chanfrein permettant l'extraction de l'aimant permanent hors du circuit magnétique en y appliquant un effort parallèlement à l'axe de rotation. Avantageusement, la limitation du déplacement de l'aimant permanent, en translation parallèlement à l'axe de rotation, par rapport à la cavité est réalisée par adhérence. Avantageusement, la partie élastique est configurée pour posséder une fibre neutre courbe lorsqu'elle est soumise à un effort lors de l'insertion de l'aimant permanent dans la cavité. Avantageusement, le circuit magnétique comprend des tôles empilées selon l'axe de rotation et la partie élastique est formée dans au moins une des tôles. Avantageusement, la partie élastique n'est pas formée dans toutes les tôles de l'empilage. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la représente schématiquement en perspective une machine électrique selon l’invention ; la représente en coupe partielle un rotor de la machine électrique de la ; la représente une variante du rotor de la machine électrique en coupe partielle dans un plan contenant son axe de rotation ; la représente une autre variante du rotor de la machine électrique en coupe partielle dans un plan contenant son axe de rotation ; la représente encore une variante du rotor de la machine électrique en coupe partielle dans un plan contenant son axe de rotation ; La représente en perspective une machine électrique 10 comprenant un stator 12 et un rotor 14 pouvant tourner par rapport au stator autour d’un axe de rotation 16. Dans l’exemple représenté, le rotor 14 est un rotor interne et le stator 12 est externe. Il est également possible de mettre en œuvre l’invention dans une machine électrique à rotor externe et stator interne. Le stator 12 comprend un bobinage pouvant être alimenté en courant multi phasé, typiquement en triphasé et produisant un champ magnétique tournant à la fréquence d’alimentation. Le rotor 14 comprend un ou plusieurs aimants permanents produisant un champ magnétique tournant avec le champ magnétique du stator lors de la rotation du rotor 14 autour de son axe de rotation 16. La machine électrique 10 peut fonctionner en moteur en transformant de l’énergie électrique en énergie mécanique ou en générateur en transformant de l’énergie mécanique en énergie électrique. La permet d’illustrer le montage d’un aimant permanent 20 dans le rotor 14 de la machine électrique 10. La représente en coupe partielle le rotor 14 dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation 16. La machine électrique 10 comprend un circuit magnétique 22 dans lequel sont disposés un ou plusieurs aimants permanents 20 répartis radialement autour de l’axe 16. Dans le cas d’une pluralité d’aimants permanents 20 ceux-ci sont identiques et un seul est représenté sur la . Lors du fonctionnement de la machine électrique 10, le champ magnétique généré par les différents aimants permanents 20 s’accroche au champ magnétique tournant généré au stator 12. Le circuit magnétique 22 canalise le champ magnétique généré par les aimants permanents 20. Les aimants permanents 20 peuvent être disposés dans des encoches du circuit magnétique 22 et affleurer à la surface extérieure du rotor 14 en regard du stator. Alternativement les aimants permanents 20 peuvent être enterrés dans le circuit magnétique 22. Cette disposition permet notamment d’augmenter la vitesse de rotation de la machine électrique 10 en évitant le risque de décollement des aimants permanents 20 du circuit magnétique 22. La disposition à aimants enterrés permet également de créer un couple reluctant par un effet de saillance qui permet d’assister le couple généré par les aimants et contribue à l’augmentation de la vitesse de la machine électrique. Entre ces deux alternatives, il est également possible de prévoir des aimants permanents 20 en partie enterrés et en partie affleurant. L’aimant permanent 20 représenté sur la n’affleure pas de la surface extérieure 24 du rotor 14 et possède une section dont une partie de forme concave s’ouvre en direction du stator 12, c’est-à-dire vers le haut de la , ceci afin de créer une concentration de flux magnétique et une induction plus élevée dans l’entrefer entre le rotor14 et le stator 12. La section de l’aimant permanent 20 est constante sur la majeure partie de la longueur du rotor 14 définie selon l’axe de rotation 16. Le circuit magnétique 22 comprend une cavité 26 configurée pour contenir l’aimant permanent 20. La cavité 26 est au contact de l’aimant permanent 20. Plus précisément la forme de la cavité 26 est complémentaire au moins en partie de la forme de l’aimant permanent 20. Comme pour l’aimant permanent 20, la section de la cavité perpendiculairement à l’axe 16 est constante sur la majeure partie de la longueur du circuit magnétique 22, longueur définie selon l’axe de rotation 16. le circuit magnétique 22 comprend une ou plusieurs lumières s’ouvrant sur la cavité 26. Dans l’exemple représenté, le circuit magnétique 22 comprend deux lumières 28 et 30. Dans chacune des lumières 28 et 30, la surface extérieure de l’aimant permanent 20 est à distance du circuit magnétique 22. Les lumières 28 forment une barrière au flux magnétique généré par l’aimant permanent 20. Autrement dit, le flux magnétique généré par l’aimant permanent 20 tend à contourner majoritairement les lumières pour se concentrer dans le circuit magnétique 22 dont la perméabilité est beaucoup plus forte que celle du vide ou de l’air contenu dans les lumières 28 et 30. La forme générale de l’aimant permanent 20 et celle du circuit magnétique 22 sont définies en combinaison avec le stator 12 pour optimiser le cheminement des flux magnétiques dans la machine électrique. La forme en partie concave de la section de l’aimant permanent 20 et la présence éventuelle des lumières 28 et 30 sont notamment adaptées à cette optimisation. Le circuit magnétique 22 comprend dans chacune des lumières 28 et 30 une partie élastique, respectivement 32 et 34 venant en appui contre l’aimant permanent 20 afin de limiter le déplacement de l’aimant permanent 20, en translation parallèlement à l’axe de rotation 16, par rapport à la cavité 26. Alternativement il est possible de n’équiper le circuit magnétique 22 que d’une seule partie élastique soit 32, soit 34. En pratique, on profite de la présence de lumières dans le circuit magnétique pour y placer au moins une partie élastique. Dans l’exemple représenté sur la , la section de l’aimant permanent 20 possède un axe de symétrie qui est un axe radial 36 du rotor, axe, perpendiculaire à l’axe de rotation 16. Les lumières 28 et 30 sont également symétriques par rapport à l’axe radial 36. Le fait de mettre en place les deux parties élastiques 32 et 34 prenant appui chacune contre une face opposée, respectivement 38 et 40, de l’aimant permanent 20 permet d’éviter un risque de déplacement radial de l’aimant permanant 20 dans la cavité 26. Autrement dit, en complément d’une limitation du déplacement axial de l’aimant permanent 20 parallèlement à l’axe de rotation 16, les deux parties élastiques limitent le déplacement radial de l’aimant permanent 20 dans les deux sens opposés en équilibrant les forces exercées sur l’aimant permanent 20 par les appuis des deux parties élastiques 28 et 32. L’aimant permanent 20 est pincé entre les deux parties élastiques 28 et 32. La représente en coupe partielle le rotor 14 dans un plan contenant l’axe de rotation 16. On y distingue le circuit magnétique 22 formé par un empilage de tôles s’étendent perpendiculairement à l’axe de rotation 16. On y distingue également l’aimant permanent 20. La partie élastique 32 est par exemple formée dans une des tôles 22i de l’empilage. En fonction de la raideur souhaitée pour la partie élastique 32, il est possible de la réaliser dans plusieurs tôles qui peuvent être contigües ou pas. La partie élastique n’est avantageusement pas réalisée dans toutes les tôles de l’empilage. L’aimant permanent 20 comprend un renfoncement 42 dans lequel la partie élastique 32 vient en butée. En pratique, lors de l’insertion de l’aimant permanent 20 dans la cavité 26 dans un mouvement de translation parallèle à l’axe 16, la partie élastique 32 se déforme en frottant contre l’aimant permanent 20 sur sa face 38 jusqu’à ce que la partie élastique 32 pénètre dans le renfoncement 42 en relâchant au moins en partie sa déformation. Une fois dans le renfoncement 42, la partie élastique 32 vient en butée contre le renfoncement 42, empêchant l’aimant permanent 20 de se déplacer en translation parallèlement à l’axe de rotation 16. Alternativement au renfoncement 42, l’aimant permanent 20 peut comprendre plusieurs excroissances entre lesquelles la partie élastique 32 vient se caller. De façon plus générale, les excroissances ou le renfoncement permettent de réaliser une limitation du déplacement de l’aimant permanent 20, en translation parallèlement à l’axe de rotation 16, par rapport à la cavité 28. Les parties élastiques 32 et 34 possèdent, dans l’exemple représenté sur la , une forme incurvée entre leur emplanture, respectivement 32a et 34a, sur la paroi interne de leur lumière respective et leur extrémité libre, respectivement 32b et 34b, en appui contre l’aimant permanent 20. Une forme incurvée permet d’augmenter la longueur de la fibre neutre de la partie élastique concernée par rapport à une partie élastique qui possèderait une forme rectiligne. La partie élastique est globalement soumise à une contrainte de flexion lors de sa déformation. La fibre neutre est une ligne de la partie élastique ne subissant aucune contrainte de traction/compression lors de sa déformation en flexion. L’adaptation de la longueur de la fibre neutre permet de régler la déformation possible de la partie élastique. Ceci permet notamment à la partie élastique de se caller dans le renfoncement 42. Ceci permet également d’absorber les dispersions de dimensions dues aux tolérances de fabrication de l’aimant permanent 20 et du circuit magnétique 22. Toute autre forme non rectiligne est bien entendue possible. La est représentée dans un plan perpendiculaire à celui de la et sur la , la possible forme incurvée de la partie élastique 32 n’est pas visible. La représente une variante du rotor 14 en coupe partielle dans un plan contenant l’axe de rotation 16. On y retrouve le circuit magnétique 22 représenté sur la équipé de la partie élastique 32. On y retrouve l’aimant permanent 20. A la différence de la variante représentée sur la , l’aimant permanent 20 comprend un renfoncement 44 de forme légèrement différente. Le renfoncement 44 est en forme de V dont les branches 44a et 44b s’étendent de façon inclinée par rapport à l’axe de rotation 16. Dans la variante de la , le renfoncement 42 possède des parois 42a et 42b perpendiculaires à l’axe de rotation 16. Les parois 42a et 42b forment une butée franche empêchant tout déplacement de l’aimant permanent 20 en translation parallèlement à l’axe de rotation 16 dans les deux sens. Avec une butée franche, l’extraction de l’aimant permanent 20 en fin de vie de la machine électrique peut se faire par exemple en cassant ou en déformant de manière permanente (c’est-à-dire hors de leur domaine élastique) les parties élastiques en appliquant un effort important sur l’aimant permanent 20 selon un axe parallèle à l’axe de rotation 16. Alternativement à une rupture, ou à une déformation permanente des parties élastiques, il est possible de prévoir un outil spécifique inséré dans les lumières correspondantes et permettant de rétracter les parties élastiques. Au contraire, une forme en V du renfoncement 44 permet à la partie élastique 32 de se rétracter sans outil sous l’action d’un effort sur l’aimant permanent 20 selon un axe parallèle à l’axe de rotation 16. Il convient de veiller à ce que cet effort soit supérieur aux efforts pouvant intervenir durant le fonctionnement de la machine électrique. L’inclinaison des branches 44a et 44b de la forme en V permet de régler l’effort d’extraction de l’aimant permanent 20. Il est également possible de mette en œuvre un renfoncement ne possédant qu’une seule branche inclinée soit 44a, soit 44b, l’autre branche pouvant être perpendiculaire à l’axe de rotation 16 comme dans le renfoncement 42. Cette branche unique inclinée forme un chanfrein. Autrement dit, le renfoncement peut comprendre un ou deux chanfreins permettant l’extraction de l’aimant permanent 20 hors du circuit magnétique 22 soit dans un seul sens soit dans les deux sens portés par une direction parallèle à l’axe de rotation 16. La représente une autre variante du rotor 14 en coupe partielle dans un plan contenant l’axe de rotation 16. On y retrouve le circuit magnétique 22 représenté sur la équipé de la partie élastique 32. A la différence des variantes représentées sur les figures 3 et 4, la face 38 de l’aimant permanent 20 disposée en regard de la partie élastique 32 ne comprend aucun renfoncement. La face 38 est parallèle à l’axe de rotation 16. Plus précisément la face 38 peut former une courbe, visible sur la , dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation 16. La face 38 forme une portion de cylindre s’appuyant sur la courbe et dont les génératrices sont parallèles à l’axe de rotation 16. Lors de l’insertion de l’aimant permanent 20 dans la cavité 26, la partie élastique 32 frotte contre la face 38 tout au long de son insertion le long d’une génératrice de la face 38 et la limitation du déplacement de l’aimant permanent 20, en translation parallèlement à l’axe de rotation 16, par rapport à la cavité 28 se fait par adhérence. L’effort devant être exercé sur l’aimant permanent 20 pour son insertion dans la cavité 26 est le même, dans le même sens ou dans un sens opposé, que l’effort nécessaire à l’extraction de l’aimant permanent 20. Les aimants permanents 20 peuvent être réalisés par injection de poudre dans un moule ayant une empreinte de forme complémentaire à celle de l’aimant permanent 20. Après moulage la poudre est frittée. Ce type de procédé présente l’avantage de permettre la réalisation de détails précis, dont notamment la rainure 38, dans la forme de l’aimant permanent 20. Ce procédé de fabrication présente également l’avantage de permettre la réalisation d’aimants permanents en fortes cadences de production. Tout autre procédé de réalisation des aimants permanents 20 peut être mis en œuvre dans le cadre de l’invention. Machine électrique à rotor à aimants permanents, le rotor (14) pouvant tourner autour d’un axe de rotation (16) par rapport à un stator (12) de la machine électrique (10), le rotor (14) comprenant un circuit magnétique (22) et au moins un aimant permanent (20), le circuit magnétique (22) étant configuré pour guider le flux magnétique généré par l’aimant permanent (20), l’aimant permanent (20) s’étendant selon l’axe de rotation (16) et présentant une forme générale de section radiale adaptée à générer le flux magnétique, le circuit magnétique (22) comprenant une cavité (26) configurée pour contenir l’aimant permanent (20), la cavité (26) étant au contact de l’aimant permanent (20), dans laquelle le circuit magnétique comprend au moins une lumière (28, 30) s’ouvrant sur la cavité (26), dans la lumière (28, 30) une surface extérieure (38, 40) de l’aimant permanent (20) est à distance du circuit magnétique (22) de façon à former une barrière au flux magnétique généré par l’aimant permanent (20), et dans laquelle le circuit magnétique (22) comprend, dans la lumière (28, 30), une partie élastique (32, 34) venant en appui contre l’aimant permanent (20) afin de limiter le déplacement de l’aimant permanent (20), en translation parallèlement à l’axe de rotation (16), par rapport à la cavité (28, 30). Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle la limitation du déplacement de l’aimant permanent (20), en translation parallèlement à l’axe de rotation (16), par rapport à la cavité (28, 30) est réalisée par obstacle. Machine électrique selon la revendication 2, dans laquelle l’aimant permanent (20) comprend un renfoncement (42 ; 44) dans lequel la partie élastique (32, 34) vient en butée pour éviter le déplacement en translation de l’aimant permanent (20) par rapport à la cavité (26). Machine électrique selon la revendication 3, dans laquelle le renfoncement (42) possède au moins une paroi (42a, 42b) s’étendant perpendiculairement à l’axe de rotation (16), la paroi (42a, 42b) formant une butée franche empêchant tout déplacement de l’aimant permanent (20) en translation parallèlement à l’axe de rotation (16). Machine électrique selon la revendication 3, dans laquelle le renfoncement (44) possède au moins un chanfrein (44a, 44b) permettant l’extraction de l’aimant permanent (20) hors du circuit magnétique (22) en y appliquant un effort parallèlement à l’axe de rotation (16). Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle la limitation du déplacement de l’aimant permanent (20), en translation parallèlement à l’axe de rotation (16), par rapport à la cavité (28, 30) est réalisée par adhérence. Machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la partie élastique (32, 34) est configurée pour posséder une fibre neutre courbe lorsqu’elle est soumise à un effort lors de l’insertion de l’aimant permanent (20) dans la cavité (26). Machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit magnétique comprend des tôles empilées selon l’axe de rotation (16) et dans laquelle la partie élastique (32, 34) est formée dans au moins une des tôles (22i). Machine électrique selon la revendication 8, dans laquelle la partie élastique (32, 34) n’est pas formée dans toutes les tôles de l’empilage.