Caractérisation et modélisation du comportement thermomagnétique d'alliages FeNi pour le prototypage virtuel

Characterization and modeling of the thermomagnetic behavior of FeNi alloys for virtual prototyping

• Auteur / Autrice : Oualid Messal
• Direction : Noël Burais, Laurent Morel, Fabien Sixdenier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 09/12/2013
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ampère
• Jury : Président / Présidente : Bernard Multon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Waeckerlé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Piriou, Gérard Meunier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets galvanomagnétiques

Susceptibilité magnétique

Matériaux magnétiques

Hystérésis, Cycle d'

Ferromagnétisme

Mots clés libres

Ferromagnétisme

Alliages FeNi

Hystérésis Statique

Hystérésis Dynamique

Point de Curie

Dispositifs électromagnétiques

Relais haute sensibilité

Ferromagnetism

FeNi FCC alloys

Static hysteresis

Dynamic hysteresis

Curie point

Electromagnetic devices

High sensitivity relay

Résumé

L’avènement du Génie électrique, il y a plus d’un siècle maintenant, s’est accompagné dès ses débuts, de recherche de matériaux ferromagnétiques performants pour la réalisation de l’élément central des dispositifs électromagnétiques, le circuit ou noyau magnétique. Ces matériaux, constitués initialement de fer, ont été très vite alliés au silicium, au cobalt et au nickel pour plusd’efficacité énergétique. Pour un dispositif donné, le choix d’un tel ou tel matériau passe souvent par un exercice de compromis vis-à-vis des besoins applicatifs (performances magnétiques, caractéristiques mécaniques et thermiques, etc., et bien sûr coût). La fréquence et la température de fonctionnement sont entre autres des paramètres importants. Parmi ces matériaux, les FeNi, bien qu’ils soient matures industriellement, voient toujours de nouveaux marchés s’ouvrirent à eux année après année grâce à l’attrait technique qu’ils exercent. Ce travail s'inscrit dans la continuité des recherches engagées à AMPERE sur les modèles comportementaux de matériaux magnétiques avec prise en compte des effets de la température. En effet, la recherche permanente de performances et de compacité ou intégration pour tous les dispositifs électromagnétiques soumet les circuits magnétiques à des contraintes physiques et en particulier thermiques de plus en plus sévères. Il est donc nécessaire de caractériser et modéliserprécisément les matériaux ferromagnétiques, et plus particulièrement les alliages FeNi, afin de les intégrer dans les outils de conception et d’optimisation de ces dispositifs. Pour cela, nous avons notamment dû mettre en oeuvre un dispositif expérimental adapté, et réaliser de nombreuses et longues expérimentations afin d’élaborer des modèles performants de comportement de ces matériaux. Ces modèles étudiés ou/et développés ont été ensuite testés sur une démonstrateur réel. Dans le cadre de cette thèse qui s’est déroulée en collaboration avec le Centre de Recherche du groupe APERAM, nous avons choisi une application particulièrement sensible en matière de sécurité des personnes « le système de protection différentielle » où le circuit magnétique (en alliage Fe–50%Ni ou Supra50) constitue une part très importante des performances et de la fiabilité. Enfin, de nouveaux alliages FeNi(Cr, Cu) à faible teneur en Ni (donc économiques) issus du Centre de Recherche d’APERAM ont été étudiés en vue de tester leur aptitude à remplacer le Supra50 dans ces systèmes. Le but est au final de proposer des alliages FeNi économiques aptesà la fabrication du circuit magnétique des relais de disjoncteurs différentiels à propre courant.

The advent of Electrical Engineering has been accompanied since its beginning, by the research of high performance ferromagnetic materials for the realization of the central element of electromagnetic devices, the magnetic core/circuit. These materials initially consisting of iron were alloyed with silicon, cobalt and nickel for more energy efficiency. For a given device, the material must be designed to meet the requirements of the application (magnetic performances, mechanical and thermal characteristics...and cost. The frequency and the operating temperature are, among others, important parameters to be taken into account. Among these materials, the FeNi alloys, although they are industrially mature, see new markets opened to them thanks to their certain specific characteristics and the innovations brought by the manufacturers of these materials. This work is a continuation of ongoing researches in AMPERE laboratory dealing with thebehavioral models of magnetic materials taking into account the effects of temperature. Indeed, there is a trend in a growing number of electromagnetic devices to require high performance and compactness or integration. Thus, in this context, the magnetic circuits are subjected to physical and thermal stresses that are becoming more and more stringent. It is therefore necessary to resort to the experimental characterization and modeling of the behavior of ferromagnetic materials, particularly the FeNi alloys, in order to integrate them into the design and optimization tools of these devices. To do so, we have implemented an appropriate experimental bench, andachieve many and long experiments to develop advanced behavioral models of these materials. These models were then tested on a particularly sensitive application in the field of safety of persons, the differential protection system where the magnetic circuit (of Fe-50% Ni or Supra50) is a very important part of performance and reliability. Finally, new low Ni content FeNi (Cr, Cu) alloys provided by Aperam Research Center in Imphy, were studied in order to test their ability to replace the usual Supra50 alloy in these systems. The final aim is to propose new economic FeNi alloys suitable for the manufacture of the magnetic circuit of industrial ground fault circuit-breaker relay.