Développement de méthodes de caractérisation magnétique sous champs tournants et sous contrainte thermique - Thèses de l'INSA Lyon Access content directly
Theses Year : 2024

Development of characterisation methods for magnetic materials under rotational fields and thermal constraints

Développement de méthodes de caractérisation magnétique sous champs tournants et sous contrainte thermique

Abstract

Electrical machines are the focus of various recent regulations aiming at improving the energy consumption. Some of these regulations promote the multiplication of electrical vehicles hence of electrical motors, whereas other set minimum threshold for the efficiency of those motors. Consequently, improving the design and production of electrical machines is currently the target of much efforts from industrial actors and academics. This work, entitled Development of methods of magnetic characterisation under rotational fields and thermal constraints, fits in these efforts as it aims to improve the understanding of the soft magnetic materials needed to build electrical machines. Its specificity is to combine two different types of magnetic characterisation which are seldom used together : under rotating fields and under varying temperature. Independently, each of these conditions impacts the behaviour of magnetic materials, and therefore the power loss and necessary magnetising power of applications. The lack of studies of these combined phenomena comes from the difficulties associated to characterisation under rotating fields, whose results present a very poor repeatability across different laboratories. Additionally, the improvement of these measurement was slowed by the limitations of the vectorial hysteresis modelling. Indeed, working models would be in great need of trusted characterisation results, but as of now these results can mostly be used for direct comparison between materials. Nonetheless, the current context calls for a renewal of the studies in this field, with several laboratories currently working on characterisations under rotating fields and high temperatures. The present document reports the work undertaken at the Ampere Laboratory to implement this kind of characterisations. As such, it describes the main steps leading to the development of a test bench, from the conception phase to the actual implementation, which cover the generation, measurement and control of the rotating fields, data processing and heating of the sample. Given the current state of knowledge about measurement under rotating fields, special focus was paid to assess the performances of the test setup, based on comparison against measurements under alternating fields, simulation and measurements from other laboratories. Finally, experimental results of magnetic material behaviour under rotation fields and varying temperatures are provided. The evolution of magnetic loss and observed anisotropy figures is quantified and compared to general properties of soft magnetic materials.
Les machines électriques tournantes sont au croisement des politiques environnementales actuelles : la réduction de la consommation en énergies fossiles favorise la propagation des véhicules électriques en remplacement des véhicules thermiques, et la réduction de la consommation énergétique globale incite les gouvernements européens à réglementer le rendement minimal des moteurs électriques. L’amélioration de la conception et de la production des machines électriques est donc un axe de travail à la fois pour les industriels et pour les académiques. Ces travaux, intitulés Développement de méthodes de caractérisation magnétique sous champs tournants et sous contrainte thermique, s’insèrent dans ces efforts en améliorant la connaissance des matériaux magnétiques doux indispensables pour réaliser ces machines électriques. Leur spécificité est de se placer au croisement de deux types de caractérisations magnétiques rarement exploitées ensemble : la mesure des propriétés magnétiques sous l’effet de champs tournants, et celle de l’impact de la température sur ces propriétés. Indépendamment, chacun de ces phénomènes altère le comportement des matériaux magnétiques, et donc celui de leurs applications, en agissant à la fois sur les pertes et sur la puissance magnétisante nécessaire. Le faible nombre d’études existant à ce croisement s’explique notamment par les difficultés de la caractérisation sous champs tournants, qui procure des résultats peu répétables entre différents laboratoires et souffrent d’imprécisions importantes provenant de sources difficilement contrôlables. Le développement de telles méthodes de caractérisation a également été ralenti par les limitations de la modélisation des propriétés des matériaux magnétiques sous l’effet de champs vectoriels. Si les données issues de caractérisations sous champs tournants ne peuvent être injectées dans des modèles, leur utilisation se limite aux comparaisons entre différents matériaux. Néanmoins, le contexte environnemental appelle un regain d’activité dans ce domaine, et d’autres laboratoires s’intéressent actuellement spécifiquement aux caractérisations sous champs tournants et en température. Ce mémoire développe les travaux réalisés au laboratoire Ampère pour la mise en place de ces caractérisations. Il retrace ainsi les principales étapes de la réalisation d’un banc développé spécifiquement pour ces travaux, depuis les choix de conception jusqu’à la réalisation finale, notamment en ce qui concerne la génération des champs, leur mesure et leur contrôle, le traitement des données et la mise en température. Le manque global de connaissance sur la mesure sous champs tournants a incité à porter une attention toute particulière à l’évaluation des performances du banc, au travers de comparaison à des simulations, des mesures unidirectionnelles et des résultats de systèmes de caractérisation similaires. Enfin, des résultats expérimentaux de propriétés magnétiques sous l’effet de champs tournants et en température sont présentés. Une quantification de l’évolution avec la température des pertes et de l’anisotropie observée des échantillons est proposée, assortie d’une analyse qualitative des résultats.
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Dates and versions

tel-04579010 , version 1 (17-05-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04579010 , version 1

Cite

Clémentine Delaunay. Développement de méthodes de caractérisation magnétique sous champs tournants et sous contrainte thermique. Energie électrique. Université Claude Bernard Lyon 1, 2024. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04579010⟩
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