Letteratura scientifica selezionata sul tema "Aimants massifs"

Un procédé original très simple de fabrication d'aimants Nd-Fe-B a été développé. Il repose sur la transformation à chaud d'alliages massifs par une méthode de déformation plastique (corroyage). Il est particulièrement bien adapté à la réalisation directe de systèmes à aimants permanents. La coercitivité des aimants obtenus est similaire à celle des autres aimants Nd-Fe-B. Une certaine orientation préférentielle des cristallites est aussi présente. Le produit énergétique maximal atteint 25 MGOe. La microstructure des aimants Nd-Fe-B corroyés est essentiellement similaire à celle des aimants Nd-Fe-B frittés, les phases secondaires présentes aux joints de grains jouent un rôle essentiel sur la coercitivité. Dans les aimants non recuits, une phase fortement anisotrope de caractère amorphe est présente dans la région inter-granulaire. Dans les aimants recuits, un composé ferromagnétique doux ou antiferromagnétique lorsque l'Al est présent comme élément d'addition remplace la phase amorphe. La phase ferromagnétique (Nd5Fe17) est de symétrie hexagonale, elle cristallise dans le groupe d'espace P63/mcm. La phase antiferromagnétique (Nd6Fe13T, T=Al, Si) est de symétrie quadratique (groupe d'espace I422). L'analyse expérimentale des mécanismes de coercitivite indique que le retournement de l'aimantation se produit dans une région dont les propriétés ne sont pas très différentes de celles du matériau idéal. Cette observation contredit la plupart des modèles existant de la coercitivité. Une approche originale fondée sur la difficulté de propagation de la paroi à l’intérieur de la phase principale pour des raisons géométriques liées a l'augmentation de surface nécessaire correspond mieux aux résultats expérimentaux. L'analyse expérimentale phénoménologique de la coercitivité révèle alors la similitude des mécanismes de coercitivité dans les aimants Nd-Fe-B corroyés et frittés.

Aujourd’hui, les supraconducteurs trouvent de nombreuses applications, par exemple dans les câbles, les moteurs, les alternateurs ou la génération de champ magnétiques intenses. Les supraconducteurs sont disponibles sous forme de rubans, de fils ou de matériaux massifs. Le processus d'aimantation des supraconducteurs permet d'obtenir des supraconducteurs massifs avec un champ magnétique piégé de bien plus grande valeur que les aimants classiques à base de fer. Une aimantation correcte est la clé d'un champ magnétique piège très fort. Les travaux développés dans cette thèse concernent la modélisation en 2D et 3D, la conception et la réalisation d’un inducteur pour aimanter un ensemble de pastilles supraconductrices. D'une manière générale, il existe trois techniques d'aimantation des supraconducteurs : Zero Field Cooling (ZFC), Field Cooling (FC) et Pulsed Field Magnetization (PFM). Nous nous concentrons sur la PFM car c’est une solution plus compacte et moins onéreuse comparée aux autres techniques. Le procédé d’aimantation évoqué et tous les phénomènes qui en découlent ont été résolus en se basant sur la méthode des éléments finis (MEF) et à l’aide de différentes formulations. Dans ce travail, nous avons étudié et comparé en 2D et 3D la formulation en A, la formulation en H ainsi qu’une une formulation A – H en couplant les différentes variables sur les frontières des matériaux. La comparaison effectuée a montré les avantages de la formulation A – H dans la modélisation des problèmes liés aux supraconducteurs. En effet, dans certains cas, nous avons montré que l'utilisation de la formulation A – H permet de réduire le temps de simulation. Le modèle développé à partir de cette formulation constitue donc un outil intéressant pour de futurs travaux de dimensionnement et le développement d’applications des supraconducteurs au GREEN. Nous avons également dimensionné et étudié numériquement un modèle complet d’inducteur permettant d’aimanter un ou plusieurs supraconducteurs simultanément. Nous étudions deux configurations : le prototype I pour aimanter un seul supraconducteur (problème 2D) et le prototype II pour aimanter trois supraconducteurs (problème 3D). Ces deux configurations sont résolues en considérant les phénomènes électromagnétiques et thermiques ainsi que le couplage avec les équations du circuit alimentant l’inducteur. Les simulations ont montré que l’élévation de température dans le supraconducteur d’une dizaine de Kelvin générée lors de l’aimantation par PFM affectait le champ magnétique piégé. Il a été observé que la présence d’une ou plusieurs pastilles supraconductrices n’influençait pas l'impulsion de courant dans l’inducteur. Le champ piégé maximal obtenu numériquement pour le prototype I était de 706 mT et de 736 mT pour le prototype II. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux résultats de la simulation. Cependant, certains supraconducteurs présentaient une forte inhomogénéité de leurs propriétés ce qui a eu pour conséquence de réduire le champ magnétique piégé observé expérimentalement. Des hypothèses ont été faites pour tenter de reproduire numériquement ces inhomogénéités et leurs effets. Néanmoins, ce calcul numérique ne peut se faire que par une modélisation 3D sans utilisation possible de symétries, et conduit à un de temps de calcul pouvant aller jusqu’à plusieurs jours. L'expérimentation avec des prototypes a permis d'obtenir un champ magnétique piégé maximal de 686 mT lors de l’aimantation d’une pastille, tandis qu’il était de 606 mT lorsque plusieurs pastilles ont été aimantées simultanément. Un abaissement de la température par l’utilisation d’un autre fluide cryogénique comme l’hydrogène liquide ou d’un autre système de refroidissement permettrait d’augmenter cette valeur de champ magnétique piégé à des valeurs beaucoup plus intéressantes pour les applications visées en génie électrique
Today, superconductors are used in many applications, for example in cables, motors, alternators or for the generation of strong magnetic fields. Superconductors are available as tapes, wires or bulk materials. The process of magnetising superconductors results in bulk superconductors with a much higher trapped magnetic field than conventional permanent magnets. Proper magnetisation is the key to a very strong trapped magnetic field. The work developed in this thesis concerns the 2D and 3D modelling, design and realisation of an inductor to magnetise a set of superconducting pellets. Generally speaking, there are three techniques for magnetising superconductors: Zero Field Cooling (ZFC), Field Cooling (FC) and Pulsed Field Magnetization (PFM). We focus on PFM because it is a more compact and less expensive solution compared to the other techniques. The mentioned magnetisation process and all the phenomena involved have been solved based on the Finite Element Method (FEM) and using different formulations. In this work, we studied and compared in 2D and 3D the A-formulation, the H-formulation and an A-H formulation by coupling the different variables on the material boundaries. The comparison showed the advantages of the A-H formulation in modelling superconducting problems. Indeed, in some cases, we have shown that the use of the A-H formulation allows to reduce the simulation time. The model developed from this formulation is therefore an interesting tool for future dimensioning work and the development of superconductor applications at GREEN laboratory. We have also dimensioned and numerically studied a complete inductor model allowing one or more superconductors to be magnetised simultaneously. We study two configurations: prototype I for magnetising a single superconductor (2D problem) and prototype II for magnetising three superconductors (3D problem). Both configurations are solved by considering the electromagnetic and thermal phenomena as well as the coupling with the circuit equations feeding the inductor. The simulations showed that the temperature rise in the superconductor of about 10 Kelvin generated during the PFM magnetisation affected the trapped magnetic field. It was observed that the presence of one or more superconducting bulks did not affect the current pulse in the inductor. The maximum trapped field obtained numerically for prototype I was 706 mT and 736 mT for prototype II. The results obtained were then compared with the simulation results. However, some of the superconductors exhibited strong inhomogeneity in their properties, which resulted in a reduction in the experimentally observed trapped magnetic field. Hypotheses were made to try to reproduce numerically these inhomogeneities and their effects. However, this numerical calculation can only be done by 3D modelling without the possibility of using symmetries, and leads to a calculation time of up to several days. Experimentation with prototypes resulted in a maximum trapped magnetic field of 686 mT when one pellet was magnetised, while it was 606 mT when several pellets were magnetised simultaneously. Lowering the temperature by using another cryogenic fluid such as liquid hydrogen or another cooling system would increase this trapped magnetic field value to much higher values for the targeted electrical engineering applications

Dans le cadre de la réduction des émissions des gaz à effet de serre, et devant l'augmentation incessante du prix de l'énergie, la course à l'amélioration des performances énergétiques touche tous les secteurs : industriel, tertiaire ou même celui des particuliers. La consommation de l'énergie électrique est due en grande partie aux moteurs électriques, et particulièrement les machines asynchrones, utilisées dans diverses applications telles que le pompage, la ventilation ou la compression. Ces machines sont caractérisées par des rendements relativement faibles et leur remplacement par des machines plus performantes permettrait un gain d'énergie non négligeable. Les machines à aimants permanent ayant pouvoir de démarrage autonome sont de bonnes candidates pour répondre à ce besoin. Elles ont de très bons rendements et les artifices supplémentaires permettant le démarreur automne suppriment la nécessité d'utiliser des convertisseurs statiques comme dans le cas des machines à aimants classiques. Des contraintes spécifiques se posent cependant pour l'utilisation et le dimensionnement de ces machines : en effet, le courant de démarrage ne doit pas être trop important à cause du risque de démagnétiser les aimants et le couple de démarrage doit être suffisamment grand pour assurer un démarrage en charge. Par ailleurs les rendement et facteurs de puissance en pleine charge doivent être assez nettement supérieurs à ceux des machines asynchrones pour les rendre plus compétitives. Dans cette thèse, nous étudions trois structures de rotor permettant de répondre à un cahier des charges donné. Ces trois structures utilisent des aimants en surface, insérés dans un rotor massif ou dans un rotor à cage. Elles ont leurs avantages et leurs inconvénients, que nous avons mis en évidence par une étude comparative assez détaillée. Cette étude comparative n'a pu être mise en oeuvre sans l'établissement de modèles en régime statique ou dynamique de ces machines ou encore de méthodologie de conception. Un prototype à échelle réduite a été dimensionné, réalisé et testé au laboratoire ; il confirme les principes de base de ce type de machines
In the context of reducing emissions of greenhouse effect, and of energy cost, the competition to improve the performances of the equipments affects all the domains. The consumption of electricity is mostly due to the electric motors, and particularly induction machines, used in various devices such as pumps, fans or compressors. These machines are characterized by relatively low efficiencies, and their replacement by more efficient machines should lead to a significant power saving. The Line-Start Permanent Magnet motors are good candidates to achieve this purpose. They have higher efficiencies and the additional devices for self-start eliminates the need of static converters, as it is normally required for conventional permanent magnet motors. Specific constraints arise for the use and the design of these machines: the starting current should not be so high to avoid the risk of the demagnetization of magnets and the starting torque must be large enough to ensure the start under load. Moreover, the efficiency and power factor at full load must be sufficiently higher than those of asynchronous machines in order to make them more competitive. In this thesis, we study three rotor structures to meet a given specification. These three structures use magnets inserted on the surface, embedded in a solid rotor or a cage rotor. They have their advantages and drawbacks that we have shown by a comparative study in some detail. This comparative study could not be implemented without the development of models in both static and dynamic conditions of these machines and a specific design methodology. A small scale of prototype has been designed, built and tested in the laboratory; it confirms the basic principles of such machines

Dans le cadre de la réduction des émissions des gaz à effet de serre, et devant l'augmentation incessante du prix de l'énergie, la course à l'amélioration des performances énergétiques touche tous les secteurs : industriel, tertiaire ou même celui des particuliers. La consommation de l'énergie électrique est due en grande partie aux moteurs électriques, et particulièrement les machines asynchrones, utilisées dans diverses applications telles que le pompage, la ventilation ou la compression. Ces machines sont caractérisées par des rendements relativement faibles et leur remplacement par des machines plus performantes permettrait un gain d'énergie non négligeable. Les machines à aimants permanent ayant pouvoir de démarrage autonome sont de bonnes candidates pour répondre à ce besoin. Elles ont de très bons rendements et les artifices supplémentaires permettant le démarreur automne suppriment la nécessité d'utiliser des convertisseurs statiques comme dans le cas des machines à aimants classiques. Des contraintes spécifiques se posent cependant pour l'utilisation et le dimensionnement de ces machines : en effet, le courant de démarrage ne doit pas être trop important à cause du risque de démagnétiser les aimants et le couple de démarrage doit être suffisamment grand pour assurer un démarrage en charge. Par ailleurs les rendement et facteurs de puissance en pleine charge doivent être assez nettement supérieurs à ceux des machines asynchrones pour les rendre plus compétitives. Dans cette thèse, nous étudions trois structures de rotor permettant de répondre à un cahier des charges donné. Ces trois structures utilisent des aimants en surface, insérés dans un rotor massif ou dans un rotor à cage. Elles ont leurs avantages et leurs inconvénients, que nous avons mis en évidence par une étude comparative assez détaillée. Cette étude comparative n'a pu être mise en oeuvre sans l'établissement de modèles en régime statique ou dynamique de ces machines ou encore de méthodologie de conception. Un prototype à échelle réduite a été dimensionné, réalisé et testé au laboratoire ; il confirme les principes de base de ce type de machines
In the context of reducing emissions of greenhouse effect, and of energy cost, the competition to improve the performances of the equipments affects all the domains. The consumption of electricity is mostly due to the electric motors, and particularly induction machines, used in various devices such as pumps, fans or compressors. These machines are characterized by relatively low efficiencies, and their replacement by more efficient machines should lead to a significant power saving. The Line-Start Permanent Magnet motors are good candidates to achieve this purpose. They have higher efficiencies and the additional devices for self-start eliminates the need of static converters, as it is normally required for conventional permanent magnet motors. Specific constraints arise for the use and the design of these machines: the starting current should not be so high to avoid the risk of the demagnetization of magnets and the starting torque must be large enough to ensure the start under load. Moreover, the efficiency and power factor at full load must be sufficiently higher than those of asynchronous machines in order to make them more competitive. In this thesis, we study three rotor structures to meet a given specification. These three structures use magnets inserted on the surface, embedded in a solid rotor or a cage rotor. They have their advantages and drawbacks that we have shown by a comparative study in some detail. This comparative study could not be implemented without the development of models in both static and dynamic conditions of these machines and a specific design methodology. A small scale of prototype has been designed, built and tested in the laboratory; it confirms the basic principles of such machines

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale des pertes singulières dans les matériaux magnétiques au sein d’actionneurs électromécaniques conçus pour le développement du programme « avion plus électrique », où la maîtrise des pertes d’énergie est un enjeu absolument majeur. Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l’avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c’est possible.Par pertes singulières on entend toutes les pertes liées aux contraintes magnéto-mécano-thermiques liées d’une part à la mise en œuvre (découpe, assemblage contraint, isolation, traitement thermique...) des matériaux et d’autre part aux conditions réelles de fonctionnement (champ tournant, haute fréquence, saturations locales...) au sein des machines électriques (HV/HF), et qui sont très difficiles à estimer précisément de façon analytique ou via les dispositifs conventionnels de tests. Ces sollicitations influencent les caractéristiques de tôles qui peuvent s’éloigner significativement des données du fabricant (donc fausser le calcul des performances).Au début de cette thèse on s’est focalisé sur le montage d’un banc d’essai évolutif équipé de moyens de mesure directe du couple et d’une machine d’entraînement (8 ktr/min ; 42 kW) tarée par nos soins. Sur cette dernière une longue campagne d’essais a été menée pour isoler les différentes composantes de pertes, dont, par exemple, les pertes mécaniques (par frottement dans les roulements + aérodynamiques) qui ont été quantifiées via un rotor neutre. Les pertes dans les aimants sont indissociables des pertes fer, donc, elles ont été estimées par le biais d’une modélisation par éléments finis tridimensionnelle. Les pertes dans la frette de maintien sont nulles du fait qu’elle est isolante (thermo-rétractable). Le bobinage utilisé dans ce moteur est très particulier, à barres massives (remplissage de cuivre dans l’encoche jusqu’à 90%), développé dans notre laboratoire IES. Les pertes atypiques au sein de ce bobinage spécial ont été profondément abordées dans ces travaux (effet de refoulement de courants, pertes aux extrémités de la machine...).Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons exploré le fonctionnement des machines synchrones à aimants à haute fréquence afin d’accroître la densité de puissance de nos moteurs (pour franchir la barre de 2.5 kW/kg). Pour ce faire, après une étude détaillée, nous avons proposé en premier lieu un prototype avec des matériaux standard (stator FeCo Vacodur49 0.2mm, rotor FeSi, aimants NdFeB nuance N35EH, bobinage à barres cuivre) fonctionnant à 1666 Hz, tournant à 5000 tr/min, avec une densité de puissance de 4.5 kW/kg et un rendement de 94%. En second lieu, nous avons proposé un deuxième prototype de rendement plus faible (93%) mais qui a une densité de puissance proche de 6 kW/kg avec un rotor sans fer et un bobinage en Aluminium.Avant le montage final de ce prototype modulaire, nous avons effectué des mesures de pertes magnétiques, en conditions réelles de fonctionnement d’un moteur électrique, sur une multitude de tôles FeSi et FeCo (Vacodur49, NO20, M270-35A) avec la variation de différents procédés de fabrication: isolation (vernis thermo-collant « back-lack », vernis C5), découpe (laser, électroérosion) et traitement thermique. Pareillement, toutes les pertes mises en jeu ont été séparées (mécaniques, par courants induits dans les viroles...) pour pouvoir remonter aux pertes magnétiques et, donc, enfin, quantifier empiriquement le coefficient de majoration de pertes fer
The main aim of this thesis was to study and experimentally assess the additional iron losses in the stator (electrical lamination steel) of high performance permanent magnet synchronous machines (PMSM) designed for aircraft applications, in relation with the “more-electric-aircraft” project. This international program consists of gradually introducing electrical systems to replace onboard hydraulic and pneumatic systems, for example to power the landing gear wheels (Electric Green Taxiing System)…The extra iron losses are caused by manufacturing processes (cutting, sticking, insulation, stacking, pressing, shrink-fitting, thermal treatment …) and the real conditions of use of electrical motor (namely: rotational flux, saturation, high frequency…). Indeed, the mechanical and thermal stresses during the manufacturing steps can deteriorate the magnetic properties of the material and significantly increase the iron losses. These aspects are difficult to accurately evaluate by analytical models or standard measurements (Epstein frame…) and require experimental assessment to precisely calculate the motor efficiency.First of all, we started by developing a test bench equipped with drive motor: PMSM 8000 RPM ; 42 kW. For accurate assessment, the losses in this machine are separated on the test bench, for example, the mechanical losses (bearings loss & windage loss) have been measured at different speed with a non-magnetic rotor. Rotor magnets eddy-current losses cannot be isolated from iron losses, for this reason they have been calculated using a 3D finite element model. To limit rotor loss we then used a non-conductive retaining sleeve (heat shrink sleeve). In the winding, we used bar-wound conductors, which is an original winding technology developed in our laboratory, and whose advantage among others is the unusual copper fill factor that reaches almost 90%.Subsequently, we explored the high frequency machines (>1 kHz) in order to increase the power-to-weight ratio (cross the threshold of 2.5 kW/kg). We proposed, the following to the analytical and finite element study, a first conventional prototype with a power-to-weight ratio equal to 4.5 kW/kg with: FeCo stator (Vacodur49 0.2 mm), FeSi rotor and NdFeB magnets (N35EH), operated at 1666 Hz, 5000 RPM and 94% efficiency at full load. A second motor had been also proposed with both rotor and winding in aluminum, in this case the power-to-weight ratio reaches around 6 kW with, however, less efficiency (93%).Finally, this HF motor was tested, at no load, on the aforementioned test bench. The experiments were carried out on a multitude of FeCo and FeSi stator core samples coming from different manufacturing processes (insulation: bonding varnish and C-5 varnish; cutting: laser and EDM “Electrical Discharge Machining”; thermal treatment) in real operating conditions of a high frequency PM machine in order to experimentally obtain the famous “additional coefficient” of iron losses (Kadd)

La solidification d'un alliage liquide en presence d'un champ magnetique statique est une methode originale permettant d'elaborer des materiaux polycristallins orientes. D'excellents resultats de texturation sont obtenus experimentalement avec des composes samarium-cobalt, sous la forme d'alliages binaires comme le smco#5 ou substitues sm(co, cu, fe, zr)#z (z variant de 5 a 8,34), dans des conditions de solidification tres diverses (en creuset froid inductif, en creuset refractaire, par coulee). Grace a un champ magnetique de quelques tesla, les echantillons sont orientes cristallographiquement ; leur direction de facile aimantation est parallele a celle du champ applique pendant la solidification. Un taux d'orientation optimal des echantillons solidifies sous champ, en creuset froid inductif, est obtenu des 3 tesla. L'analyse de l'evolution des taux d'orientation en fonction du champ applique et les mesures de la susceptibilite paramagnetique des alliages aux temperatures de fusion et de solidification permettent d'estimer un volume des cristallites anisotropes, presentes dans le liquide, qui s'orientent a la solidification. Ce volume est de l'ordre de 10#-#3 micron#3. L'orientation par solidification sous champ est appliquee a l'elaboration d'aimants permanents de la famille des sm#2co#1#7. Des champs coercitifs de 30 koe (2390 ka/m) et des densites d'energie magnetique superieures a 20 mgoe (160 kj/m#3) sont obtenus avec des aimants massifs et anisotropes. Ces performances sont tout a fait comparables a celles des materiaux frittes commercialises actuellement. Le procede ouvre donc la voie a une nouvelle methode d'elaboration d'aimants permanents qui peut s'averer etre une alternative aux techniques de metallurgie des poudres utilisees industriellement