Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris

Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris
CNRS UMR 8507–CentraleSupélec –Universités Pierre et Marie Curie et Paris-Sud
11 rue Joliot Curie Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex
PROPOSITION DE SUJET DE THÈSE :
Outil de dimensionnement multi-physique pour les machines à aimants permanents
DIRECTION DE THÈSE :
Laurent Daniel
Guillaume Krebs
Maya Hage-Hassan
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01 69 85 19 07
01 69 85 16 62
01 69 85 15 23
LABORATOIRE D’ACCUEIL :
Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (GeePs)
Pôle, axes D’ACCUEIL :
Pôle : Energie, Electronique, Conception, Contrôle (Eco2),
Axes : ‘actionnement et capteurs’ et ‘couplages multiphysiques’ (Muphy)
DESCRIPTIF ET APPORT DU TRAVAIL DE THÈSE :
Contexte de la recherche
Certaines machines électriques peuvent être soumises à de fortes contraintes physiques, mécaniques, thermiques,
magnétiques, ou encore chimiques. La prédiction de l’influence de ces contraintes sur leurs caractéristiques est alors
indispensable afin de garantir les performances demandées. Les machines classiques étant composées majoritairement de
cuivre, d’acier et d’aimants, les propriétés de ces matériaux sont susceptibles d’influencer le couple produit ou le courant
absorbé comme illustré sur les figures ci-dessous dans le cas de la température.
Distribution de l’induction dans l’entrefer d’une
machine à aimants permanents disposés en surface [1].
Estimation du couple maximum en fonction de la
température (effets de saturation négligés) [2].
Le travail de thèse proposé vise à étudier l’influence de sollicitations extrêmes sur les propriétés des aimants permanents
et à intégrer les modèles de comportement correspondants dans les outils de dimensionnement d’actionneurs électriques.
Bref descriptif scientifique
Les causes physiques potentielles pouvant influer sur les propriétés physiques des aimants sont multiples. On peut par
exemple citer la corrosion, la température (voir figures ci-dessous) ou les contraintes mécaniques.
Courbes de démagnétisation du Nd–Fe–B après
immersion naturelle dans du 3.5wt% NaCl [3]
Dégradation dans le temps de l'aimantation d’ un
aimant permanent à différentes températures [4]
Si certains de ces effets ont été assez largement explorés (e.g. effets de la température sur les propriétés des aimants
permanents), certains sont encore assez méconnus (e.g. effets des contraintes mécaniques). Pour ce qui est du couplage entre
ces effets, de très nombreuses interrogations subsistent. Ce point est particulièrement vrai pour les effets couplés de la
température et des contraintes mécaniques sur les propriétés des aimants. Une modification des inductions rémanentes
apparaît clairement mais il est difficile d’en quantifier les effets couplés sur les pertes par exemple.
Objectifs des travaux de thèses :
L’objectif de la thèse est de développer un outil de conception et de simulation de machines électriques à aimants permanents
qui permettra de considérer dès la phase de conception les phénomènes couplés au niveau des aimants.
Le laboratoire GeePs développe depuis de nombreuses années des lois de comportement à différentes échelles permettant
de tenir compte des phénomènes de couplage multiphysique dans les matériaux ferromagnétiques. Cette activité inclut des
aspects de modélisation mais aussi un volet expérimental avec notamment une plateforme de caractérisation magnétomécanique.
La première étape de la thèse sera de mettre à profit cette expertise pour déterminer et modéliser les effets des
environnements sévères (haute température, atmosphères corrosives, contraintes mécaniques,…) sur les propriétés des
aimants permanents. Les lois de comportement correspondantes seront ensuite intégrées dans des outils de conception et de
modélisation des actionneurs développés au GeePs.
Si le travail d’approfondissement scientifique sera avant tout centré sur la mise en place d’un modèle multi-physique sur la
base de résultats expérimentaux, l’outil de simulation tentera aussi d’intégrer les effets magnéto-thermiques et magnétomécaniques sur les différents matériaux constitutifs des actionneurs.
La modélisation des machines électriques peut recourir aux méthodes numériques (Éléments Finis (EF), 2D, 3D). Ces
modèles sont généralement caractérisés par une bonne précision mais ils ne sont pas toujours adaptés à l'optimisation
systémique. Un autre type de modélisation dit semi-analytique par réseau de perméances (Rdp) sera privilégié. Cette
approche développée au GeePs est en effet plus rapide au niveau du temps de calcul et permet d'avoir un ordre de précision
conforme aux approches EF 2D.
Le laboratoire GeePs dispose des codes de calcul (éléments finis et réseaux de réluctances) de pré-dimensionnement de
machines (synchrone, asynchrone et à réluctance variable). Le candidat s’appuiera sur ces outils pour mettre en place un
modèle adapté au dimensionnement multi-physique et implantera les lois de comportement obtenues pour les aimants dans
ce code de dimensionnement afin de quantifier les effets d’un environnement sévère sur les performances globales des
machines à aimants permanents.
Déroulement du travail
 Etude bibliographique portant :
- sur les lois de comportement et la modélisation des aimants permanents
- la modélisation multi-physique des machines électriques
 Réalisation des essais sur les aimants pour élaborer des lois de comportement
 Développement des modèles de comportement multi-physique des aimants permanents
 Développement de l’outil de modélisation des machines électriques à aimant permanent en 2D
 Intégration des lois de comportement dans l’outil
Le travail s'inscrit dans le cadre de la chaire Mécatronique Automobile Faurecia / CentraleSupelec / Esigelec hébergée par
le GeePs (Group of Electrical Engineering - Paris) à Gif sur Yvette. L'entreprise Faurecia est un acteur majeur de l'industrie
automobile, sixième équipementier mondial, leader dans ses trois activités (sièges d’automobile, systèmes d’intérieur et
technologies de contrôles des émissions). Dans le cadre de sa politique d'innovation et de recherche, le groupe a créé en
2014, en partenariat avec CentraleSupelec et l'Esigelec, une chaire de recherche visant à développer de nouvelles
méthodologies pour piloter l'innovation dans le domaine de la mécatronique automobile. L'un des axes de recherche de la
chaire est consacré au développement d’actionneurs haute performance.
[1] M. Beniakar, T. Kefalas, A. Kladas, « Investigation of the Impact of the Operational Temperature on the Performance of a Surface
Permanent Magnet Motor », Materials Science Forum, 2011.
[2] C. Lungoci , D. Stoia, « Temperature effects on torque production and efficiency of motors with ndfeb », Rev. Roum. Sci. Techn. –
Électrotechn. et Énerg., 2008.
[3] I. Costaa, M.C.L. Oliveiraa, H.G. de Melob, R.N. Fariaa, « The effect of the magnetic field on the corrosion behavior of Nd-Fe-B
permanent magnets », Article in Journal of Magnetism and Magnetic Materials · July 2004
[4] N. Yogal, C. Lehrmann, « Study of Magnetic Properties on the Corrosion Behavior and Influence of Temperature in Permanent Magnet
(Nd-Fe-B) Used in PMSM », International Journal of Electrical, Computer, Electronics and Communication Engineering Vol:8, No:11,
2014.