Brevet FR3144721A1 — publié le 20240705

L’invention concerne 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 (22) et au moins un aimant permanent (20), 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 (26) configurée pour contenir l’aimant permanent, la cavité étant au contact de l’aimant permanent, dans laquelle le circuit magnétique et l’aimant permanent comprennent en outre un liaison glissière (32) autorisant une translation de l’aimant permanent par rapport au circuit magnétique parallèlement à l’axe de rotation, la liaison glissière étant configurée pour limiter tout mouvement de rotation de l’aimant permanent par rapport à la cavité. 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. L’invention vise à faciliter le recyclage des machines électrique à aimants permanents en proposant une alternative au montage classique des aimants permanents dans leur circuit magnétique. L’invention vise à faciliter la désolidarisation des aimants lors du recyclage des machines électriques lorsque celle-ci sont arrivées en fin de vie tout en assurant un maintien mécanique suffisant lors du fonctionnement des machines électriques. L’invention peut être mise en œuvre pour tout type d’aimant permanent, quel que soit le matériau qui le compose. Les circuits magnétiques dans lesquels les aimants sont fixés peuvent être réalisés sous forme d’empilement de tôles ou de façon monobloc. 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 et l'aimant permanent comprennent en outre un liaison glissière autorisant une translation de l'aimant permanent par rapport au circuit magnétique parallèlement à l'axe de rotation, la liaison glissière étant configurée pour limiter tout mouvement de rotation de l'aimant permanent par rapport à la cavité. La liaison glissière peut comprendre une rainure réalisée dans l'aimant permanent et un rail, complémentaire de la rainure et réalisé dans le circuit magnétique, la rainure et le rail s'étendant parallèlement à l'axe de rotation. Le rail et la rainure peuvent avoir une section perpendiculaire à l'axe de rotation en forme de T. Le rail peut aussi être en liaison glissière, parallèlement à l'axe de rotation, avec le circuit magnétique. Le rotor peut comprendre en outre au moins un flasque fixé de façon démontable sur le circuit magnétique et verrouillant la translation de l'aimant permanent parallèlement à l'axe de rotation. Le rotor peut comprendre en outre deux flasques fixés de façon démontable sur le circuit magnétique et verrouillant, chacun dans un sens, la translation de l'aimant permanent parallèlement à l'axe de rotation. 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 en perspective éclatée, le rotor de la machine électrique de la ; la représente en perspective le rotor de la une fois assemblé. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 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 permanents enterrés permet également de créer un couple reluctant par un effet de saillance qui permet d’assister le couple généré par les aimants permanents 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 affleurants. 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 peut comprendre 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. La mise en place de l’aimant permanent 20 dans la cavité 26 peut ne pas être suffisante pour assurer un positionnement précis de l’aimant permanent 20 dans le circuit magnétique 22. Pour améliorer la précision de ce positionnement, on prévoit de lier le circuit magnétique 22 et l’aimant permanent 20 au moyen d’une liaison glissière 32 autorisant une translation de l’aimant permanent 20 par rapport au circuit magnétique 22 parallèlement à l’axe de rotation 16. La liaison glissière 32 est configurée pour limiter tout mouvement de rotation de l’aimant permanent 20 par rapport à la cavité 26. La liaison glissière 32 permet notamment de limiter la rotation possible de l’aimant permanent 20 autour de l’axe de rotation 16 et aussi autour d’un axe radial 34 perpendiculaire à l’axe de rotation 16. La liaison glissière 32 est formée par des formes complémentaires appartenant l’une à l’aimant permanent 20 et l’autre au circuit magnétique 22. Ces formes peuvent comprendre une rainure et un rail complémentaire apte à coulisser dans la rainure. La rainure et le rail peuvent être réalisés alternativement dans l’aimant permanent 20 et dans le circuit magnétique 22. La rainure et le rail s’étendent parallèlement à l’axe de rotation 16 pour permettre la translation de l’aimant permanent 20 par rapport au circuit magnétique 22 parallèlement à l’axe de rotation 16. Dans l’exemple représenté, un rail 36 possède une section perpendiculaire à l’axe de rotation 16 en forme de T. Le rail 36 est réalisé dans le circuit magnétique 22. Une rainure 38 formant un réceptacle complémentaire pour la forme en T du rail 36 est réalisée dans l’aimant permanent 20. Comme indiqué plus haut toutes autres formes complémentaires sont possibles afin de réaliser la liaison glissière 32. Un rail et une rainure en forme de I, plus simple à réaliser, sont par exemple envisageables. La forme en T, plus complexe, assure une meilleure stabilité du positionnement de l’aimant permanent 20 dans la cavité 26. La représente en perspective éclatée, le rotor 14 de la machine électrique 10. Le rotor 14 comprend, dans l’exemple représenté, six aimants permanents 20 pouvant être insérés chacun dans une cavité 26 du circuit magnétique 22. La aimants permanents 20 sont répartis radialement autour de l’axe 16. Le nombre d’aimants permanents 20 est adapté au nombre de pôles de la machine électrique 10 et l’invention peut être mise en œuvre quel que soit le nombre de pôles. Le rotor 14 comprend un premier flasque 40 pouvant être fixé de façon démontable sur le circuit magnétique 22 et verrouillant la translation des aimants permanents 20 parallèlement à l’axe de rotation 16. Le flasque 40 ferme les cavités 26. Lors du montage du rotor 14, les aimants permanents 20 sont insérés, chacun dans une cavité 26, dans un mouvement de translation selon l’axe 16. Le guidage en translation se fait en partie par la forme de la cavité 26 et la précision de ce guidage est obtenue au moyen de la liaison glissière 32. Une fois les aimants permanents 20 en place dans leur cavité 26, le flasque 40 est fixé sur le circuit magnétique 22 pour empêcher les aimants permanents 20 de ressortir de leur cavité 26 respective dans un mouvement de translation inverse au mouvement de translation ayant permis l’insertion des aimants permanents 20 dans leur cavité 26 respective. Une extrémité des cavités 26 est obturée par le flasque 40. L’autre extrémité des cavités peut être obturée de façon permanente par le circuit magnétique 22 lui-même. Le circuit magnétique 22 peut comprendre un empilage de tôles. Les cavités 26 sont formées dans les tôles et une des tôles, appelée tôle d’extrémité, peut former l’obturation permanente. Alternativement à l’obturation permanente, les cavités 26 peuvent être ouvertes des deux côtés du circuit magnétique 22. Il est ainsi possible d’insérer les aimants permanents 20 soit d’un côté soit de l’autre du circuit magnétique 22. Pour obturer les cavités 26 des deux côtés et verrouiller complètement la position des aimants permanents 20 dans leur cavité 26, un second flasque 42 est fixé au circuit magnétique 22. Ainsi les flasques 40 et 42 verrouillent, chacun dans un sens, la translation de l’aimant permanent 20 parallèlement à l’axe de rotation 16. La présence de deux flasques permet d’améliorer la symétrie du rotor 14, notamment dans le guidage du flux 40 et 42 magnétique généré par les aimants permanents 20. Les deux flasques 40 et 42 sont avantageusement réalisés dans le même matériau. Ce matériau peut être transparent d’un point de vue magnétique afin d’éviter certains bouclages de lignes de champ magnétique. Ce matériau peut être choisi avec de bonnes propriétés de conduction thermique afin de favoriser l’évacuation de chaleur pouvant être générée dans le rotor lors du fonctionnement de la machine électrique. Plus généralement, dans le cadre de l’invention, tout type de matériau peut être choisi pour réaliser les flasques 40 et 42. La représente le rotor 14 une fois les deux flasques 40 et 42 fixés au circuit magnétique 22. La fixation d’au moins un des flasques 40 et 42 est démontable de façon à pouvoir extraire les aimants permanents 20 du circuit magnétique 22. La fixation démontable peut par exemple être réalisée au moyen de vis ou de rivets que l’on peut extraire facilement lors du démontage. Tout autre moyen de fixation est envisageable. Un avantage supplémentaire à la présence de deux flasques démontables est que, pour extraire les aimants permanents 20, il est possible de déposer les deux flasques 40 et 42 puis de pousser les aimants permanents par un côté du circuit magnétique 22 afin de les faire ressortir de l’autre côté. Cette poussée peut être utile si les aimants permanents 20 ont été montés de façon serrée dans leur cavité respective, notamment pour éviter la création d’entrefer entre les aimants permanents 20 et le circuit magnétique 22 au niveau de leur surface de contact. De plus, arrivés en fin de vie, le rotor 14 peut avoir subi des déformations entrainant un serrage plus important des aimants permanents 20 dans leur cavité respective. Le fait pouvoir pousser les aimants permanents 20 pour les désolidariser du circuit magnétique 22 permet de vaincre ce serrage. Pour faciliter l'extraction des aimants permanents 20, il est possible de mettre en œuvre le rail 32 démontable par rapport au circuit magnétique 22. Le rail 32 est lui-même en liaison glissière parallèlement à l’axe de rotation 16 avec le circuit magnétique 22. Ainsi l’extraction des aimants permanents 20 peut se faire en exerçant un effort sur le rail 32 et non sur l’aimant permanent 20 lui-même. Ceci présente un intérêt lorsque le matériau de l’aimant permanent 20 est fragile. 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 (22) et l’aimant permanent (20) comprennent en outre un liaison glissière (32) autorisant une translation de l’aimant permanent (20) par rapport au circuit magnétique (22) parallèlement à l’axe de rotation (16), la liaison glissière (32) étant configurée pour limiter tout mouvement de rotation de l’aimant permanent (20) par rapport à la cavité (26). Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle la liaison glissière (32) comprend une rainure (38) réalisée dans l’aimant permanent (20) et un rail (36), complémentaire de la rainure (38) et réalisé dans le circuit magnétique (22), la rainure (38) et le rail (36) s’étendant parallèlement à l’axe de rotation (16). Machine électrique selon la revendication 2, dans laquelle le rail (36) et la rainure (38) ont une section perpendiculaire à l’axe de rotation (16) en forme de T. Machine électrique selon l’une des revendications 2 ou 3, dans laquelle le rail (36) est en liaison glissière, parallèlement à l’axe de rotation (16), avec le circuit magnétique (22). Machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le rotor comprend en outre au moins un flasque (40) fixé de façon démontable sur le circuit magnétique (22) et verrouillant la translation de l’aimant permanent (20) parallèlement à l’axe de rotation (16). Machine électrique selon la revendication 5, dans laquelle le rotor comprend en outre deux flasques (40, 42) fixés de façon démontable sur le circuit magnétique (22) et verrouillant, chacun dans un sens, la translation de l’aimant permanent (20) parallèlement à l’axe de rotation (16).