Contribution to the study of magnetostrictive energy conversion : from material to device

par Otmane Lahyaoui

Thèse de doctorat en Génie Électrique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)

Sous la direction de Vincent Lanfranchi et de Nicolas Buiron.

Soutenue le 28-02-2019

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Contribution à l’étude de la conversion d’énergie magnétostrictive : du matériau au dispositif


  • Résumé

    Dans cette ère du tout électrique, la demande en technologie électrique est en nette augmentation dans plusieurs secteurs (automobile, ferroviaire et aéronautique). Malheureusement, le bruit et les vibrations d’origine magnétiques provenant de ces technologies restent une problématique préoccupante dans ces moyens de transports, perturbant ainsi le confort des passagers. Sachant que le fonctionnement de ces dispositifs électriques comme les moteurs, les générateurs, les transformateurs repose en grande partie sur les matériaux ferromagnétiques, les principales sources d’émission acoustiques sont la magnétostriction et les forces magnétostatiques. Les travaux de thèse discutés dans ce manuscrit visent à améliorer les connaissances actuelles sur les propriétés magnétiques et magnétostrictives des matériaux ferromagnétiques (NO Fe-3%Si) dans une perspective de compréhension et de maitrise de leur comportement sous différentes sollicitations (contrainte mécanique, effet des fréquences d’excitation. . .). L’étude présentée offre une approche complète d’investigation partant du matériau jusqu’au dispositif électrique. Un premier volet expérimental présente les caractérisations magnétiques et magnéto-élastiques effectuées sur des tôles magnétiques et sur une structure stratifiée. S’ajoute à cela, une étude sur la résonance mécanique induite par la magnétostriction dans une structure stratifiée ressemblant à un transformateur.Un deuxième volet traite de la modélisation du comportement magnétoélastique de la magnétostriction et de son intégration dans un outil basé sur la méthode des éléments finis pour permettre de prédire la magnétostriction sur une structure plus complexe qu’une simple tôle. Enfin, une étude impliquant l’interaction de la magnétostriction avec les forces de magnétiques est décrite avec une comparaison des résultats de simulation avec une méthode analytique et avec des mesures expérimentales.


  • Résumé

    In this era of all-electric, the demand for electrical technology is clearly increasing in several sectors (automotive, rail and aeronautics). Unfortunately, magnetic noise and vibrations originating from these technologies remain a worrying issue in these means of transport, thus disrupting passenger comfort. Knowing that the operation of these electrical devices such as motors, generators and transformers relies largely on ferromagnetic materials, the main noise sources are magnetostriction and magnetic forces. The thesis works discussed in this manuscript aim to improve the current knowledge on the magnetic and magnetostrictive properties of ferromagnetic materials (NO Fe-3% Si) in a perspective of understanding and control of their behavior under different solicitations (mechanical stress, frequencies ...). The presented study offers a complete investigation approach from the material to the electrical device. A first experimental part presents the magnetic and magneto-elastic characterizations carried out on magnetic sheets and on a laminated structure. A study on the magnetic resonance induced by the magnetostriction including on an experimental modal analysis is presented as well. A second part deals with the modeling of the magneto-elastic behavior of magnetostriction and its integration into a finite element tool to predict the impact of the magnetostriction on a more complex structure than simple electrical sheet. Finally, a study of a possible interaction of magnetostriction with magnetic forcesis described with a comparison of simulation results with an analytical method and experimental measurements.


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