Capteurs à ondes acoustiques de surface pour la caractérisation multiphysique des propriétés des tôles ferromagnétiques dans les machines électriques de fortes puissances

Surface acoustic wave sensors for the multiphysical characterization of ferromagnetic steel sheet properties in high-power electrical machines

• Auteur / Autrice : Othmane Marbouh
• Direction : Abdelkrim Talbi, Abdelkader Benabou, Abdelmounaïm Tounzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 23/10/2024
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d’Électronique- de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 / IEMN
• Jury : Président / Présidente : Anne-Claire Salaün
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkrim Talbi, Abdelkader Benabou, Abdelmounaïm Tounzi, Vincent Lanfranchi, Aktham Asfour, Aurélie Gensbittel, Olivier Bou Matar-Lacaze
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lanfranchi, Aktham Asfour
• DOI : 10.70675/b512538dze89dz4f28z9f9dz9db5b9e30295

Mots clés

Mots clés contrôlés

Films magnétiques

Matériaux ferromagnétiques

Capteurs piézoélectriques

Mesures magnétiques

Déformations (mécanique)

Thermométrie

Industrie 4.0

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Capteur à ondes acoustiques de surface

Mesure multi-paramètre et sans fil

Mesure magnéto-thermo-élastique

Magnéto-élasticité

Couches minces magnétostrictives

Tôles ferromagnétiques

Magnétostriction

Pertes magnétiques

Surface acoustic wave sensor

Multiparameter and Wireless measurement

Magneto-Thermo-Elastic measurement

Magnetoelasticity

Magnetostrictive thin films

Ferromagnetic sheets

Magnetostriction

Magnetic losses

Résumé

Les machines électriques de forte puissance sont soumises à des contraintes mécaniques, thermiques et magnétiques sévères en fonctionnement. Pour assurer leur fiabilité et la continuité de leur opération, il est crucial de disposer d'informations en temps réel sur ces contraintes, souvent à l'échelle locale. Les technologies de capteurs sans fil et sans batterie, combinées à des techniques efficaces d'analyse des données et de traitement des signaux, sont indispensables pour répondre à ce besoin. Les ondes acoustiques de surface permettent de concevoir des capteurs sans fil et totalement passifs, capables de mesurer de nombreuses grandeurs physiques telles que la température, les contraintes mécaniques et le champ magnétique, grâce à une ingénierie avancée du design. Le travail réalisé dans cette thèse a permis de développer des capteurs SAW multi-grandeurs pour la mesure des déformations, de la température et du champ magnétique. Ces capteurs ont d'abord été calibrés sur des bancs d'essais en laboratoire, puis utilisés pour caractériser les propriétés mécaniques, telles que la magnétostriction, et les propriétés magnétiques, telles que les pertes magnétiques, des tôles ferromagnétiques employées dans la conception des machines électriques de forte puissance. La caractérisation des propriétés des tôles ferromagnétiques est cruciale pour plusieurs raisons : concevoir des systèmes électromagnétiques efficaces, minimiser les vibrations et les bruits indésirables, contrôler la dissipation d'énergie, prévenir la fatigue des matériaux, optimiser la conception des composants pour l'efficacité énergétique et développer des composants résistants à la chaleur pour la fiabilité et la durabilité... Le projet de thèse implique l'entreprise JEUMONT Electric (société de haute technologie spécialisée dans les solutions de conversion d'énergie), le groupe AIMAN-FILMS de l’IEMN et l'équipe Outils et Méthodes Numériques du L2EP. Chaque partenaire apporte des compétences spécifiques pour aborder l'instrumentation multi-physique des machines électriques de forte puissance

High-power electrical machines are subjected to severe mechanical, thermal, and magnetic stresses during operation. To ensure their reliability and continuous operation, it is crucial to have real-time information on these constraints, often at a local scale. Wireless and battery-free sensor technologies, combined with effective data analysis and signal processing techniques, are essential to meet this need. Surface acoustic waves (SAW) allow the design of wireless and completely passive sensors capable of measuring various physical quantities such as temperature, mechanical stress, and magnetic fields, thanks to advanced design engineering. The work carried out in this thesis has enabled the development of multi-quantity SAW sensors for measuring deformations, temperature, and magnetic fields. These sensors were first calibrated on laboratory test benches and then used to characterize the mechanical properties, such as magnetostriction, and magnetic properties, such as magnetic losses, of ferromagnetic sheets used in the design of high-power electrical machines. Characterizing the properties of ferromagnetic sheets is crucial for several reasons: designing efficient electromagnetic systems, minimizing vibrations and unwanted noise, controlling energy dissipation, preventing material fatigue, optimizing component design for energy efficiency, and developing heat-resistant components for reliability and durability. The thesis project involves JEUMONT Electric (a high-tech company specializing in energy conversion solutions), the AIMAN-FILMS group from IEMN, and the Numerical Tools and Methods team from L2EP. Each partner brings specific expertise to address the multi-physical instrumentation of high-power electrical machines