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CHARLES CYR MODÉLISATION ET CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX MAGNÉTIQUES COMPOSITE

CHARLES CYR MODÉLISATION ET CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX MAGNÉTIQUES COMPOSITES DOUX UTILISÉS DANS LES MACHINES ÉLECTRIQUES Thèse de doctorat en cotutelle présentée à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval, Québec pour l’obtention du grade de Philosophiæ Doctor (Ph.D.) DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET DE GÉNIE INFORMATIQUE FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC Et à l'ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE D’ARTS ET MÉTIERS PARIS , FRANCE pour l’obtention du grade de Docteur de l'ENSAM spécialité Génie Electrique (thèse 2007-ENAM-0015 - Ecole doctorale SMI 432) JUILLET 2007 © Charles Cyr, 2007 ii Résumé Les matériaux magnétiques composites doux sont utilisés pour réaliser des circuits magnétiques de machines électriques. Ils sont formés de particules de fer revêtues d’une mince couche de diélectrique et pressées à haute densité. La conception des machines électriques à l’aide de ces matériaux requiert la connaissance de méthodes de caractérisation de leurs propriétés électriques et magnétiques. L’optimisation des propriétés magnétiques des matériaux composites nécessite la compréhension des phénomènes se produisant à l’échelle microscopique et de leur influence sur la caractéristique d’aimantation à l’échelle macroscopique. Des méthodes de caractérisation adaptées aux matériaux magnétiques composites sont développées dans cette thèse : elles concernent la mesure de la caractéristique d’aimantation, de la résistivité et des pertes magnétiques. L’utilisation de ces méthodes démontre que l’inhomogénéité et l’anisotropie des propriétés des circuits magnétiques faits de matériaux magnétiques composites, considérées comme relativement négligeables dans les travaux publiés jusqu’à présent, sont suffisamment importantes pour influencer le développement du matériau, le dimensionnement des machines électriques et les tests de qualité en production. Un modèle permettant de relier la caractéristique d’aimantation à la structure des matériaux magnétiques composites et aux propriétés des constituants est proposé. Ce modèle est basé sur la simulation en calcul des champs de l’écoulement du flux magnétique à travers la structure microscopique du matériau et il permet de retrouver la caractéristique d’aimantation à l’échelle du circuit magnétique. Les relations obtenues démontrent un couplage significatif entre les propriétés globales, comme la perméabilité maximale, et certaines grandeurs à l’échelle microscopique, comme l’épaisseur du revêtement des particules de fer. Les modèles et les méthodes de caractérisation proposés peuvent ainsi être efficacement utilisés pour l’optimisation des dimensions des machines faites de matériaux magnétiques composites ainsi que pour l’optimisation des propriétés de ces matériaux en vue d’applications spécifiques. iii Abstract Soft magnetic composite materials are used to produce magnetic circuits in electrical machines. They are made of iron particles coated with a thin dielectric layer pressed to high densities. Electrical machine design using soft magnetic composites requires techniques for measuring their electrical and magnetic properties. The optimization of soft magnetic materials properties requires understanding the microscopic scale magnetization phenomenon, as well as its influence on macroscopic properties. Measurement methods for magnetization, resistivity and magnetic losses, which are adapted to soft magnetic materials, are developed in this thesis. These methods show that materials inhomogeneity and anisotropy, which were until then considered negligible in published work, are sufficiently important to influence materials development, machine design and quality tests. Modeling of magnetization relates microscopic scale magnetization phenomenon to global magnetic properties, such as the effect of dielectric coating thickness on magnetic permeability. A model is developed that relates material properties to its structure and composition. Based on finite elements simulation of magnetic flux flow into the material structure, this model allows for finding the material’s global magnetization curve. Relations between process parameters and magnetic properties show strong coupling between microscopic structure and properties. An example of that coupling is the effect of dielectric coating thickness on magnetic permeability. The proposed measurement methods and magnetization models can be used for the optimization of machine dimensions, and for the optimization of materials properties designed for specific applications. iv A Lila , mi vida v Avant-propos Je voudrais d’abord remercier mon directeur de thèse, le professeur Philippe Viarouge, pour m’avoir encouragé à réaliser cette thèse en partenariat industriel et en cotutelle avec l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers. Son imagination débordante et son enthousiasme hors de l’ordinaire resteront un modèle pour moi. Je remercie sincèrement mon co-directeur de thèse, le professeur Stéphane Clénet, pour avoir accepté de m’accueillir dans son laboratoire en France et de me superviser tout au long de mes travaux. Sa grande simplicité et sa bonne humeur ont été extrêmement appréciées. La cotutelle a été pour moi un aspect important de ce doctorat, tant au niveau professionnel que personnel. Je remercie également mon superviseur au sein de l’entreprise qui a parrainé cette thèse, monsieur Claude Gélinas, d’avoir fait en sorte que mon expérience soit enrichie d’un aspect pratique important. Je tiens à souligner l’apport très important de monsieur Guillem Vachon, chercheur au centre de technologie de l’entreprise parraineuse. Mes connaissances de bases en métallurgie et en matériaux sont dues à nos échanges captivants. Monsieur Vachon a par ailleurs été impliqué dans l’élaboration de la méthode de caractérisation de la structure des matériaux magnétiques composites par microscopie électronique présentée dans cette thèse. Son ouverture d’esprit et son humanité m’ont beaucoup inspiré. Enfin, je ne pourrais manquer de souligner l’apport et le soutien de mes collègues, étudiants à la maîtrise et au doctorat, tant à l’Université Laval qu’à l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers, qui ont rendu cette période de ma vie si intéressante et si enrichissante. Mon ouverture sur plusieurs cultures s’est réalisée grâce aux échanges que nous avons eus. David, Zhu, Ahmid, Ahmed, Jose, Nicolas, Marc, Maxime, Davide, Ruben, Liva, Olivier, Antoine, Richard, Marion Roman et tous les autres ont été plus que des collègues et je les ai côtoyés avec plaisir. Finalement, je salue au passage les étudiants internationaux avec lesquels j’ai voyagé en Europe : Erasmus, Égide : Laetita, Valentin, Karin, Sergei et Suyoch et les autres. Votre amitié a été des plus réconfortantes durant de longs séjours hors du Canada. vi Table des matières Résumé............................................................................................................................................ ii Avant-propos................................................................................................................................... v Table des matières.......................................................................................................................... vi Liste des figures...........................................................................................................................viii Liste des tableaux.........................................................................................................................xiii Introduction générale ...................................................................................................................... 1 1 Généralités .............................................................................................................................. 7 1.1 Introduction..................................................................................................................... 7 1.2 Classification des matériaux selon leurs propriétés magnétiques................................... 7 1.3 Aimantation et pertes magnétiques des matériaux ferromagnétiques........................... 10 1.3.1 Théorie des domaines magnétiques ...................................................................... 10 1.3.2 Pertes magnétiques dans les matériaux ferromagnétiques.................................... 13 1.4 Le fer technique et ses alliages ..................................................................................... 17 1.4.1 Effet de l’addition de silicium............................................................................... 17 1.4.2 Influence du travail à froid sur la caractéristique d’aimantation du fer................ 18 1.5 Principaux types de matériaux magnétiques doux utilisés dans les machines électriques 19 1.6 Fabrication et recyclage des matériaux magnétiques composites................................. 20 1.6.1 Méthode de fabrication et structure des matériaux magnétiques composites....... 20 1.6.2 Recyclage et coût environnemental des matériaux magnétiques composites....... 27 1.7 Propriétés des matériaux magnétiques composites....................................................... 27 1.7.1 Caractéristique d’aimantation des matériaux magnétiques composites................ 27 1.7.2 Pertes magnétiques des matériaux magnétiques composites................................ 28 1.7.3 Propriétés mécaniques et thermiques des matériaux magnétiques composites .... 32 1.7.4 Comparaison des propriétés électriques et magnétiques des différents types de matériaux magnétiques doux ................................................................................................ 32 1.8 Conception des machines électriques faites de matériaux magnétiques composites.... 33 1.8.1 Principes généraux de conception des machines électriques................................ 34 1.8.2 Principes de conception des machines électriques spécifiques à l’utilisation des matériaux magnétiques composites ...................................................................................... 38 1.9 Conclusion .................................................................................................................... 43 2 Caractérisation des matériaux magnétiques composites....................................................... 45 2.1 Introduction................................................................................................................... 45 2.2 Précision, exactitude et calcul d’incertitude ................................................................. 49 2.3 Choix et préparation du jeu d’échantillons utilisé pour la mesure de la caractéristique d’aimantation et de la résistivité des matériaux magnétiques composites................................ 52 2.4 Mesure de la caractéristique d’aimantation des matériaux magnétiques composites... 54 2.4.1 Mesure de la caractéristique d’aimantation par hystérésigraphe .......................... 56 2.4.2 Mesure de la caractéristique d’aimantation par une méthode d’identification basée sur le calcul des champs........................................................................................................ 66 2.4.3 Analyse comparative des résultats des différentes méthodes de détermination de la caractéristique d’aimantation................................................................................................ 72 vii 2.4.4 Mesure d’homogénéité et d’isotropie de la caractéristique d’aimantation par hystérésigraphe ..................................................................................................................... 72 2.5 Mesure de la résistivité des matériaux magnétiques composites.................................. 82 2.5.1 Mesure de résistivité par micro-ohmmètre à quatre pointes................................. 84 2.5.2 Mesure de résistivité basée sur les courants induits.............................................. 94 2.5.3 Analyse comparative des résultats des différentes méthodes de mesure de résistivité 120 2.5.4 Mesure d’homogénéité et d’isotropie de la résistivité des matériaux magnétiques composites........................................................................................................................... 123 2.6 Mesure des pertes magnétiques des matériaux magnétiques composites................... 129 2.6.1 Séparation des pertes magnétiques en aimantation unidirectionnelle dans les matériaux magnétiques composites .................................................................................... 133 2.6.2 Mesure d’isotropie des pertes magnétiques dans les matériaux magnétiques composites........................................................................................................................... 137 2.7 Conclusion .................................................................................................................. 138 3 Modélisation de l’aimantation des matériaux magnétiques composites............................. 141 3.1 Introduction................................................................................................................. 141 3.2 Modèles d’aimantation des matériaux magnétiques composites................................ 143 3.2.1 Modèle de matériaux magnétiques composites à basse densité.......................... 144 3.2.2 Modèles de matériaux magnétiques composites à haute densité........................ 144 3.2.3 Modèle de matériaux magnétiques composites basé sur la reproduction de la structure microscopique en calcul des champs................................................................... 151 3.3 Constituants des matériaux magnétiques composites................................................. 155 3.3.1 Propriétés physiques des constituants non ferromagnétiques............................. 155 3.3.2 Propriétés physiques du fer................................................................................. 157 3.4 Caractérisation de la structure des matériaux magnétiques composites par microscopie 162 3.4.1 Choix et préparation des échantillons pour l’observation au microscope électronique......................................................................................................................... 163 3.4.2 Acquisition et uploads/Ingenierie_Lourd/ ensam-theseccyrdepotfinal.pdf