Contribution à l’étude des pertes dans les matériaux magnétiques au sein des convertisseurs électromécaniques. Analyse des pertes supplémentaires engendrées par les conditions de mise en œuvre des matériaux


Partenaires : Safran

Chercheurs impliqués : N. Boubaker (doctorant), D. Matt (Pr)

Durée : 3 ans (2013-2016)

Le travail porte sur l’étude, la modélisation et la caractérisation expérimentale des pertes Joule dans les matériaux magnétiques au sein d’actionneurs électromécaniques conçus pour le développement du programme « avion plus électrique ». Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l’avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c’est possible.

Dans ce contexte, la maîtrise des pertes dans une machine électrique est un enjeu absolument majeur, cela permet, évidemment, de réduire la consommation de l’avion mais aussi d’accroître les puissances volumiques des convertisseurs électromécaniques. Ce dernier aspect est crucial car les contraintes de masse, d’encombrement, issues de la plupart des cahiers des charges, sont complexes à gérer.

Les pertes Joule dans les conducteurs électriques sont intrinsèques au dimensionnement, au fonctionnement, elles sont naturellement prises en considération et maîtrisées lors de la conception de la machine, et il n’y a pas de degré de liberté quant au choix du matériau, seul le cuivre est utilisé. Par contre, les pertes dans les matériaux magnétiques sont régies par des règles beaucoup plus complexes et il est possible d’adopter certaines nuances de matériaux plutôt que d’autres afin, selon les cas d’usage, d’optimiser le niveau de perte. Nous proposons donc, dans cette thèse, d’aborder l’étude des pertes dans les matériaux en tenant compte des objectifs et spécificités introduits par les besoins en milieu aéronautique.

La thématique des pertes dans les matériaux magnétiques a déjà fait l’objet de très nombreux travaux de recherche, mais la complexité des phénomènes physiques mis en jeu fait que de nombreuses questions n’ont trouvé que peu ou pas de réponse. Nous tenterons d’apporter quelques-unes des réponses, notamment en relation avec les phénomènes que nous allons maintenant décrire. En premier lieu, de nombreuses interrogations subsistent sur l’influence des conditions de découpe des tôles des circuits magnétiques feuilletés. Selon qu’il s’agit de tôles pour un prototype, pour une petite ou une grande série, les outils de découpe utilisés sont très différents. Les altérations locales du matériau engendrées par une découpe au poinçon, au laser, au jet d’eau, par électroérosion ou par méthode chimique sont plus ou moins grandes, mais elles nécessitent toujours une attention particulière. En fonction des cas, des traitements thermiques, distincts pour les différents matériaux, doivent être mis en œuvre après découpe. Une base de connaissance de ces phénomènes existe, notamment auprès des fabricants de tôles pour circuits magnétiques, mais il est nécessaire de la compléter.

Sur un même plan, il est admis que les conditions de mise en œuvre des tôles de circuit magnétiques sont susceptibles d’avoir une influence non négligeable sur le taux de perte, en particulier, les contraintes mécaniques induites par des opérations de frettage augmentent nettement les pertes. Ces altérations n’ont été que peu étudiées.

Par ailleurs, le calcul des pertes à haute fréquence dans les aimants, dues aux variations de réluctance vues par l’aimant (passage de l’aimant devant des encoches …), est souvent traité de manière très théorique, mais, confrontés aux résultats de l’expérience, les résultats théoriques s’avèrent la plupart du temps difficiles à exploiter.

Les interactions fortes entre les pertes dans les aimants, les pertes dans le circuit magnétique ou dans une éventuelle frette, les effets d’écran engendrés par ce processus, sont aussi assez peu abordés et ne font l’objet que de peu de validation expérimentale. Cette caractérisation est fondamentale car les techniques actuelles permettent des fonctionnements à des niveaux de fréquence de plus en plus élevés pour des structures complexes sur le plan de la répartition des champs (structures Vernier [1-3], structures à couplage harmonique et bobinage dentaire…), les pertes dans les aimants sont alors conséquentes et peuvent s’avérer rédhibitoires dans certains cas. Une parfaite connaissance de ces phénomènes de perte est aussi fondamentale pour la conception des structures à forte puissance volumique nécessaires au sein de l’avion.

Outre la validation de modèles ou outils de calcul analytiques ou numériques, un des grands objectifs de cette thèse consistera en la mise au point d’un banc d’essai évolutif permettant la caractérisation fines des pertes spécifiques décrites ci-dessus.
La grande difficulté de ce travail de recherche, rencontrée par tous dans les travaux antérieurs, est qu’il est généralement impossible, notamment dans une approche expérimentale, d’étudier, de localiser les pertes en un endroit précis, il est par exemple difficile de créer des pertes au sein d’un aimant sans en créer aussi dans le circuit magnétique au sein duquel il est logé. Par contre, les principaux outils de CAO en électromagnétisme, les plus récents, permettent d’effectuer, théoriquement, cette séparation, nous nous appuierons donc largement sur les résultats issus de ces outils afin de corroborer les mesures issues d’expérimentations sur machines réelles ou banc d’essai de caractérisation. La première partie de la thèse, passée l’étude bibliographique, sera consacrée à identifier les logiciels les mieux aptes à la prise en compte précise des problèmes traités.

Enfin, ce travail s’appuit sur une importante étude expérimentale effectuée au sein du groupe SAFRAN, destinée à caractériser, d’un point de vue thermique, par des mesures localisées d’échauffement, les pertes dans plusieurs prototypes d’actionneurs conçus dans le cadre du programme « avion plus électrique ».