Caractérisation des matériaux magnétiques et modélisation des pertes fer dans le stator des machines électriques fonctionnant à haute fréquence

Le travail proposé est le résultat d’une collaboration entre le Laboratoire Laplace et l’IRT SaintExupéry. Il s’inscrit dans un projet visant à améliorer l’intégration des systèmes électriques afin d’électrifier les aéronefs. Le développement de l’énergie électrique à bord des aéronefs a de nombreux avantages : gain de masse, optimisation facilitée, … Plus précisément, c’est l’utilisation des machines électriques qui est ici étudiée. Actionneur, compresseur, beaucoup de système utilisant des énergies non-électriques peuvent être remplacés par des machines électriques. Comme dans tout système de conversion d’énergie, des pertes sont présentes et ce sont les pertes magnétiques, appelées perte fer, qui sont au cœur de cette thèse. Le réseau électrique avion, ainsi que les dispositifs de commande de ces machines, induisent une large augmentation de la proportion des pertes fer par rapport aux autres pertes. Les rendements diminuent et c’est surtout leur prédiction qui pose problème : les machines électriques sont surdimensionnées par sécurité, elles deviennent moins efficaces et le gain en masse est réduit. C’est pourquoi il est indispensable d’une part de comprendre le comportement des matériaux magnétiques utilisés dans les machines électriques dans des conditions non-idéales : il s’agit de la caractérisation des matériaux magnétiques. D’autre part, il est nécessaire d’améliorer les modèles de pertes fer afin de rendre leur prédiction efficace et optimiser le dimensionnement des machines électriques. Plus leur prédiction sera précise, plus les facteurs d’influence sur les pertes seront déterminés. Il sera alors possible d’envisager une optimisation plus globale de la chaîne électromécanique. Cette thèse est une première étape vers cette intégration globale. La caractérisation des matériaux fut faite sous diverses conditions. Tout d’abord, des champs magnétiques B unidimensionnels ont été étudiés. L’influence de leur spectre sur les pertes fer était au cœur de cette caractérisation : influence de l’amplitude ou de la fréquence dans le cas de champs sinusoïdaux, puis de la fréquence et de la phase d’harmoniques dans le cas de spectre plus complexes. Les pertes fer sont très sensibles à ces paramètres, ils sont donc à prendre en compte dans le dimensionnement des machines électriques. La modélisation des pertes proposée ensuite passe par une reconstitution du cycle d’hystérésis. Il s’agit donc de prédire le champ B à partir du champ H. Basée sur le modèle Play, la modélisation quasi-statique scalaire développée a montré sa précision et sa prédictibilité. Cependant, étant scalaire et quasi-statique, ce modèle ne fonctionne pas en fréquence. Un modèle analytique de courants de Foucault ainsi que des propositions de dynamisation ont été développés. Le modèle de courants de Foucault permettrait de tenir compte des effets de fréquence et donc de compléter le modèle quasi-statique

Phénomènes hors équilibres de l'Univers inflationnaire en théorie quantique des champs

In this thesis I study the reheating era of the inflationarry Universe. This makes the link between the inflation of the Universe and the hot Big-Bang model. During it, the inflaton decays into matter which thermalises by its self interaction giving a statistical descirption to the Universe content. This work is realised in the quantum filed theory setup using out-of-equilibrium methods such as the 2-Particle- Irreducible effective action wich allows to deal with the usual difficulties of out-of-equilibrium quantum field theory. First I study the case where matter is represented by scalar fields then by fermionic degrees of freedom, where classical approximation does not exist. I expand the effective action to the Next-to-Leading Order in an inverse number of matter fields expansion wich allows to explore theories where the matter is strongly coupled to itself. In a second part I study the decoherence of primordial density fluctuations. The Inflaton can be seen as a qunatum coherent condensateand its decay as a decoherence. This decoherence and this loss of purity is strongly related to the loss of information an observer has on the system if he's retrained to the Gaussian correlation functions subspace. This work shows that, even in the unusual case where the system is not coupled to an external thermal and/or incoherent environment, this one loose its initial coherence and purity to product degrees of freedom or entropy.Dans cette thèse j'étudie le reheating de l'Univers inflationnaire. Cette ère fait le lien entre l'inflation de l'Univers et le modèle du Big- Bang chaud. Pendant celle-ci, l'Inflaton se désintègre en matière qui, via ses propres intéractions, thermalise et donne une description statistique au contenu de l'Univers. Ce travail est réalisé dans le cadre d'une théorie quantique des champs utilisant des méthodes hors équilibre telle que l'action effective 2-Particule-Irreductible permettant de faire face aux difficultés de la théorie quantique des champs hors équilibre traditionelle. J'étudie premièrement le cas où la matière produite peut être décrite par des champs scalaires puis par des degrés de liberté fermioniques, où l'approximation classique n'existe pas. Je développe l'action effective à l'ordre sous dominant d'un développement non perturbatif en inverse du nombre de champs de matière ce qui permet d'explorer des théories où la matière est fortement couplée à elle-même. Dans une deuxième partie j'étudie la décohérencedes fluctuations primordiales de densité. L'inflaton peut être vu comme un condensat quantiquement cohérent et sa désintégration comme une décohérence de celui-ci. Cette décohérence et perte de pureté est fortement liée à la perte d'information qu'un observateur a sur le système si il se restreint au sousespace Gaussien des fonctions de corrélations. Cette étude montre que, même dans le cadre peu habituel où le système n'est pas en intéraction avec un environnement extérieur incohérent et/ou thermique, celui-ci perd sa pureté et sa cohérence initiale au profit d'une production du nombre de degré de liberté ou d'entropie

Experimental Study of Iron Losses Generated by a Uniform Rotating Field

This paper introduces a mock-up with a solid iron cylinder rotating in a fixed excitation frame powered by dc current. A uniform field is created in the rotating cylinder, which is driven by an external motor. The braking torque is measured, allowing the study of iron losses generated by a uniform rotating field. The aim is to advance toward a vector iron loss model that takes into account different magnetization directions and their interdependency. The eddy current losses are the dominant loss source in the mock-up, rendering it easier to model. A standard eddy currents model is proposed. It models well the losses at low and medium magnetic flux density, but lower losses are measured near saturation levels. This could be due to the high thickness to radius ratio changing the eddy current paths near the edges of the rotor, which can be later analyzed by a full 3-D finite-element method analysis. A 2-D finite-element method simulation is performed, which estimates the magnetic flux heterogeneity in the rotor. Several lessons are drawn from this mock-up, which prepares a second version with a higher speed and a longer laminated stack rotor. A higher air gap will decrease the voltage fluctuation in the primary winding, a smaller angular opening of the excitation frame will improve the uniformity of the flux in the rotor

Modeling quasi-static magnetic hysteresis: a new implementation of the play model based on experimental asymmetrical B(H) loops

This paper relates a new model of quasi-static magnetic hysteresis based on the Play model hysterons, which builds the magnetic field density B from the magnetic field H. In the original model, H is discretized into temporal values H(t m ), which is itself modeled by a hysteron chain of m sub-values. B is then reconstructed from these sub-values through a function experimentally determined by measuring B(H) centered cycles, using a constraint optimization method. The new proposed method is to measure asymmetrical B(H) loops, which give additional equations leading to a fully determined linear square invertible system. The asymmetrical B(H) loop is included in a bigger symmetrical loop with a magnetic flux density turnaround in order to be regulatable

Prosper: image and robot-guided prostate brachytherapy

Brachytherapy for localized prostate cancer consists in destroying cancer by introducing iodine radioactive seeds into the gland through hollow needles. The planning of the position of the seeds and their introduction into the prostate is based on intra-operative ultrasound (US) imaging. We propose to optimize the global quality of the procedure by: i) using 3D US; ii) enhancing US data with MRI registration; iii) using a specially designed needle-insertion robot, connected to the imaging data. The imaging methods have been successfully tested on patient data while the robot accuracy has been evaluated on a realistic deformable phantom

Design of Computer Experiments: a powerful tool for the numerical design of BAW filters

We apply Design of Computer Experiments methods to the simulation of piezoelectric stacks and the design of BAW resonators and filters. Through the example of DCS filters with two different technologies (Iridium and Molybdenum electrodes), we show that the definition and the exploitation of a metamodel can accurately replace acoustic simulations and allows therefore a much faster material stack desig

Influence du spectre de l’induction magnétique sur les pertes fer dans les stators de machines électriques

Cet article propose d’étudier expérimentalement la pertinence d’une analyse harmonique pour le calcul des pertes fer dans les matériaux magnétiques des machines électriques afin d’améliorer la représentativité de leurs modèles. Un banc d’essai avec un hystérésigraphe pouvant générer diverses formes d’ondes et mesurer les pertes fer induites sur des échantillons magnétiques sera utilisé. Des formes d’ondes sinusoïdales de différentes fréquences et amplitudes ont été étudiées seules, puis combinées entres elles. Ensuite l’influence de la phase des harmoniques a été observée. Il a ainsi été possible d’analyser l’impact de formes d’ondes complexes sur les pertes fer et collecter de nouvelles données afin d’établir ultérieurement des modèles de pertes fer sous spectre d’induction complex

Measurement of magnetic hysteresis swelling-up with frequency: impact on iron losses in electric machine sheets

This paper relates to the measurement and the modeling of iron losses in electric machines by studying the influence of frequency on magnetic hysteresis. Indeed, increasing frequency involves a swelling-up of the hysteresis loop, influencing several magnetic properties and so iron losses. The proposed study is to characterize a FeSi NO20 steel sheet under sinusoidal waveform at different level of magnetic flux density by varying the frequency. The measurements provide information about the magnetic behavior under frequency variation. Then, iron losses are decomposed to highlight their different components, as hysteretic or eddy current losses. The perspective of the study is to improve a quasi-static model of hysteresis based on the play model by turning it into a dynamic one. Finally, taking into account dynamic effect involves a far better accuracy of iron losses modeling

Medical image computing and computer-aided medical interventions applied to soft tissues. Work in progress in urology

Until recently, Computer-Aided Medical Interventions (CAMI) and Medical Robotics have focused on rigid and non deformable anatomical structures. Nowadays, special attention is paid to soft tissues, raising complex issues due to their mobility and deformation. Mini-invasive digestive surgery was probably one of the first fields where soft tissues were handled through the development of simulators, tracking of anatomical structures and specific assistance robots. However, other clinical domains, for instance urology, are concerned. Indeed, laparoscopic surgery, new tumour destruction techniques (e.g. HIFU, radiofrequency, or cryoablation), increasingly early detection of cancer, and use of interventional and diagnostic imaging modalities, recently opened new challenges to the urologist and scientists involved in CAMI. This resulted in the last five years in a very significant increase of research and developments of computer-aided urology systems. In this paper, we propose a description of the main problems related to computer-aided diagnostic and therapy of soft tissues and give a survey of the different types of assistance offered to the urologist: robotization, image fusion, surgical navigation. Both research projects and operational industrial systems are discussed