Caractérisation et modélisation du comportement des matériaux magnétiques doux sous contrainte thermique

Characterization and modeling of soft ferromagnetic materials under thermal stress

• Auteur / Autrice : Anh Tuan Bui
• Direction : Noël Burais, Laurent Morel, Fabien Sixdenier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 19/04/2011
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Matt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Waeckerlé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Afef Kedous-Lebouc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs électromagnétiques

Température

Hystérésis

Matériaux ferromagnétiques

Mots clés libres

Matériaux ferromagnétiques

Modèles d’hystérésis

Hystérésis statique

Hystérésis dynamique

Tubes de Flux

Propriétés magnéto-thermique

Température de Curie

Couplage magnéto-thermique

Magnetic materials

Hysteresis models

Static hysteresis

Dynamic hysteresis

Flux tubes

Magneto-thermal properties

Curie temperature

Magneto-thermal coupling

Résumé

Depuis longtemps, les dispositifs ou systèmes électromagnétiques sont omniprésents dans les milieux industriel et domestique. Le circuit magnétique de ces systèmes est un des éléments clefs d’une conversion énergétique efficace. Outre l’optimisation de la géométrie du circuit magnétique, la maîtrise de l’efficacité énergétique passe par l’utilisation de matériaux magnétiques performants et par une connaissance approfondie de leur comportement, notamment sous contraintes élevées comme les températures et fréquences élevées que l’on rencontre de plus en plus aujourd’hui. Notre travail s’intègre dans le cadre des recherches menées par l’équipe matériaux du laboratoire AMPERE, notamment sur les modèles comportementaux de matériaux magnétiques. Partant de nombreuses caractérisations expérimentales en fonction de la température, nous avons développé un modèle « dynamique » adapté à différents types de matériaux ferromagnétiques, et permettant de simuler rapidement l’influence de la température sur le fonctionnement permanent et transitoire de systèmes électromagnétiques simples. Il s’appuie sur l’association des modèles d’hystérésis de Jiles-Atherton et dit « tubes de flux ». Ce modèle, et la démarche associée de couplage entre phénomènes magnétique, thermique et électrique, sont validés sur un capteur de courant et une inductance. Les résultats confirment l’importance de l’effet de la température sur les performances des systèmes, et la pertinence de disposer d’un tel modèle pour optimiser ces systèmes

Since a long time, systems and electrical devices are everywhere in the industrial and domestic environments. The magnetic core of these systems is a key for achieving energy conversion efficiency. Apart from the geometry optimization, high performance materials are mandatory for obtaining an effective energy conversion, as well as deep knowledge of their behaviour. The choice of materials is even more important when strong constraints are imposed, like high temperature and high frequency, which are more and more met nowadays. Our work is taken on in the context of the research activity on the modeling of the behaviour of magnetic materials of the “materials” team of AMPERE-Lab. Starting from a large number of experimental characterizations of materials at different temperatures, we have developed a “dynamic” model adapted to the different kinds of magnetic materials, which allows to quickly simulate the effect of temperature on the steady-state and transient regime of simple electromagnetic systems. It is founded on using Jiles-Atherton’s hysteresis models together with the so called “flux tubes”. This modelling and the associated approach of coupling electrical, thermal and magnetic phenomena are validated on a current sensor and an inductance. The results confirm the importance of the effect of the temperature on the performances of systems, and the interest of having such a model so as to optimizing these systems