Stratégies d'aimantation d'aimants permanents composite NdFeB/Al

RÉSUMÉ L’électrification des transports représente un enjeu de plus en plus important avec l’urgence climatique observable depuis plusieurs années. En effet, une énergie verte et renouvelable représente le futur pour l’industrie du transport, mais faire cette transition représente un grand défi pour cette industrie basée presque uniquement sur les énergies fossiles. La seule avenue durable pour le transport est celle de la carboneutralité. Il existe déjà plusieurs types de moteurs électriques pour les automobiles ou même les avions, mais les différentes voies de conception sont en constante évolution vu le potentiel immense des aimants permanents pour les énergies vertes. En effet, il est possible avec cette technologie d’arriver à une densité de puissance appréciable, mais la géométrie des aimants permanents commerciaux est très limitée, dû aux méthodes de fabrication actuelles. La possibilité d’avoir une plus grande liberté sur la géométrie des aimants permanents dans les moteurs électriques permettrait d’étudier davantage de conceptions différentes et d’optimiser l’efficacité en fonc-tion de l’application spécifique. La fabrication additive d’aimants permanents composites permet cette liberté sur la géométrie, mais au coût de performance magnétique moindre des aimants. L’objectif principal de ce projet est donc de déterminer la meilleure méthode d’aimantation pour des aimants métalliques composites. En effet, comme les performances magnétiques de ces aimants ne sont pas aussi bonnes que celles des aimants fabriqués par frittage, il est primordial de maximiser leur potentiel en les aimantant de manière stratégique pour l’application visée. La recherche présentée se concentre sur la technique d’aimantation pulsée par décharge de condensateurs. Plusieurs tests expérimentaux avec un circuit de décharge de condensateurs déjà conçu et fabriqué ont été effectués pour en comprendre le fonctionnement et le répliquer dans un logiciel de simulation par éléments finis spécialisé pour les matériaux hystérétiques, i.e. le logiciel Altair Flux. Ce modèle permet d’étudier différentes stratégies d’aimantation pulsée sans avoir à faire de tests en laboratoire ou sans fabriquer de nouveaux échantillons à chaque fois. Il a d’abord fallu caractériser la réponse magnétique de la bobine d’aimantation en fonction du courant qui y circule, pour ensuite caractériser électriquement la totalité du circuit de décharge de condensateurs et finalement le réaliser dans le modèle numérique. En ayant répliqué l’outil d’aimantation pulsée, il a ensuite fallu caractériser électriquement et magnétiquement les matériaux qui composent les échantillons d’aimants composites fournis par le CNRC, c’est à dire l’aimant composite NdFeB/Al et les deux types de substrat : un d’acier et un d’aluminium. En comparant les résultats expérimentaux et ceux issus de simulations du champ magnétique produit par l’aimant composite après l'aimantation pulsée, il a été possible de vérifier que le modèle numérique répliquait fidèlement les résultats expérimentaux.

Abstract

ABSTRACT With the recent climate change emergency, the electrification of transportation has become a main focus to reduce carbon footprint. Indeed, green and renewable energy represent the future for the transport industry. This means a great challenge for an industry that is based almost solely on fossil fuel. Nonetheless, the only durable future for the transport industry is carbon neutrality. Many designs of electric motors already exist for automobiles and planes, but the technology and design methods are everchanging due to the immense potential of permanent magnets for green energies. With these magnets, we can reach compelling power densities, but their shape remain very basic due to the actual fabrication methods. With more flexibility on the geometry of permanant magnets, it would be possible to study different types of motor design and to optimize each design for a specific application. Additive manufacturing of composite permanent magnets unlocks this freedom, but at the cost of reduced magnetic performance. The main goal of this project is to define the best magnetization method for metallic composite permanent magnets. Since their magnetic performances are lower than traditional magnets fabricated by sintering, it is imperative to maximize their potential by magnetizing them properly for each application. The research presented in this thesis focuses on pulsed magnetization by capacitor discharge. Various experimental tests with an existing capacitor discharge circuit were made to understand and replicate the experimental setup in a finite element software program, i.e. Altair Flux, able to model accurately hysteretic materials. This numerical model enables the study of numerous strategies for pulsed magnetization without having to produce experimental tests or fabricating new samples. We started by identifying the magnetic behaviour of the magnetizing coil depending on the applied current, then we characterized the complete behaviour of the pulsed magnetization setup, and finally we replicated it in the numerical model. Then, we characterized the electrical and magnetic properties of the materials present in the composite permanent magnet samples produced at the National Research Council Canada. These sam-ples consist of composite NdFeB/Al permanent magnets deposited on two types of substrates : magnetic steel and aluminium. By comparing experimental and numerical results for the magnetic field produced by the magnetized samples after the pulsed magnetization, it was possible to verify that the numerical model could correctly replicate the experiments. This verification made possible the exploration by simulation of various approaches for pulsed magnetization of NdFeB/Al magnets. It was demonstrated that, for maximizing the magnetic field produced by the magnetized sample, it is not sufficient to maximize the vertical internal magnetization and its uniformity.