Refroidissement amélioré pour les moteurs électriques à haute puissance

D’après Nick Flaherty, des chercheurs en Corée ont développé un aimant à structure sandwich qui améliore la refroidissement des moteurs haute puissance utilisés dans les véhicules et le transport maritime électrique.

L’équipe de recherche du Korea Institute of Materials Science (KIMS) a mis au point un processus de diffusion et d’assemblage aux frontières des grains à structure sandwich, dans lequel plusieurs couches d’aimants sont empilées puis intégrées.

Au fur et à mesure que la puissance de sortie des moteurs utilisant des aimants en néodyme–fer–boron (Nd-Fe-B) augmente, il devient de plus en plus difficile de maintenir une haute coercivité dans l’ensemble de l’aimant. De plus, le fonctionnement à haute vitesse génère des courants de Foucault à l’intérieur de l’aimant, produisant de la chaleur qui entraîne une dégradation des performances et une diminution de l’efficacité du moteur.

Traditionnellement, des éléments lourds à terre rare (ELTR) ont été ajoutés pour maintenir les performances magnétiques à des températures élevées. En particulier, les processus de diffusion aux frontières de grain, qui consistent à recouvrir la surface du magnétisme d’ELTR et à permettre leur diffusion vers l’intérieur, ont été largement utilisés.

Les éléments ELTR sont appliqués en couche ou pulvérisés sur la surface, puis le magnétisme est chauffé dans un vide à des températures comprises entre 900 et 1000 °C. Les éléments fondus se déplacent rapidement le long des frontières de grain liquides et pénètrent dans les bords extérieurs des grains magnétiques principaux. Cela crée une coque externe d’ELTR autour du noyau Nd-Fe-B.

Cependant, cette méthode est limitée par le mécanisme de diffusion basé sur la surface des grains. Cela rend difficile l’obtention d’une amélioration suffisante des performances à l’intérieur des magnétismes épais et peut entraîner un surchauffage.

Généralement, les éléments terrestres rares tels que le néodyme, le dysprosium et le terbium sont chers et peuvent faire l’objet de contraintes dans la chaîne d’approvisionnement en provenance de Chine. Cela pose de sérieux défis logistiques, ce qui pousse les fabricants de magnétiques à réduire leur utilisation.

Afin d’éliminer l’emploi de ces éléments terrestres rares, le processus développé au KIMS repose plutôt sur une alliage de terres rares légères à faible point de fusion, utilisant le praséodyme non seulement à la surface mais aussi aux interfaces entre les couches. Cela permet également que la diffusion commence depuis l’intérieur du magnétique. Ce système assure une coercivité stable même dans les magnétiques épais, tout en garantissant des performances uniformes dans toute la structure. Il diminue également la dépendance aux éléments terrestres rares coûteux.

Cette technologie lutte également contre la génération de chaleur en formant une structure à haute résistivité à l’intérieur du magnétisme, ce qui empêche la formation de courants de Foucault. Contrairement aux approches conventionnelles qui nécessitent des processus séparés pour la segmentation du magnétisme, la diffusion aux frontières de grains et le collage isolant, cette méthode améliore simultanément la coercivité et la résistivité électrique grâce à un seul processus de diffusion aux frontières de grains. Cette approche intégrée simplifie la fabrication tout en améliorant les propriétés magnétiques, électriques et structurelles.

Les magnétismes ainsi obtenus peuvent être utilisés dans les moteurs de traction des véhicules électriques, où la moindre génération de chaleur et l’amélioration de l’efficacité au niveau du magnétisme permettent d’optimiser les performances globales du moteur ainsi que son efficacité énergétique.

« Cette étude montre une avancée majeure dans la réalisation simultanée d’une forte coercivité et d’une réduction de la génération de chaleur dans les aimants épais », a déclaré Su-Min Kim, chercheuse principale au KIMS.

« Ce qui distingue cette technologie, c’est qu’elle intègre l’amélioration de la coercivité, celle de la résistivité et le liage structurel dans un seul processus. Cette technologie présente un grand potentiel non seulement pour les moteurs de véhicules électriques, mais aussi pour des applications nécessitant des aimants de grande taille et à haute performance, tels que les navires électriques. On s’attend à ce qu’elle devienne une technologie matérielle clé pour les moteurs de nouvelle génération », a-t-il ajouté.

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