Dimensionnement de machines électriques à flux radial facilitant le recyclage des aimants permanents : application aux véhicules hybrides ou électriques

Electrical radial flux machine design focusing on magnet recycling and reuse : Application to hybrid or electric vehicles

• Auteur / Autrice : Ziwei Li
• Direction : Afef Kedous-Lebouc, Lauric Garbuio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie electrique
• Date : Soutenance le 02/05/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Espanet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vladimir Dimitrov Lazarov, Jean-Marc Dubus, Radu Fratila
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anouar Belahcen, Abdelmounaïm Tounzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recyclage

Terres rares

Véhicules électriques hybrides

Opérations de recyclage (génie chimique)

Moteurs à aimants permanents

Mots clés libres

Recycler

Aimant

Machine électrique

Véhicule électrique

Flux radial

Recycling

Magnet

Electrical machine

Electrical vehicle

Radial flux

Résumé

Aujourd'hui, il est impératif de réduire les émissions de CO2 des véhicules routiers en raison des changements climatiques. L’une des stratégies les plus prometteuses consiste à utiliser les véhicules électriques (VÉ) et hybrides électriques (VÉH). Les VÉ et VÉH ont besoin de machines électriques pour réaliser la conversion d’énergie électromécanique. Les machines électriques à aimant permanent semblent être les meilleurs candidats pour les applications VÉ et VÉH en termes de performances exceptionnelles. L’aimant permanent des terres rares le plus puissant est le type de Néodyme-Fer-Bore (Nd2Fe14B) ou simplement appelés NdFeB. Généralement, une petite quantité d’éléments terres rares lourds, comme le Dysprosium (Dy) ou le Terbium (Tb) est ajoutée à l’alliage de NdFeB afin d'améliorer les performances. Cependant, cette forte demande en terres rares implique de sérieux problèmes d’approvisionnement. Dans ce cas, l'une des solutions possibles pour que l'Europe lutter contre les risques d'approvisionnement en terres rares consiste au recyclage des aimants terres rares. DEMETER est l’acronyme anglais pour le groupe européen de formation universitaire pour la conception et le recyclage de moteurs et de générateurs électriques à aimants permanents terres rares pour les véhicules tout-électriques et hybrides électriques. Son objectif était étudier les trois voies possible pour le recyclage des aimants permanents à base de terres rares présents dans les moteurs électriques : la réutilisation directe, le recyclage direct et le recyclage indirect. Valeo et G2Elab sont les principaux partenaires de ce projet. Ils se concentrent principalement sur la réutilisation directe des aimants permanents. La thèse est supervisée par Valeo et G2Elab et se concentre principalement sur les machines électriques à flux radial à aimants permanents qui sont les machines électriques les plus utilisées de nos jours. Les applications visées sont les véhicules hybrides électriques à niveau d’hybridation douce ou les petits VÉ. Le dimensionnement de ce moteur innovant doit non seulement être recyclable du point de vue des aimants permanents mais doit également répondre à tous les critères exigeants du cahier des charges.Des études bibliographiques approfondies, l’optimisation FEM et l’analyse thermique / mécanique ont révélé qu’une machine synchrone à aimants permanent insérés (MSAPI) peut largement satisfaire à toutes les exigences et à toutes les contraintes. Ensuite, nous avons utilisé un aimant lié pour à la MSAPI pour réutilisés. L'assemblage de la machine avec des aimants liés est plus facile que l'assemblage avec des aimants frittés, comme l'aimant lié est directement assemblé au fer rotorique par moulage par injection. Le démontage des aimants est également plus facile. Dans le contexte d’un procédé de recyclage des rotors à aimants liés, ces derniers pourraient être chauffés afin de faire fondre les aimants liés et les extraire ensuite facilement. Ils peuvent être mélangés à des aimants recyclés avec un certain pourcentage de composé d’aimants vierges pour fabriquer de nouveaux aimants liés sans modification notable des performances magnétiques de l’aimant. De nombreux essais de référence ont été à réalisés évaluer les performances de cette machine, puis comparés aux résultats de la simulation. Dans cette thèse, en plus des propositions de dimensionnements innovants, l’objectif est d'évaluer les machines électriques du point de vue de leur recyclabilité. La recyclabilité est quantifiée par deux indices. Ces derniers peuvent être regroupés sous le terme WIRE (Weighted Index of Recycling and Energy – index Pondéré de recyclage et de consommation énergétique). En utilisant WIRE, la recyclabilité entre différentes machines peut être comparable, même avec des dimensions ou des performances différentes. La méthode de réutilisation et de recyclage des aimants permet d’obtenir des avantages environnementaux sans pertes économiques.

Nowadays it is imperative to reduce the CO2 emission of automotives due to the climate changes. One of the essential strategies is to use new energy vehicles, such as Hybrid and pure Electrical Vehicles ((H)EVs). However, no matter what the energy storage devices (H)EVs have, they always need electrical machines to transfer electrical energy into mechanical energy. Permanent Magnet (PM) electrical machines seem to be the best candidates for (H)EV applications in terms of their outstanding performances. However, the supply and cost of PMs are essential for PM machines. The strongest rare earth PM is Neodymium-Iron-Boron (Nd2Fe14B) type magnet, or simply written as NdFeB. Commonly, in order to improve the temperature stability as well as resistant demagnetization of magnets, small portion of heavy rare earth element, Dysprosium (Dy) or Terbium (Tb), is added to the alloy. However, with a high demand of high grade NdFeB magnets, the supplies of these rare earth elements, including Neodymium (Nd), face serious challenge, especially for Europe. In this case, one of the possible solutions for Europe to tackle the rare earth supply risks is to recycle rare earth magnets. Demeter -European Training Network for the Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Magnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles, is an Europe Union registered project. DEMETER envisaged three routes for the recovery of rare earth PM from these devices, which are so called direct re-use, direct recycling and indirect recycling. Valeo and G2Elab are the principal partners in this project, and they mainly focus on the route of PM direct re-use. This doctor thesis is supervised by Valeo and G2Elab, and mainly focuses on radial flux type PM electrical machines, which are the most widely used type of electrical machines nowadays. The applications include Mild Hybrid Electric Vehicles (MHEV) or small Electric Vehicles (EV). The new motor design not only needs to be recycle friendly for PMs, but also needs to meet all the strict requirements for the applications.With thorough literature studies, FEM optimization and thermal/mechanical analysis, it was found that an IPMSM design can fairly fulfill all the requirements and constraints. Then new magnet materials and assembly methods were implemented for the magnet recycling - a kind of bonded magnet was used for the IPMSM. This bonded magnet was made from a Hydrogen Decrepitation Deabsorbation Recombination (HDDR) anisotropic NdFeB magnet powder, with Sulfide (PPS) binder. It has the possibility to directly assemble the magnet into the rotor by injection molding. Thus the assembly of the magnets would not be constraint by their shapes. The disassembly of the magnets became easy as well – it is possible to heated up the rotors so that the bonded magnets can be melted down for extraction. Then they can be mixed with a certain percent of virgin magnets compound to make new bonded magnets without remarkable changes on performances. In summary, the entire recycling process is relatively easy and ecologically sustainable. Thus, based on this new concept, an IPMSM with bonded NdFeB magnets were fabricated. Series benchmark tests were carried out, for instance measurements of back-EMF, torque, efficiency, short circuit current and stator temperatures. In this thesis, apart from new design ideas of electrical machines, another goal is to evaluate e-machines with respect to the recyclability. The recyclability is quantified by two indexes, together they can be named Weighted Index of Recycling and Energy (WIRE). By using WIRE, the recyclability between different machines can be comparable, even with different dimension or performances. It was found that by using WIRE to evaluate the new designed PM machine, promising results can be obtained. The magnet reuse and recycling approach can gain environment benefit without economic losses.