Caractérisation interne des noyaux magnétiques : une voie pour le dimensionnement et la surveillance de l'état en temps réel

Internal characterization of magnetic cores : a route for dimensioning and real time condition monitoring

• Auteur / Autrice : Hilary Sorelle Nguedjang Kouakeuo
• Direction : Laurent Morel, Emmanuel Tanyi, Pierre Tsafack
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 14/11/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université de Buéa
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Cavassila-Beuf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Morel, Emmanuel Tanyi, Bertrand Hilaire Fotsin, Afef Kedous-Lebouc, André Cheukem, Laurent Daniel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Hilaire Fotsin, Afef Kedous-Lebouc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Induction magnétique

Magnétorésistance

Champs magnétiques

Mots clés libres

Mesure locale

Contrôle continu des noyaux magnétiques

Technique d’impression

Distribution de champ magnétique

Technique pointe magnétiques

Magnétorésistance géante

Empilements de tôles magnétiques

Capteur induction magnétique non-invasive

Magnetic core condition forecast

Local measurement

Magnetic needle probe technique

Printing technique

Magnetic field distribution

Giant magnetoresistance

Stacks of magnetic steal sheets

Non-invasive magnetic induction sensor

Résumé

Un contrôle élaboré des équipements à composantes magnétiques requiert une connaissance précise des informations locales sur leur comportement magnétique. A cet effet, plusieurs approches allant de la modélisation, la simulation et la mise sur pied de divers capteurs ont été développées pour avoir une meilleure compréhension physique des interactions magnétiques qui ont lieu au sein d’un noyau magnétique. Mais alors, les données obtenues des résolutions numériques n’ont pas en contrepartie une validation expérimentale/pratique. En outre, tous les capteurs magnétiques qui ont été développés jusqu’ici ne permettent pas un monitoring in-situ en temps réel de ces équipements en fonctionnement. Cette incapacité est due à la taille géométrique des capteurs et limites liées à leur instrumentation. Est-il donc possible de développer un système de capteurs magnétiques embarqués qui ne permettra pas juste de caractériser des composants magnétiques, mais qui ira plus loin en donnant la possibilité de contrôler en temps réel le comportement d’un noyau magnétique ? Comme palliatif à la contrainte géométrique, tout au long de notre thèse, les capteurs ont été miniaturisés à l’aide de la technique des circuits imprimés. Nous avons donc fait bon usage des énormes progrès qui ont été fait dans le domaine électronique. Initialement, les pointes magnétiques de 1,5cm de hauteur ont été imprimées directement sur la tôle cible qui permet d’avoir une information sur son état magnétique lorsqu’il sera inséré dans le noyau magnétique des machines électriques. Cette technique de pointes magnétiques imprimées (PMI) ayant une épaisseur de 30µm nous permettra dorénavant d’avoir des signaux magnétiques de 1Hz à 200Hz ; d’où l’accès au information sur l’induction champ magnétique interne d’un noyau magnétique à partir des résultats expérimentaux S'agissant de la mesure de l’intensité champ magnétique, la technique de Magnétorésistances géantes(GMR) a été utilisée. Par ailleurs, nous avons élaboré une mini-plaquette 2en1 de 100µm d’épaisseur comportant la GMR et la PMI pour des mesures simultanées en 2D. Les résultats locaux ainsi obtenus et comparés à l’induction moyennée de la bobine encerclant révèlent l’état d’homogénéité dans une pile de tôle avec une erreur relative de 8%. Enfin, une évaluation numérique du comportement magnétique d’un noyau laminé par simulation éléments finis s’accorde aux résultats expérimentaux. Une erreur de 22% sur le paramètre des pertes hystérétique. Néanmoins, la variation des cycles d’hystérésis tout au long des différentes tôles de l’empilement est la même en simulation qu’en mesure ; d’où une validation des résultats obtenus auparavant par simulation. Cette étude contribue indéniablement à la conception d’un noyau magnétique intelligent. Une garantie d’un monitoring en temps réel de l’état magnétique d’un matériau, du noyau magnétique d’une machine électrique point par point.

A sophisticated control of equipment with magnetic components requires precise knowledge of local information on their magnetic behaviour. To this end, several approaches ranging from modelling, simulation and the setting up of various sensors have been developed to have a better physical understanding of the magnetic interactions that take place within a magnetic core. But then, the data obtained from the numerical resolutions do not have in return an experimental/practical validation. In addition, all the magnetic sensors that have been developed so far do not allow real-time in-situ monitoring of this equipment in operation. This inability is due to the geometric size of the sensors and limitations related to their instrumentation. Is it therefore possible to develop a system of on-board magnetic sensors which will not only allow the characterization of magnetic components, but which will go further by giving the possibility of controlling the behaviour of a magnetic core in real time? As a palliative to the geometric constraint, throughout our thesis, the sensors have been miniaturized using the printed circuit technique. We have therefore made good use of the enormous progress that has been made in the electronic field. Initially, the 1.5cm height magnetic needle probes were printed directly on the target sheet which provides information on its magnetic state when inserted into the magnetic core of electrical machines. This technique of printed magnetic needle probe with a thickness of 30µm (PMNP) will now allow us to have magnetic signals from 1Hz to 200Hz; hence access to information on the induction of the internal magnetic field of a magnetic core from an experimental view point. With regards to the measurement of the magnetic field intensity, the technique of Giant Magnetoresistors (GMR) was used. Moreover, we have developed a 2in1 mini-wafer of 100µm thickness including GMR and PMI for simultaneous 2D measurements. The local results thus obtained and compared to the averaged induction of the encircling coil reveal the state of homogeneity in a sheet pile with a relative error of 8%. Finally, a numerical evaluation of the magnetic behavior of a laminated core by finite element simulation agrees with the experimental results. An error of 22% on the hysteretic losses parameter. Nevertheless, the variation of the hysteresis cycles throughout the various plates of the stack is the same in simulation as in measurement; hence a validation of the results obtained previously by simulation. This study undeniably contributes to the design of a smart magnetic core. A guarantee of real-time and point-wise monitoring of the magnetic state of a material, of the magnetic core of an electric machine.