Etude de l’impact des procédés de fabrication des machines électriques sur les propriétés des noyaux magnétiques

Effect of manufacturing processes on iron core properties of electrical machines

• Auteur / Autrice : Hugo Helbling
• Direction : Abdelkader Benabou, Abdelmounaïm Tounzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Jeumont industrie
• Jury : Président / Présidente : Noureddine Takorabet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Van Gorp, Marie-Ange Raulet, Régis Bigot, Walid Boughanmi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Afef Kedous-Lebouc, Guillaume Krebs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédés de fabrication

Perméabilité magnétique

Détérioration

Propriétés magnétiques

Circuits magnétiques

Rendements

Conception et construction

Machines électriques

Mots clés libres

Pertes fer

Aciers électriques

Iron losses

Manufacturing process

Electrical machines

Résumé

Dans le contexte de l'accroissement de l’efficacité énergétique des machines électriques de fortes puissances, la réduction des pertes fer constitue évidemment un des points clés. Or, il subsiste encore aujourd'hui des écarts entre les pertes estimées lors de la phase de conception et celles mesurées sur les machines réelles. Ces écarts sont, entre autres, liés aux conditions de fabrication du circuit magnétique (découpe, assemblage, imprégnation...) qui peuvent conduire à une modification des propriétés des aciers électriques, notamment par une dégradation des performances magnétiques et une augmentation des pertes fer. Afin d’améliorer les outils de conception, il est alors nécessaire d’analyser et de quantifier les phénomènes et mécanismes physiques qui conduisent à la dégradation des propriétés magnétiques tout en faisant le lien avec les procédés de fabrication. L’objectif de ces travaux de thèse est d’avoir, à terme, une meilleure connaissance de l’évolution des différents postes de pertes fer en lien avec les procédés dégradant les propriétés magnétiques pour une chaîne de fabrication type des machines électriques de fortes puissances. La démarche proposée repose sur la quantification expérimentale des effets de ces procédés sur les performances magnétiques. Pour cela, des maquettes expérimentales dédiées et représentatives de trois procédés industriels identifiés (procédé de compactage, procédé d’imprégnation et procédé de découpe) ont été développées. Dans le cas du procédé d’imprégnation, son effet sera même directement étudié sur les performances magnétiques de stators industriels. Les résultats expérimentaux obtenus sont analysés et discutés en s’appuyant sur les connaissances théoriques de l’état de l’art et sont exploités pour le développement de modèles magnéto-mécaniques et magnéto-thermiques permettant de prendre en compte l’effet desdits procédés sur les propriétés des aciers électriques.

In the context of the increase of the energy efficiency of high power electrical machines, the reduction of iron losses is obviously one of key points. However, there still exist today differences between the losses given by the models and those measured on real machines. These differences are particularly linked to the manufacturing conditions of the magnetic circuit (cutting, assembling, impregnation, etc.) which can lead to a modification of the properties of the magnetic circuit, in particular by a degradation of the magnetic performance and an increase of iron losses in electrical steels. To improve the design tools, it is then necessary to analyze and quantify the physical phenomena and mechanisms linked to all of these degradations of the magnetic properties by taking into account the effect of the manufacturing processes on the properties of the magnetic circuit. The objective of this thesis is to have a better knowledge of the different iron loss sources along with the manufacturing process steps of a typical manufacturing chain of high power electrical machines. The proposed approach relies on the experimental quantification of the effects of manufacturing processes on magnetic performances. To that end, three dedicated experimental mock-ups representative of specific manufacturing processes (compacting process, impregnation process and cutting process) have been developed. In the case of the impregnation process, its effect will also be directly studied on the magnetic performance of industrial stators. The obtained experimental results are analyzed and discussed with regard to the theoretical knowledge and state of the art, and further used for the development of magneto-mechanical and magneto-thermal models making it possible to take into account the effect of manufacturing processes on magnetic properties of electrical steels.