E11 - Institut Carnot Energies du Futur

PROJET MAGASS
S. Fiette (1) – A.L Bui Van (1) – G. Largiller (2) - G.Delette (3)
CEA-LITEN
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Date de démarrage : 09/2013
Date de fin : 09/2015
Laboratoires impliqués : (1) LITEN DEHT/SIGE/L2M – (2) DTBH/SCTR/LCA – (3) DTNM/SERE/LMA
Action financée :
29/01/2015
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Rappel du contexte et fonctionnement
par rapport à l’état de l’art
 Configurations optimisées de moteurs électriques avec AP de forme complexe
 Intérêt des moteurs à AP NdFeB (compacité, efficacité > 93 %)
Moteur avec bague multipolaire
Moteur à aimants enterrés multi-couche
Aichi steel 2013
Tian, J. (2009)
Stabilité du moteur, minimisation des pertes
Facilité de montage, Résistance à forte vitesse
Pb. de fissuration au frittage
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•
Utilisation du couple reluctant
Fonctionnement moins critique pour les aimants
Difficulté de montage et d’assemblage rotor
Limité à des plasto-aimants
Potentiel du procédé PIM (Powder injection Molding) peu exploité pour NdFeB anisotrope
Bague radiale frittée : 1 seul fournisseur (Hitachi)
Modélisation thermomécanique du frittage de NdFeB peu développée (fissuration, distorsion)
Pas de techno brasage aimants/rotor ou aimant/aimant autre que collage
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Rappel du contexte et fonctionnement
par rapport à l’état de l’art
Procédé aimants NdFeB frittés
Phase magnétique
(Nd,Dy)2Fe14B
Phase riche
en Nd en
surface des
grains
Strip-casting
four
5 µm
H2
Broyage
Décrépitation
B
NdFeB 0,5 %Dy obtenu au LITEN
200 nm
Frittage
+ recuits
Pressage isostatique
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Phase magnétique
(Nd,Dy)2Fe14B
Phase riche en Nd
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Rappel du contexte et fonctionnement
par rapport à l’état de l’art
Procédé PIM
500°C
Frittage + recuit
1000°C
déliantage
+ Polymères
B
injection
Rhéologie des feedstocks
ferrites CEA
1500
NdFeB-5µ-MQ
1300
Mélangeur à
rouleau BAG
Viscosité (Pa.s)
1100
NdFeB-5µmCEA-1
Arelec
Mélangeur à rouleau
BAG + mélangeur à pale
900
Projet CARNOT MAGNET : 2 points durs
Fabrication faibles quantités (200 g) BaG nano, reprise broyage
mélangeur à pâles pour amélioration viscosité
Déliantage sous H2, pollution C : densité insuffisante en fin de frittage
NdFeB-5µmCEA-2
700
Injection
500
300
100
-100
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0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Taux de cisaillement (/s)
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Rappel des objectifs et démarche
engagée

Modéliser le fonctionnement de moteurs à aimants permanents de façon à définir des géométries,
arrangements et propriétés d’aimants idéales
 Proposer des technologies d’assemblage par brasage d’aimants sans dégradation de leur propriétés

Maitriser la mise en forme d’aimants NdFeB par PIM
 Conception de moule de presse avec technologie d’alignement
 Réactivité des poudres NdFeB et déliantage

Modélisation thermo-mécanique du frittage des aimants NdFeB
 Distorsions géométriques
 Fissurations

Démonstration sur des prototypes :
 Intégration de nouvelles solutions technologiques dans un moteur de référence
−
−
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Prototype 1 : brasage aimants sur rotor en remplacement du collage + frettage
Prototype 2 : intégration d’aimants réalisés par PIM avec une forme optimisée
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Rappel des objectifs et démarche
engagée

Modélisation électromagnétique de moteurs à A.P : logiciels E.F FLUX 2D, MAXWELL




Résolution des équations de Maxwell
Matériaux décrits par leur perméabilité ou courbe B-H (aimants) et résistivité
Cinématique : vitesse de rotation imposée, résolution pour différentes positions angulaires
Courants imposées dans les encoches (formes sinusoïdales) avec déphasage (ld et Iq)
Tension induite rms @1000tr/min [V]
Couple @165A [N.m]
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Mesure
50,5
111
Simulation
49
122,4
delta%
-3,0
10,3
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Rappel des objectifs et démarche
engagée

Analyse moteur de référence, réalisation de prototype de moteurs et test sur banc (DEHT)
(4)
Pilotage :
•
•
interface utilisateur
contrôle de l’alimentation, de la charge, du
variateur, du refroidissement
(3)
•
(2)
(1)
Alimentation :
•
délivre l’énergie électrique d’entrée
•
•
1000V - 250kW
réinjection sur réseau 800V –
100kW
(5)
•
•
•
Mesures :
courants, tensions,
puissances
températures
couple (couplemètres 100 à
2000Nm) et vitesse
•
•
•
•
•
Centrale de refroidissement :
par liquide
Machine de charge :
impose la vitesse ou le couple de charge
en stabilisé ou suivant un profil de roulage
puissance 250kW nominal (300kW pointe)
arbre rapide 10000tr/min - 500Nm
arbre lent
2500tr/min - 2000Nm
Tension et ondulation de couple
→ Base pour études paramétriques sur la forme des aimants
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Rappel des objectifs et démarche
engagée

Spécification de nouvelles formes d’aimants et réalisation par techniques d’assemblage (DTBH)
Aimant / Métal (FeSi)
Aimant / Aimant:
- Assemblage des aimants sur le rotor
- Réalisation d’une couronne continue d’aimants
Brasure
Rotor
Aimants
Zn
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Rappel des objectifs et démarche
engagée

Spécification de nouvelles formes d’aimants et réalisation par PIM (DTNM)
 Etudes de rhéologie, remplissage du moule, réactivité des poudres
 Développement d’un moule de presse sous champ
Profil du champ produit dans
l’empreinte ~1 T
aimants permanents
insert
empreinte moule
Conception d’un moule sous champs avec aimants
permanents
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Rappel des objectifs et démarche
engagée

Modélisation du frittage (DTNM)
 Approche macroscopique : évolution géométrique des pièces
5 paramètres à identifier : ET, EL ,GTL, n, nLT
Essais de frittage sous charge
 Approche microscopique : fissuration
− Génération de microstructures frittées et maillage des grains pour calcul micro-mécanique
5 µm
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Principaux résultats
 Modélisation d’un moteur et optimisation des aimants (DEHT/DTNM)
Couple d’encoche
FEM
45°
Amélioration ondulation de couple
Optimisation couple/masse aimant
4 mm
2 mm
 Démarche complète : analyse moteur, modélisation, mesure et optimisation
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Principaux résultats
 Modélisation du frittage et injection (DTNM)
 Modélisation du frittage anisotrope NdFeB
4mm
Modélisation macro du frittage : anticipation des distorsion de
pièces complexes de type bague annulaire multipolaire
Modélisation micro du frittage : mise en évidence du rôle de
contraintes locales aux joints de grains dans les microstructures
avec dispersion de la taille de grains
 Injection :
− faisabilité fonctionnalisation des poudres
− étude remplissage moule (en cours)
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Principaux résultats
 Assemblage aimants revêtus Zn sur rotor Fe-Si (DTBH)
Δ𝐵𝑟
Fe-Si
Base Sn (Ag,Cu)
Δ𝐻𝑐
Zn (≈4µm)
Aimant
galvanisé
(effet de la découpe et du polissage)
Tmax =
500°C
Plaque FeSi
Test à 300°C concluant  test mécanique à mettre en place
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Valorisation
 Brevets déposés ou en cours de rédaction : 0
 Publications et participation à des congrès :
 1 article soumis à Journal of Magnetism and Magnetic Materials (micromécanique)
 1 participation à conférence REPM 2014 (frittage NdFeB)
 Perspectives :
 Brevets potentiels
− 1 brevet sur le brasage du NdFeB
− 1 brevet sur les nouvelles topologies de moteur avec aimants brasés
 Publications et congrès à venir
− 1 conférence envisagée optimisation moteur/dimensionnement moule
 Poursuite envisagée :
− contrat industriel avec TE2M sur aimanteur de bague radiale
− collaboration avec Cédrat sur la modélisation des moules
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Merci de votre attention,
Institut Carnot Énergies du Futur
Domaine Universitaire - BP 46 38402
St Martin d'Hères Cedex - Tel (04) 76 82 62 93
www.energiesdufutur.fr
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