Modèles quasi 3D pour l'analyse de structures présentant une anisotropie 3D

Quasi 3D models for the analysis of structures with a 3D anisotropy

• Auteur / Autrice : Nabil Hihat
• Direction : Ewa Napieralska
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 01/12/2010
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : ED Sciences pour l'ingénieur (n°72)
• Jury : Président / Présidente : Francis Piriou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ewa Napieralska, Francis Piriou, Afef Keddous-Lebouc, Farid Meibody-Tabar, Thierry Belgrand, Jean-Philippe Lecointe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Afef Keddous-Lebouc, Farid Meibody-Tabar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Induction magnétique

Anisotropie

Machines électriques

Mots clés libres

Tôles à grains orientés

Homogénéisation

Anisotropie

Transformateur

Joint magnétique

Optimisation

Caractérisation magnétique

Gain oriented electrical steel

Homogenisation

Anisotropy

Transformer

Magnetic joint

Optimization

Magnetic characterization

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de l'analyse et la modélisation de la distribution du champ magnétique dans les machines électriques à circuit magnétique feuilleté avec des tôles à grains orientés. L'anisotropie des tôles magnétiques des transformateurs induit des phénomènes 3D complexes au niveau des joints magnétiques où les tôles se chevauchent. Concernant l'augmentation de l'efficacité énergétique des machines tournantes, de nouvelles structures à base de tôles à grains orientés font leur apparition. Néanmoins, simuler finement en 3D un paquet de tôles minces recouvertes d'un isolant de quelques microns d'épaisseur conduit à des temps de calculs très importants.Dans cette optique, nous présentons une méthode d'homogénéisation dont le but est de définir les caractéristiques magnétiques équivalentes d'un empilement quelconque de tôles et d'entrefers. Sa formulation est basée sur la minimisation de l'énergie et la conservation du flux magnétique. Les résultats de cette méthode appliquée à un joint magnétique de transformateur à joints step-lap sont confrontés à des mesures expérimentales et à un modèle élément fini 3D. Ce dernier requiert de connaître les caractéristiques magnétiques des tôles dans les directions de laminage, transverse et normale. La détermination de la perméabilité des tôles dans la direction normale est problématique et constitue un point original de notre étude. Deux méthodes, analytique et numérique, s'appuient sur les mesuresd'un banc de caractérisation en régime statique pour déterminer cette perméabilité normale.

This thesis focuses on the analysis and the modeling the magnetic flux distribution in electrical machines with anisotropic laminated magnetic circuit. The anisotropy of magnetic sheets in transformers induces complex 3D phenomena in step-lap magnetic joints where the sheets are overlapped. Moreover, in order to increase the energy efficiency of rotating machines, new structures based on grain-oriented electrical steel are developed.However, an accurate 3D simulation of a laminated core with thin sheets and insulation of a few microns leads to very large computation time. In this context, we present a homogenization method, which purpose is to define the equivalent magnetic characteristics of any laminated core made of sheets and air gaps. Its formulation is based on the energy minimization and the magnetic flux conservation. The results of this method applied to a step-lap magnetic joint are compared with experimental measurements and a 3D finite element model. The latter requires to know the magnetic characteristics of the sheets in the rolling, transverse and normal directions. The determination of the sheets permeability in the normal direction is problematic and it constitutes an original point of our study.Two methods, analytical and numerical, based on measurements obtained with a static characterization bench makes possible the determination of the normale permeability.