WO2020128268A1

WO2020128268A1 - Noyau magnétique comportant une caractéristique constitutive variant spatialement

Info

Publication number: WO2020128268A1
Application number: PCT/FR2019/053078
Authority: WO
Inventors: Alexandre FLEURY; Thierry Thomas; Cyrille GAUTIER
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: FR3090990B1; FR3090990A1

Abstract

L'invention concerne un noyau magnétique (10) présentant une forme générale de boucle autour d'un axe (X), comprenant au moins un matériau magnétique à composition prédéterminée et présentant au moins une structure interne prédéterminée. Le noyau magnétique (10) est formé d'une seule pièce et en ce qu'il présente, le long de l'axe (X), autour de l'axe (X) et/ou perpendiculairement à l'axe (X), au moins une variation spatiale de la composition prédéterminée du matériau magnétique et/ou de la structure interne prédéterminée, la variation spatiale étant destinée à générer un gradient de perméabilité magnétique (μr).

Description

NOYAU MAGNÉTIQUE COMPORTANT UNE CARACTÉRISTIQUE CONSTITUTIVE

VARIANT SPATIALEMENT

Domaine de l’invention

[0001] La présente invention concerne le domaine des inductances L (ou électroaimants), en particulier les noyaux magnétiques de ces inductances, cette invention pouvant notamment être utilisée dans le domaine des moteurs d’aéronefs.

Etat de la technique

[0002] Un électroaimant est classiquement formé d’un circuit magnétique formant noyau magnétique et d’un bobinage (aussi appelé bobine) de N spires. Le noyau magnétique est constitué (au moins en partie) d’un matériau magnétique, comme illustré, par exemple, dans les documents WO 2015/098579 A1 , US 2018/005740 A1 ou EP- 0 771 01 1 A1.

[0003] La densité w d’énergie électromagnétique d’un matériau (magnétique) est donnée par la relation :

1

w = - BH

2

- où B est la densité de flux magnétique dans l'espace (ou champs d’induction magnétique), et s'exprime en teslas, et

- où H est l’excitation magnétique d’un matériau sous l'effet d'un champ électromagnétique externe (champs d’excitation magnétique), et s'exprime en ampères par mètres.

[0004] De manière classique, dans un matériau magnétique :

B = m₀. m_G. H

- où m₀ est une constante universelle, la « constante magnétique » (il s’agit de la perméabilité magnétique du vide),

- où m_n est la perméabilité magnétique relative, caractérisant la faculté d'un matériau donné à modifier un champ magnétique donné.

[0005] La densité d’énergie stockée dans un matériau magnétique est donc :

w =— -— B².

2 m₀.m_G

[0006] L’utilisation d’un matériau magnétique à forte perméabilité magnétique relative m_n permet de bien canaliser le champs d’induction magnétique (ou flux magnétique) B et de limiter les fuites électromagnétiques. Ces fuites sont gênantes et provoquent notamment l’apparition de courants induits dans le bobinage associé au noyau magnétique. [0007] Le champ d’induction magnétique (flux magnétique) B est cependant limité dans un matériau magnétique donné par un effet de saturation. Cet effet de saturation modifie la valeur de la perméabilité magnétique relative m_n du matériau considéré et joue ainsi un rôle dans la capacité de stockage énergétique du noyau magnétique. Il peut donc être intéressant de minimiser l’importance de la perméabilité magnétique relative m_n du matériau considéré.

[0008] On définit par ailleurs la réluctance d’un circuit magnétique comme son aptitude à s’opposer à sa pénétration par un champ magnétique externe. Une coupure physique dans le circuit magnétique permet d’augmenter la réluctance dudit circuit magnétique et d’utiliser des champs d’excitation magnétiques H plus élevés sans saturer le noyau magnétique. Une telle coupure (un vide, en somme) dans le circuit magnétique est classiquement appelée « entrefer » et la densité d’énergie stockée dans un entrefer s’exprime selon la formule :

w =— B².

2m₀

[0009] La densité w d’énergie électromagnétique stockée dans un matériau magnétique considéré dépend donc de m_{0 b}\ m_G dans des proportions différentes et l’ajout d’un entrefer permet donc d’augmenter cette énergie w stockée.

[0010] Toutefois, si l'épaisseur de l'entrefer est grande, il n'est plus possible de considérer que les lignes de champ magnétique restent perpendiculaires à l'entrefer et on doit alors tenir compte de l'épanouissement du champ magnétique, ce qui entraîne des pertes énergétiques.

[0011] Du point de vue des propriétés de matériaux, les solutions classiques pour réaliser un noyau magnétique d’électroaimant sont :

- d’utiliser un matériau magnétique à forte perméabilité m_n :

o sans entrefer, induisant une énergie w magnétique stockée très limitée, o avec un seul entrefer, la présence de l’entrefer entraînant fuites et pertes dans tout bobinage placé à proximité de l’entrefer, et l’apparition d’efforts électromagnétiques au niveau entraînant des déformations et des vibrations du circuit magnétique,

o avec un entrefer réparti, ce qui se révèle être une solution intéressante, mais difficile à optimiser car l’usinage d’un matériau magnétique est compliqué et relativement aléatoire,

- d’utiliser un matériau magnétique à faible perméabilité m_n, sans entrefer : cette solution entraîne cependant des volumes et des masses de composants magnétiques importants et un rayonnement électromagnétique élevé. [0012] Par ailleurs, dans l’électroaimant considéré, le noyau magnétique étant associé à un bobinage, lorsqu’un courant électrique I est mis en circulation dans le bobinage, celui-ci génère un ou plusieurs champs magnétique(s) dépendant(s) directement du courant traversant ce bobinage (selon la loi bien connue d'0rsted). Si le courant I traversant le bobinage varie, le(s) champs magnétique(s) induit(s) (H, B) par ce bobinage varie(nt) également.

[0013] De manière connue en soit, un champs magnétique (H, B) variable entraîne la création de courants de Foucault dans un matériau magnétique et donc, dans le noyau magnétique considéré. Pour reformuler, les courants de Foucault sont des courants électriques créés dans un matériau conducteur ;

- soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce matériau (le flux du champ à travers le milieu),

- soit par un déplacement de ce matériau dans un champ magnétique.

[0014] Ces courants de Foucault sont classiquement responsables d'une partie des pertes dans les noyaux magnétiques et génèrent notamment des pertes thermiques par effet Joule.

[0015] L’utilisation d’un matériau magnétique feuilleté (constitué, par exemple, d’un empilement de tôles et d’isolants) ou de matériaux compactés avec isolation des grains (type ferrites, poudres de fer, etc...) permet de limiter la création de tels courants de Foucault.

[0016] De façon conventionnelle, les noyaux magnétiques massifs sont ainsi obtenus suivant deux grands types de fabrication :

- par injection, ce qui permet l’obtention de formes complexes mais se fait au complet détriment des performances magnétiques du noyau magnétique,

- par frittage ou corroyage, permettant d’obtenir un bon niveau de performances magnétiques mais imposant des formes simples qu’il faut ensuite assembler pour créer des formes spécifiques et des entrefers bien dimensionnés.

[0017] La présence de plusieurs pièces dans un circuit magnétique introduit inévitablement des entrefers indésirables aux jonctions des différentes pièces, modifiant ainsi les performances du noyau magnétique et empêchant une maîtrise précise des propriétés de l’électroaimant.

[0018] Les procédés de fabrication actuels, basés sur des empilements de tôles découpées, des rubans magnétiques enroulés ou du moulage/frittage de poudres magnétiques (comme illustré respectivement en figure 1 a, 1 b et 1 c), ne permettent que de réaliser des noyaux magnétiques formés de plusieurs pièces (avec un entrefer rapporté sur le reste du noyau magnétique), de forme simple et qui présente une structure uniformes. [0019] La réduction des pertes (courant de Foucault) et l’optimisation des performances magnétiques (ajout d’entrefers) est donc limitée par des assemblages complexes (rotors feuilletés, entrefers de noyaux fixes, ...) qui ne permettent pas d’adapter les niveaux magnétiques aux justes besoins.

Objectif de l’invention

[0020] Le présent déposant s’est donc fixé notamment comme objectif de fournir un noyau magnétique permettant de palier les inconvénients cités ci-dessus tout en étant techniquement simple et fiable à réaliser.

Exposé de l’invention

[0021] On parvient à cet objectif conformément à l’invention grâce à un noyau magnétique présentant une forme générale de boucle autour d’un axe de bouclage, l’axe de bouclage s’étendant le long d’une direction sensiblement perpendiculaire à une section longitudinale de ladite boucle, ledit noyau magnétique comprenant au moins un matériau magnétique à composition prédéterminée et présentant au moins une structure interne prédéterminée. Le noyau selon la présente invention est formé d’une seule pièce et en ce qu’il présente, le long de l’axe, autour de l’axe et/ou perpendiculairement à l’axe, au moins une variation spatiale de la composition prédéterminée du matériau magnétique et/ou de sa structure interne prédéterminée, la variation spatiale étant destinée à générer un gradient de perméabilité magnétique. Le noyau selon la présente invention se caractérise en ce que l’au moins un matériau magnétique présente une structure interne prédéterminée de type treillis.

[0022]

[0023] Par « forme générale de boucle » on entend une forme générale annulaire c’est-à-dire présentant un pourtour globalement continu s’étendant autour d’un axe de bouclage sensiblement perpendiculaire à une section longitudinale dudit pourtour. Ce pourtour définit ainsi une lumière centrale. Ce pourtour globalement continu peut être ponctuellement interrompu sans qu’il y ait altération de la forme générale de la boucle. La boucle peut présenter une section transversale de forme simple ou complexe. La boucle peut également présenter une section longitudinale simple ou complexe. La section transversale de la boucle est classiquement une surface définie par une directrice et une génératrice. La section longitudinale de la boucle est classiquement une surface définie par deux directrices (une directrice radialement interne et une directrice radialement externe et une génératrice.

[0024] De manière classique et bien connue en soi, en mathématique, on appelle « génératrice » une droite dont le déplacement suivant une directrice, engendre une surface. On appelle « directrice », une ligne simple fermée sur laquelle s’appuie cette génératrice.

[0025] Chaque section transversale de la boucle s’inscrit dans un plan est sensiblement parallèle à la génératrice. Chaque section longitudinale de la boucle s’inscrit dans un plan sensiblement parallèle à celui de la directrice.

[0026] L’exemple le plus simple est un tore mais la section comme la forme générale de ladite boucle peut être complexe. Dans le cas d’un tore, l’axe de bouclage se confond avec l’axe de révolution.

[0027] Cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, elle permet de rendre la variation de la perméabilité magnétique du matériau magnétique formé d’une seule pièce fonction d’un positionnement sur le noyau magnétique. L’invention permet également de maîtriser spatialement la perméabilité magnétique du noyau magnétique et permet de limiter les courants de Foucault. La valeur de l’inductance L d’un électroaimant (ou partie d’électroaimant) comportant un noyau magnétique selon l’invention peut ainsi être adaptée en faisant varier la perméabilité du noyau magnétique et les longueurs de lignes de champs magnétiques associées.

[0028] Le noyau magnétique selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les uns es autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- l’au moins une variation de structure interne prédéterminée peut être une variation de densité,

- l’au moins un matériau magnétique peut présenter une structure interne prédéterminée de type treillis,

- l’au moins une variation spatiale peut être une variation graduelle,

- l’au moins une variation spatiale peut être une variation multiphasique, présentant une alternance d’au moins une phase conductrice avec au moins une phase isolante,

- l’au moins une phase conductrice peut être magnétiquement et/ou électriquement et ou thermiquement conductrice et en ce que l’au moins une phase isolante peut être magnétiquement et/ou électriquement et ou thermiquement isolante,

- le noyau magnétique peut comprendre au moins une zone présentant une section variable, de manière à former entrefer,

- le noyau magnétique peut comprendre au moins une zone présentant une structure interne différente du reste du matériau magnétique, de manière à former entrefer.

[0029] L’invention concerne également un électroaimant comportant un noyau magnétique et une bobine d’excitation magnétique agencée au moins partiellement autour du noyau magnétique, caractérisée en ce que le noyau magnétique est tel que décrit ci- dessus.

[0030] L’invention concerne finalement un procédé de fabrication d’un noyau magnétique tel que décrit ci-dessus caractérisé en ce que le noyau magnétique est réalisé d’une seule pièce par fabrication additive.

Brève description des figures

[0031] L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :

- les figures 1 a, 1 b et 1c sont des vues en perspective de trois modes de réalisation de noyaux magnétiques selon l’état de la technique,

- la figures 2 est une vue en perspective d’un noyau magnétique selon l’invention selon un premier mode de réalisation,

- la figure 3 est une vue en perspective d’un noyau magnétique selon l’invention selon un deuxième mode de réalisation,

- les figures 4a, 4b, 4c et 6a, 6b, 6c illustrent respectivement la géométrie et l’amplitude d’un champ d’induction magnétique B induit et l’amplitude d’un champ d’excitation magnétique H obtenu d’un circuit magnétique comportant un noyau magnétique selon deux modes de réalisations issus de l’état de la technique,

- les figures 5a, 5b, 5c et 7a, 7b, 7c illustrent respectivement la géométrie, l’amplitude d’un champ d’induction magnétique B induit et l’amplitude d’un champ d’excitation magnétique H obtenu d’un circuit magnétique comportant un noyau magnétique selon deux modes de réalisation de la présente invention.

Description de modes de réalisation de l’invention

[0032] Comme déjà mentionné, un électroaimant E est classiquement formée d’un circuit magnétique formant noyau magnétique 10 et d’un bobinage 12 de N spires formant bobine d’excitation magnétique. Le noyau magnétique 10 présente une forme générale de boucle autour d’un axe de bouclage X. Dans le présent exemple, l’axe de bouclage X se confond avec un axe de révolution X. La boucle peut être fermée ou non.

[0033] De manière connue en soi, un électroaimant E peut être agencé comme composants électroniques de puissances embarquées dans une turbomachine d’aéronef. [0034] La bobine d’excitation 12 est agencée au moins partiellement autour du noyau magnétique 10. Le noyau magnétique 10 est constitué (au moins en partie) d’un matériau magnétique.

[0035] De manière classique et bien connue en soi, on définit un matériau magnétique comme un matériau étant affecté de façon non-négligeable par un champs magnétique, par exemple en exerçant des forces attractives ou répulsives sur d’autres matériaux.

[0036] Ce sont les courants électriques et les moments magnétiques des particules élémentaires fondamentales de chaque matériau qui sont à l’origine du champ magnétique qui engendre ces forces. Tous les matériaux sont influencés, de manière plus ou moins complexe, par la présence d'un champ magnétique. L’état et les propriétés magnétiques d'un matériau dépendent, notamment, de sa température (et d'autres variables telles qu’un champ magnétique extérieur, par exemple) de sorte qu'un matériau peut présenter des formes de magnétisme et/ou un moment magnétique différents et variables en fonction de l’environnement auquel il est exposé.

[0037] On définit le moment magnétique d’un matériau comme la grandeur vectorielle qui permet de caractériser l'intensité d'une source magnétique (le matériau considéré, en l’occurrence). Cette source peut être un courant électrique, ou bien un objet aimanté. On appelle aimantation la distribution spatiale du moment magnétique.

[0033] On peut citer l’exemple des matériaux possédant un moment magnétique permanent et appelés « aimants permanents » et que l’on appelle simplement « aimants » dans le langage courant. La plupart des matériaux ne présente cependant pas de moment magnétique permanent.

[0039] Dans le cas d’un électroaimant E, les propriétés magnétiques du noyau magnétique 10 sont induites par le courant électrique I qui traverse la bobine 12. En effet, de manière classique, un noyau magnétique 10 d’électroaimant E comporte au moins un matériau dit « ferromagnétiques doux » (par opposition aux « ferromagnétiques durs »). Les matériaux ferromagnétiques doux sont capables de s'aimanter lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur. Dans le cas d’un électroaimant E, ce champs magnétique extérieur est généré par la bobine 12 traversée par le courant I selon la loi d'0rsted. Ainsi, quand un courant électrique I traverse la bobine 12, le noyau magnétique 10 est aimanté par le champ magnétique produit par la bobine 12. Grâce à la superposition des ces deux champs magnétiques (celui du noyau magnétique 10 et celui de la bobine 12 traversée par le courant I), l'induction magnétique générée par la bobine 12 est augmenté.

[0040] Les propriétés magnétiques de l’électroaimant (en particulier son inductance L, exprimée en henry) dépendent ainsi des propriétés magnétiques du noyau magnétique 10 et notamment de la (des) perméabilité(s) magnétique(s) relative(s) m_n du (des) matériau(x) magnétique(s) qui composent, au moins partiellement, ce noyau magnétique 10. Comme expliqué ci-dessus, la maîtrise de la perméabilité magnétique relative m_n du (des) matériau(x) magnétique(s) du noyau magnétique 10 est donc primordiale.

[0041] Les figures 2 et 3 montrent deux exemples de réalisation d’un noyau magnétique 10 selon l’invention. Ces deux noyaux magnétiques 10 sont réalisés au moyen d’un procédé de fabrication additive de type « fusion sélective de poudre » siglée SLM ( sélective laser melting) ou « fonte par faisceu électronique » siglée EBM ( électron beam melting), par exemple.

[0042] Selon une technique bien connue de l’état de la technique, la fabrication additive désigne les procédés de fabrication par ajout de matière (fusion ou frittage), classiquement assistés par ordinateur.

[0043] Dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, le noyau magnétique 10 présente une forme générale torique, ici fermée. Le noyau magnétique 10 comporte un plan médian M sensiblement perpendiculaire à l’axe X de révolution. Le noyau magnétique 10 selon le mode de réalisation illustré en figure 2 présente au moins une caractéristique constitutive définie qui varie spatialement de manière à générer un gradient magnétique. Cette caractéristique constitutive peut être une caractéristique de composition ou de structure interne qui définit le matériau magnétique . Dans le présent exemple, le noyau magnétique 10 ne comporte qu’un seul matériau magnétique, il est dit mono-matériau. Le noyau magnétique 10 selon ce mode de réalisation présente une variation spatiale de sa structure interne prédéterminée : en effet il présente un gradient de perméabilité radiale. Cette variation spatiale de la structure interne du matériau magnétique permet l’ajustement de l’inductance L de l’électroaimant par le contrôle de la perméabilité magnétique globale du noyau magnétique 10.

[0044] Par gradient de perméabilité magnétique, on entend une variation sensiblement ou globalement continue de la perméabilité magnétique du matériau considéré en fonction d’un positionnement dans le noyau. Cette variation est soit

[0045] - sensiblement continue au sens mathématique, c’est-à-dire qu’elle est progressive et ne présente pas de discontinuité telle la pente d’un toboggan, par exemple,

[0046] - globalement continue, c’est-à-dire qu’elle présente une progression globale selon une succession de discontinuités peu importantes, telles les marches d’un escalier, par exemple.

[0047] Ce gradient de perméabilité magnétique peut être obtenu, par exemple, en faisant varier, radialement, la densité de matière du matériau magnétique composant le noyau magnétique 10. Cette variation radiale de densité peut être obtenue par une succession radiale de couches 14a-14i de moins en moins (ou de plus en plus) denses ou par une diminutions graduelle de cette densité.

[0048] Par diminution (augmentation) graduelle, on entend comme expliqué précédemment, une variation, en fonction de la position dans le noyau magnétique 10, sensiblement ou globalement continue de la valeur considérée.

[0049] Dans un exemple de réalisation, la structure interne prédéterminée du noyau magnétique 10 prend la forme d’un treillis. Les variations de densité de matériau s’obtiennent en faisant varier le maillage de ce treillis.

[0050] On entend par treillis dans la présente description, un assemblage de fils/filaments formant triangulation, de manière à former un réseau (ou maillage) de matière plus ou moins dense.

[0051] Avoir un segment du noyau magnétique en treillis permet de diminuer localement la section du noyau magnétique tout en gardant une continuité mécanique, contrairement à un entrefer. La présence d'un entrefer entraîne, en effet, du fait des efforts mécaniques des vibrations du noyau aux alentours de l'entrefer. Ces vibrations sont évitées avec l'utilisation d'un segment en treillis. Ainsi, a diminution locale de ladite section magnétique équivalente permet de créer une zone saturant en présence du champ magnétique et permet donc de diminuer de façon importante la perméabilité locale de la zone ou est localisé le treillis tout en évitant les incovénients d’un entrefer classique.

[0052] Il peut y avoir un ou plusieurs segments en treillis dans le chemin magnétique du noyau afin de limiter dans chaque segment l'épaisseur de la zone en treillis et répartir les effets sur le noyau.

[0053] Dans un noyau magnétique 10 dit mono matière, les procédés de fabrication additives de type SLM ou EBM peuvent donc créer différentes densités de matières en utilisant des structures de type treillis dimensionnées de manière à répondre au mieux aux besoins (magnétique, mécanique et thermique) de l’électroaimant E.

[0054] Le noyau magnétique 10 de la figure 2 comporte aussi un secteur angulaire 15 présentant une structure interne à perméabilité prédéterminée par une variation de la densité de matière ferromagnétique. Ce secteur angulaire 15 peut être positionné à l’endroit prévu en créant des sections complexes. Ce secteur angulaire 15 présente ainsi une structure interne différente du reste du noyau magnétique 10. Ce secteur angulaire 15 peut donc être assimilé à un entrefer.

[0055] Les procédés de fabrication additive permettent également de créer des zones avec une géométrie spécifique dans le noyau magnétique 10, comme par exemple le secteur angulaire 15.

[0056] Ce secteur angulaire 15 présente en outre une très faible perméabilité relative m_n. L’intérêt de ce secteur angulaire 15 à faible perméabilité m_n est de permettre une saturation rapide et d’augmenter localement l’énergie électromagnétique w stockée dans le noyau magnétique 10, tout en assurant une bonne tenue mécanique dudit noyau magnétique 10. En effet, contrairement à un entrefer rapporté sur le noyau magnétique 10, ce secteur angulaire 16 venu de matière avec le reste du noyau magnétique 10 ne génère pas d’efforts électromagnétiques entraînant des déformations et des vibrations.

[0057] La présence d’un (ou plusieurs) secteur(s) angulaire(s) 15 permet de construire des comportements différents suivant l’intensité du champ d’induction magnétique généré par la bobine 12 traversée par le courant I.

[0058] Ces comportements différents sont liés à la différence de vitesse de saturation du (des) secteur(s) de faible(s) perméabilité magnétique m_n (par exemple de faible densité) par rapport au reste du noyau magnétique 10 présentant une perméabilité magnétique m_n plus élevée.

[0059] Dans le cas du mode de réalisation de la figure 3, le noyau magnétique 10 présente une forme générale de tore définit dans un plan médian M sensiblement perpendiculaire à l’axe X de révolution. Le noyau magnétique 10 selon le mode de réalisation illustré en figure 3 comporte deux matériaux présentant chacun une composition et/ou une structure interne prédéterminés propre. Ce noyau magnétique 10 est dit bi-matériaux. Le noyau magnétique 10 de la figure 3 est ainsi constitué d’une seule pièce avec une alternance, selon l’axe de révolution X, de couches magnétiques conductrices 16 de haute perméabilité m_n (par exemple de haute densité) et de couches isolantes 17 à faible perméabilité m_n (par exemple de faible densité). Ainsi, le noyau magnétique 10 selon le mode de réalisation de la figure 3 présente une variation spatiale multiphasique, c’est à dire une alternance d’au moins une phase conductrice 16 avec au moins une phase isolante 17.

[0060] A noter que les phases conductrice 16 peuvent être magnétiquement et ou électriquement et/ou thermiquement conductrices et les phases isolantes 17 peuvent être magnétiquement et/ou électriquement et/ou thermiquement isolantes.

[0061] Cette alternance de couches (ou phases) permet de limiter les courants de Foucault et d’améliorer le rendement énergétique de l’électroaimant E.

[0062] Le noyau magnétique 10 de la figure 3 comporte en outre, deux secteurs angulaires 18, 19 situés sensiblement symétriquement l’un par rapport à l’autre par rapport à l’axe de révolution X. En d’autres termes, les secteurs angulaires 18, 19 sont opposés suivant un axe radial R défini dans le plan médian M, perpendiculaire à l’axe de révolution X. Chacun de ces secteurs angulaires 18, 19 présente une alternance orthoradiale de couches à haute perméabilité m_n (par exemple à haute densité) et faible perméabilité m_n (par exemple à faible densité) afin, ici aussi, de répartir l’entrefer. La répartition régulière d’un entrefer dans le matériau magnétique du noyau magnétique 10 permet de maîtriser sa perméabilité magnétique.

[0063] Dans un mode de réalisation alternatif, on pourrait imaginer que la composition du matériau du noyau magnétique 10 évolue selon un gradient de matière. En effet, les procédés de fabrication additive de type LMD (déposition métallique laser) permettent l’utilisation d’alliages bi-phasiques. Ainsi il est possible d’obtenir un noyau magnétique 10 présentant, par exemple, une variation continue, sinusoïdale, de sa composition selon l’axe de révolution X afin de créer des structures magnétiques/amagnétique et de permettre une optimisation du (des) gradient(s) magnétique(s). Cette variation graduelle peut également se retrouver dans les secteurs angulaires 18, 19 et évoluer soit de manière croissante (ou décroissante), soit de manière sinusoïdale le long du contour du noyau magnétique 10.

[0064] Dans un mode de réalisation non représenté, le noyau magnétique 10 peut présenter une composition bi-matériau ou même multi-matériau sans qu’il y ait de succession de couches mais par enchevêtrement plus ou moins dense de deux ou plus de treillis de matériaux à compositions plus ou moins variables, présentant une structure interne plus ou moins dense et variable selon le positionnement dans le noyau.

[0065] Sur les figures 4a à 7c, ont été représenté des résultats expérimentaux obtenus au moyen de différents électroaimants E comportant chacun un noyau magnétique 10 et une bobine 12.

[0066] Le noyau magnétique 10 illustré sur la figure 4a est le noyau magnétique 10 de référence. Ce noyau magnétique 10 de référence présente une forme générale de boucle rectangulaire de révolution autour d’un axe X, il est plus particulièrement formé de deux U chacun de dimensions : 101 x76x30 (mm). Il présente en outre un section constante, sans entrefer. Le matériau magnétique de ce noyau magnétique de référence possède une perméabilité relative m_G = 1000 et un champ d’induction magnétique à saturation B_SAT = 400 mT.

[0067] Le noyau magnétique 10 illustré sur la figure 5a présente la même forme générale que le noyau magnétique 10 de référence mais il comporte une zone à section variable 20 sur une hauteur de 20 mm, sans entrefer. La zone à section variable 20 pourrait être réalisée sous forme de colonnes, de parois ou d’un treillis 3D.

[0068] Le noyau magnétique 10 illustré sur la figure 6a présente la même forme générale que le noyau magnétique 10 de référence mais il comporte un entrefer central de 2mm de réalisation classique rapporté sur le noyau magnétique 10.

[0069] Enfin, le noyau magnétique 10 illustré sur la figure 7a présente la même forme générale que le noyau magnétique 10 de référence mais comporte un entrefer réparti. Cet entrefer réparti est composé de quatre fines parois radiales 22 positionnées sensiblement perpendiculairement à un plan médian M du noyau magnétique 10. Ces parois radiales 22 sont choisies suffisamment fines pour saturer en présence des champs magnétiques. Elles présentent, par exemple, une épaisseur de 0,5 mm et l’espacement entre deux parois radiales 22 est de 5mm

[0070] Le noyau magnétique 10 selon la figure 7a présente en outre une structure monobloc et n’est formé que d’une seule pièce

[0071] Ci-dessous un tableau de résultats :

[0072] Sur les figure 4b, 5b, 6b et 7b on peut observer l’amplitude du champ d’induction magnétique B de l’électroaimant de 0 à 400 mT.

[0073] On constate, grâce à l’échelle de gris, que l’amplitude du champs d’induction magnétique B est relativement plus faible dans les coins externes du noyau magnétique 10 et relativement plus forte dans les coins internes du noyau magnétique 10. On constate que la présence d’une zone à section variable 20 (figure 5b) augmente globalement l’amplitude du champ d’induction magnétique B de l’électroaimant E et avec un pic au niveau de la zone 20. On constate également que la présence d’un entrefer (figures 6b, et 7b) renforce le champs d’induction magnétique de la bobine 12 tout en contribuant à élever globalement le champ d’induction magnétique B de l’ensemble de l’électroaimant E.

[0074] Sur les figure 4c, 5c, 6c et 7c on peut observer l’amplitude du champ d’excitation magnétique H de l’électroaimant de 0 à 2,3x10⁴ A/M.

[0075] On constate, grâce à l’échelle de gris, que l’amplitude du champs d’induction magnétique H (champ de fuite ) est globalement nulle en absence d’entrefer (figures 4c et 5c). La présence d’un entrefer classique génère subitement un champ d’excitation magnétique H très fort et très localisé au niveau de l’entrefer (voir figure 6c) causant de fortes pertes énergétiques. La présence d’un entrefer réparti (comme illustré sur la figure 7c) crée une multitude de petits champs d’excitation magnétique H très forts et très localisés, chacun autour de l’une des parois radiales 22, ce qui contribue à faire baisser le champ d’excitation magnétique H global de l’électroaimant E et permet ainsi de limiter les pertes énergétiques.

[0076] Si on compare les exemples de réalisation des figures 4a et 5a, outre l’augmentation générale de l’amplitude du champs d’induction magnétique de l’électroaimant E, la variation locale de section sur 20% de la longueur moyenne du noyau magnétique 10 permet d’obtenir une variation de 7,5% de la valeur de l’inductance L obtenue avec le même nombre de spires de la bobine 12. La présence de la zone à section variable 20 permet également d’ajuster finement la valeur de cette inductance L obtenue.

[0077] Si on compare les exemples de réalisation des figures 6a et 7a, on constate qu’on arrive grâce au noyau magnétique 10 selon la présente invention à obtenir une valeur d’inductance L équivalente entre le cas classique de l’entrefer non-réparti et la configuration de l’entrefer réparti, avec les avantages pour le deuxième cas :

- d’avoir une limitation du champs d’induction magnétique H (champ de fuite ) aux alentours de la zone d’entrefer,

- d’avoir une tenue mécanique au niveau de l’entrefer pour limiter les déformations et limiter les vibrations.

[0078] Par comparaisons avec les procédés de fabrication conventionnels, la présente invention permet donc de réaliser et de disposer de noyaux magnétiques à performances améliorées en adaptant la structure interne (géométrie, densités, etc.) et la (les) composition(s) du (des) matériau(x) du noyau magnétique 10 aux justes besoins magnétique des composants de la chaîne électriques.

[0079] Ceci a pour conséquence directe de réduire la masses et la complexité d’assemblage du noyau magnétique 10

Claims

REVENDICATIONS

1. Noyau magnétique (10) présentant une forme générale de boucle autour d’un axe de bouclage (X), l’axe de bouclage s’étendant le long d’une direction sensiblement perpendiculaire à une section longitudinale de ladite boucle, ledit noyau magnétique (10) comprenant au moins un matériau magnétique à composition prédéterminée et présentant au moins une structure interne prédéterminée, le noyau magnétique (10) est formé d’une seule pièce et en ce qu’il présente, le long de l’axe (X), autour de l’axe (X) et/ou perpendiculairement à l’axe (X), au moins une variation spatiale de la composition prédéterminée du matériau magnétique et ou de la structure interne prédéterminée, la variation spatiale étant destinée à générer un gradient de perméabilité magnétique (m_G),

caractérisé en ce que l’au moins un matériau magnétique présente une structure interne prédéterminée de type treillis.

2. Noyau magnétique (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’au moins une variation de structure interne prédéterminée est une variation de densité.

3. Noyau magnétique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins une variation spatiale est une variation graduelle.

4. Noyau magnétique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins une variation spatiale est une variation multiphasique, présentant une alternance d’au moins une phase conductrice (16) avec au moins une phase isolante (17).

5. Noyau magnétique (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’au moins une phase conductrice (16) est magnétiquement et/ou électriquement et/ou thermiquement conductrice et en ce que l’au moins une phase isolante (17) est magnétiquement et/ou électriquement et/ou thermiquement isolante.

6. Noyau magnétique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une zone (20) présentant une section variable, de manière à former entrefer.

7. Noyau magnétique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une zone présentant une structure interne différente du reste du matériau magnétique, de manière à former un entrefer.

8. Electroaimant (E) comportant un noyau magnétique (10) et une bobine d’excitation magnétique (12) agencée au moins partiellement autour du noyau magnétique (10), caractérisée en ce que le noyau magnétique (10) est selon l’une quelconque des revendications précédentes.

9. Procédé de fabrication d’un noyau magnétique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le noyau magnétique (10) est réalisé d’une seule pièce par fabrication additive.