Machines électriques et aimants permanents

Marché global

Sur l'ensemble des applications à base d'aimants, une large majorité se retrouve dans les moteurs et générateurs électriques. Comme le présente la gure 2.1, en seconde position, nous retrouvons les actionneurs et capteurs. Aujourd'hui l'utilisation des aimants de type terres rares a fortement augmenté. Ces aimants dont le prix avait considérablement diminué ces dernières années, laissent envisager de nouvelles applications industrielles. Dans le monde de l'automobile, l'électrication croissante et la multiplication des petits actionneurs (voir Fig. 2.2) laissent présa-ger une croissance forte du marché des aimants. D'autres innovations comme les poudres de fer compressées ouvrent également la porte aux développements de petits actionneurs à aimants.

Figure 2.1 Répartition des applica-tions des aimants permanents (Source

Va-leo) Figure 2.2 Plus de 100 aimants permanents dans une

auto-mobile moderne (Source Valeo)

Cependant, malgré une hausse constante des quantités produites, l'évolution des prix des ai-mants terres rares s'est complètement inversée ces derniers mois et ils augmentent d'une manière exponentielle [Bic07]. La hausse des taxes chinoises à l'exportation et le surcoût lié aux dispositifs antipollutions en sont les principales raisons invoquées.

Type de machine concernée

La gure 2.3 présente une vue synthétique des diérents types de machines électriques. Environ un tiers font appel à des aimants permanents.

Il est important de distinguer les diérents usages des aimants permanents. Dans la majorité des cas, ils sont employés pour générer un champ inducteur, au rotor ou au stator. Cependant, dans certaines applications, comme les alternateurs automobiles à inducteur bobiné, de petits aimants peuvent s'intercaler entre les pièces polaires (aimants interpolaires) de manière à augmenter le couple en ajoutant une aimantation dans une certaine direction. Ce domaine d'application est en pleine expansion car il permet d'accroître les performances des machines sans pour autant changer leur principe de fonctionnement ([Tam08]). On parle de machines à double excitation.

Figure 2.3 Les diérents types de moteur et les opportunités d'adjonction d'aimants permanents (carrés rouges)

Caractéristiques générales des aimants permanents

Un état de l'art des technologies d'aimants a été rédigé en début de thèse. Il n'est pas reproduit ici an de ne pas alourdir inutilement le mémoire. Toutefois, les caractéristiques des principales fa-milles d'aimants ainsi que leur comportement face à la température sont repris dans le tableau 2.1.

La gure 2.4 présente les diérentes familles d'aimants suivant leur rémanence et leur champ coercitif. Une échelle colorée permet d'apprécier leur degré de maturité sur le marché global.

Type Br à 20

Ferrites 7 0.34 260 320 21.9 -0.2 0,2 / 0,5 250/300

Ferrites 8 0.385 235 245 27.8 -0.2 0,2 / 0,5 250/300

Ferrites 10 0.41 225 230 31.8 -0.2 0,2 / 0,5 250/300

Alnico frittés 0.7 44 45 11.9 -0.015 -0.02 450

SmCo5frittés 0,85/1,02 620/755 1190/2390 135/205 -0.04 -0.25 300

Sm2Co17liés 0,95/1,16 480/840 560/2070 190/240 -0.03 300/350

NdFeB frittés 1,02/1,42 763/955 1350/3260 190/400 -0,09/-0,12 -0,55/-0,77 100/150

NdFeB liés 0,2/0,75 300/480 600/1270 40/95

Table 2.1 Caractéristiques des principales familles d'aimants

Figure 2.4 Classication des matériaux selon leur champ coercitif et leur rémanence (20°C) et leur cycle de vie (Source Vaccumschmelz)

La réaction magnétique d'induit.

Dans tous les moteurs à aimants, il y a superposition d'un champ inducteur créé par les aimants et d'un champ d'induit créé par le bobinage. Ce champ d'induit vient s'opposer en certains endroits à celui des aimants et à tendance à les désaimanter. Il est très important de prendre en compte ces phénomènes sous peine de perdre complètement toutes les caractéristiques magnétiques de l'aimant considéré. Cette réaction est d'autant plus importante que les courants traversant l'induit sont intenses (cas du démarreur automobile par exemple). Ce phénomène est très marqué dans les moteurs à courant continu. La gure 2.5 présente le phénomène. L'emploi de nuances d'aimant à fort champ coercitif est plus que souhaitable. La solution classique était d'utiliser des aimants bi-qualités (nuance à fort champ coercitif pour les zones critiques et nuance à forte rémanence pour le reste de l'aimant). Les progrès de la métallurgie ont permis l'industrialisation d'aimants bas coût à fort champ coercitif (ferrites). Les nuances bi-qualités ont été abandonnées.

La réaction magnétique d'induit est beaucoup moins importante dans les machines à aimants

Figure 2.5 Coupe droite d'un moteur à courant continu : mise en évidence de la réaction magnétique d'induit

Figure 2.6 Superposition des inductions dues à l'aimant et à l'induit

que dans les machines bobinées parce que la perméabilité relative (µ_r) des pôles bobinés est beaucoup plus importante que celle des aimants (proche de l'unité). Ainsi, vu de l'induit, les aimants permanents se comportent magnétiquement comme de l'air. Dans les machines bobinées le champ magnétique de réaction d'induit est canalisé par le noyau ferromagnétique du pôle.

Figure 2.7 Pole shoe sur une machine bipolaire à courant continu

Pour contrer les risques de désaimantation, certains constructeurs ajoutent des pièces po-laires en fer doux (appelées Pole shoe) entre l'aimant et l'entrefer (voir Fig. 2.7). Cette dis-position permet de faire de la concentration de ux et de limiter les risques de démagnétisation des aimants. Les lignes de champ de l'induit qui tendraient à démagnétiser l'aimant viennent se refermer majoritairement dans ces pièces po-laires. Cette disposition particulière ne change cependant rien aux eets de la réaction d'induit sur la forme de l'induction dans l'entrefer.

La tenue en température

Les pertes Joule subies par les bobinages échauent inéluctablement l'intégralité de la ma-chine électrique. Les conditions environnementales sous le capot d'une voiture ne font qu'empirer les choses. De manière générale, une hausse de la température détériore les caractéristiques ma-gnétiques des aimants. En eet, si la température de la machine passe au-dessus de la température

maximale d'utilisation (120°C pour certaines nuances de NdFeB), des pertes importantes mais ré-versibles seront constatées. De plus, si la température passe au dessus de la température de Curie (310 ° C pour les NdFeB), toutes les propriétés magnétiques seront dénivement perdues.

Il convient de garder toujours ces constatations à l'esprit. Les fonctionnements transitoires à courants très élevés (phase de démarrage ou de freinage) peuvent induire par convection puis par radiation des échauements notables sur les aimants de la machine. Des systèmes de venti-lation (forcée ou non) sont généralement prévus sur les machines électriques. Des évents peuvent également être dimensionnés pour pallier ces problèmes. Pour les moteurs à forts couples des sys-tèmes à convection forcée (circulation d'un liquide calorifuge dans un serpentin) sont actuellement commercialisés mais nécessitent un entretien et une maintenance plus lourde.

Les problèmes de mise en ÷uvre

Le montage des aimants reste toujours une diculté en raison de leur relative fragilité et de leur magnétisation (in situ ou non). Les techniques classiques sont les suivantes :

L'agrafage : les aimants sont agrafés à la culasse par une pièce mécanique. Nous retrouvons ici des systèmes traversant la culasse ou des systèmes complètement solidaires de la culasse.

Le collage : dans les petites machines, les aimants peuvent être collés. Ces colles sont très sensibles au cisaillement.

Le clipsage : certains aimants comme les plasto-aimants, disposent d'une certaine élasticité permettant le clipsage dans des formes diverses du stator ou du rotor.

Il convient de prendre certaines précautions lors du montage des structures d'aimants. Des risques de désaimantation peuvent apparaître durant la phase d'insertion des aimants dans la culasse ([DZS⁺]).

De manière générale, et dans la limite de faisabilité, il est souhaitable de maintenir les aimants dans des dispositifs mécaniques. En raison de leur sensibilité à la corrosion et à l'oxydation, les aimants sont des pièces à protéger particulièrement.