Optimisation des performances électromagnétiques et acoustiques des transformateurs

Optimization of electromagnetic and acoustic performances of power transformers

• Auteur / Autrice : Mingyong Liu
• Direction : Olivier Hubert, Xavier Mininger, Frédéric Bouillault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 25/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lanfranchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Hubert, Xavier Mininger, Frédéric Bouillault, Vincent Lanfranchi, Anouar Belahcen, Fausto Fiorillo, Nicolas Triantafyllidis, Gérard Meunier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anouar Belahcen, Fausto Fiorillo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux magnétiques

Éléments finis, Méthode des

Appareils magnéto-électriques

Mots clés libres

Magnétostriction

Homogénéisation

Transformateur de puissance

Vibration/bruit

Modèle multiéchelle

Matériau ferromagnétique

Méthode des éléments finis

Magnetostriction

Homogenization

Power transformers

Vibration/noise

Multiscale modeling

Ferromagnetic materials

Finite element method

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire s’intéresse à la prédiction des vibrations d'un noyau de transformateur multicouche, constitué d'un assemblage de tôles ferromagnétiques. Le problème couplé magnéto-mécanique est résolu par une approche séquentielle progressive : la résolution magnétique est suivie d'une résolution mécanique. Un modèle multi-échelle simplifié 3D décrivant les anisotropies magnétiques et magnétostrictives, et considérant les non-linéarités magnétiques et de magnétostriction, est utilisé comme loi de comportement du matériau. La structure du noyau du transformateur est modélisée en 2D. Une technique d'homogénéisation permet de tenir compte du comportement anisotrope de chaque couche afin de définir un comportement moyen pour chaque élément du maillage éléments finis.. Des mesures expérimentales sont ensuite effectuées, permettant d’une part la validation des lois de comportement matériau utilisées, et d’autres part des modèles de comportement structurel statique, du comportement structurel dynamique et de l'estimation du bruit. Différents matériaux et différentes géométries de prototypes de transformateurs sont considérés pour ce travail. Des optimisations structurelles sont finalement proposées grâce à des simulations numériques s’appuyant sur le modèle développé, afin de réduire les vibrations et les émissions de bruit du noyau du transformateur.

This thesis deals with the prediction of the vibration of a multi-layer transformer core made of an assembly of electrical sheets. This magneto-mechanical coupled problem is solved by a stepping finite element method sequential approach: magnetic resolution is followed by mechanical resolution. A 3D Simplified Multi-Scale Model (SMSM) describing both magnetic and magnetostrictive anisotropies is used as the constitutive law of the material. The transformer core structure is modeled in 2D and a homogenization technique is implemented to take the anisotropic behavior of each layer into consideration and define an average behavior at each element of the finite element mesh. Experimental measurements are then carried out, allowing the validation of the material constitutive law, static structural behavior, dynamic structural behavior, and the noise estimation. Different materials geometries are considered for this workStructural optimizations are finally achieved by numerical simulation for lower vibration and noise emission of the transformer cores.