Modélisation de dispositifs électrotechniques avec des modèles de matériaux adaptés pour les hautes fréquences / température

Electromagnetic devices modeling with material constitutive laws adapted to high temperature/frequency

• Auteur / Autrice : Maria Longhitano
• Direction : Laurent Krähenbühl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Daniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Krähenbühl, Riccardo Scorretti, Christophe Geuzaine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ruth V. Sabariego, Ermanno Cardelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hystérésis

Matériaux magnétiques

Mots clés libres

Pertes magnétiques

Hystérésis statique

Hystérésis dynamique

Températures

Ferrite doux Mn-Zn

Mesures magnétiques

Simulations aux Elements Finis

Magnetic losses

Static hysteresis

Dynamic hysteresis

Temperature

Soft ferrite Mn-Zn

Magnetic measurements

Finite Element simulations

Résumé

Les efforts de recherche pour améliorer la compacité des composants magnétiques pour des applications en électrotechnique et surtout en électronique de puissance ont conduit à augmenter la densité de flux ou/et la fréquence. Ajoutons que les signaux d’alimentation sont chargés en harmoniques. Consécutivement, les matériaux magnétiques, dans ces applications, sont soumis à des fréquences et températures élevées. Du point de vue de l’ingénieur, il est donc crucial d’avoir à disposition des modèles robustes et suffisamment précis pour prédire le comportement de ces matériaux à de hautes fréquences/températures.Dans cette thèse, la modélisation de l’hystérésis statique des matériaux magnétiques a été faite avec le modèle énergétique de Henrotte. Ce modèle a ensuite été étendu pour prendre en compte la température à travers plusieurs de ses paramètres. Trois points de méthode sont mis en lumière : 1) la caractérisation magnétique spécifique pour extraire les données d’entrée nécessaires au protocole d’identification 2) L’extension du modèle à la température et l’analyse de sa précision et de sa robustesse, notamment à travers le nombre de cellules nécessaires pour avoir une précision satisfaisante. 3) L’implantation du modèle dans un logiciel éléments finis pour simuler le comportement d’un démonstrateur instrumenté pour vérification expérimentale.Les approches menées dans cette thèse, ont permis de prendre en compte avec succès la température, dans le sens où la précision du modèle est satisfaisante sur toute la plage de température mesurée avec un même nombre de paramètres. Des comparaisons avec des signaux ou/et des températures ne faisant pas partie des données d’entrée ont été menées et ont permis de montrer une bonne robustesse du protocole d’identification et de la manière dont la température était prise en compte. De premières propriétés concernant l’évolution des paramètres du modèle avec la température ont pu être dégagées, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour l’établissement d’une loi de prédiction complète.Sur un cas test dédié (type transformateur), mis en place lors de cette thèse, les simulations éléments finis et les résultats de mesure ont été en bon accord pour des signaux d’excitation pouvant mener à des champs alternatifs, avec harmoniques et produisant des champs tournants. Les résultats sur les grandeurs globales étaient globalement satisfaisants malgré un grand nombre d’hypothèses simplificatrices.Enfin un certain nombre de travaux débutés, mais non finalisés sont présentés en tant que perspectives. On peut citer :• la prise en compte des effets dynamiques à travers les paramètres du modèle énergétique• le(s) lien(s) existant entre la distribution des paramètres du modèle (extraits à partir de mesures globales macroscopiques) et les propriétés de la microstructure du matériau (mesurables à échelle microscopique).

Magnetic materials play a central role in electromagnetic energy conversion applications. The actual trend of power electronics is to stress these materials at higher temperatures and higher frequencies. Therefore from engineer’s point of view it is crucial to have reliable and accurate models able to predict the behaviour of such materials at various temperatures.This thesis is devoted to the modeling of static hysteresis in magnetic materials by using Henrotte’s energy-based model which, among other nice features, is inherently vectorial. In particular, three points are highlighted: 1) the characterization of the model from experimental data, 2) the usage of this model in a Finite Element softer to simulate electrical devices, 3) the influence of the temperature on the material.A large number of measurements have been executed by using original experimental setups. Measurements have been performed at different temperatures (spanning from 223 K to 448 K) and for several excitation signals. By using these measurements, an original model of a 3C90 soft ferrite which takes into account the temperature has been found. In particular, we propose a scaling law which allows to predict the behaviour of the material at different temperatures. The approaches developed in this thesis allowed to take into account the effects of temperatures with success, i.e. the accuracy is satisfying on all the temperature range with a same number of parameters. This model has been validated by using uniaxial excitation with simple and complex signals. A benchmark to check the capability of our model to take into account vectorial excitation has been developed. This benchmark, which consists in a three-leg transformer excited by two coils with independent voltage sources, has been designed, manufactured and simulated in 2D by using the Finite Element software Gmsh/GetDP. Experimental measurements and numerical simulation are reasonably close, and demonstrate the reliability of our modeling. Starting from these results, future developments can be foreseen. In particular, two points of paramount interest are the extension of the model to be able to work at higher frequencies and the link between the micro-structure of the material and the properties of our model.