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In recent years, societal and environmental challenges, particularly in the context of the energy transition, have resulted in strong demand in the field of increasing the energy efficiency of electrical machines. In this context, manufacturers must imperatively improve the performance of their machines, and, in fact, the reduction of losses is a key point. If there are several loss sources in electrical machines and some of them are well controlled, such as Joule losses, this is not the case for iron losses. The predetermination of the latter is still associated with several technological and scientific issues due, in particular, to the complexity of microstructure and the magnetization dynamics of ferromagnetic materials but also to their coupling with thermal and mechanical. Indeed, on this last point, it is clearly established in the literature that thermal and mechanical stresses have a significant effect on the magnetic properties of ferromagnetic materials. In order to illustrate the problems related to iron losses, the present work is carried out in collaboration with the company JEUMONT Electric. It manufactures electrical machines, especially high power, most often individually according to customer requests and more rarely in several copies. The industrial problem linked to the implementation of a procedure for controlling iron losses is different here from that encountered in mass production, such as in the automotive sector. Indeed, the dimensions and powers involved being very varied, it is above all a question of setting up a generic approach applicable to any machine. In practice, significant differences can be observed between the iron losses estimated during the design phase of the machine and those measured, on the test platforms, after manufacture of the machine. It is also important to note that these differences can be variable for two identical machines (same power range, similar manufacturing line) since, in one case, the estimated Iron losses are close to those measured and, in the other case, a significant difference can be observed. In the most extreme case, a ratio of two has already been observed between the estimated losses and those measured. To explain these discrepancies, one of the explication concerns the impact of manufacturing processes on the performance of magnetic cores used for the manufacture of electrical machines. Indeed, design tools most often integrate models of materials, and iron losses, associated with the initial properties of electrical steels and do not take into account the shaping and assembly processes (cutting, compaction, shrink-fittage, ...) that occur during the manufacturing process. These will, through mechanical and thermal stresses, potentially degrade the magnetic properties of electrical steels. One of the challenges of this thesis is therefore to quantify the effect of the manufacturing processes of the company JEUMONT Electric on the magnetic properties of magnetic circuits (relative magnetic permeability, iron losses). The manufacture of an electrical machine being the result of a series of manufacturing processes, it is preferable to be interested in the effects of each of the potentially impactful processes in order to be able to quantify them and have a more complete and detailed understanding of the phenomena involved. For this, dedicated experimental mocks-up representative of the manufacturing processes selected for our study will have to be carried out in order to characterize their effects on magnetic properties. Thus, the study of the effect of these processes has several objectives. First, it makes it possible to identify the impacting manufacturing: if the state of the art allows us to identify potentially impactful processes, the effect of all manufacturing processes are, on the one hand, not studied in the literature and, on the other hand, the JEUMONT Electric manufacturing processes have their specificities that should be studied experimentally. Secondly, the identification of these processes must be accompanied by a quantification of their effects on the magnetic properties for the analysis of the phenomena and impacting parameters involved but also, from an industrial point of view, to be able to possibly act on these parameters to reduce their harmful effects. Finally, taking these effects into account in the design process, through magneto-mechanical and/or magneto-thermal models, will also make it possible to make design tools more efficient. The work was carried out within the L2EP (Laboratory of Electrotechnics and Power Electronics of Lille) in collaboration with the MSMP (Laboratory of Mechanics, Surface, Materials and Manufacturing Processes) and the company JEUMONT Electric. The first chapter will address the main concepts necessary for a good understanding of the rest of the work. The second chapter will focus on the "manufacturing processes" aspects. In this context, the objectives of this work will initially be recalled. Then we will present in detail the JEUMONT Electric manufacturing processes. A state of the art will then be carried out on the effects of manufacturing processes on the properties of magnetic circuits but also on the performance of electrical machines. The third, fourth and fifth chapters will be devoted to the presentation of experimental work and numerical simulations for the study of the impacts, on electrical steels, of the three manufacturing processes selected, namely compaction, impregnation and cuttiing (mechanical and laser). Each chapter will address one of these processes. For each of them, the process will be described and the experimental model(s) developed will be presented as well as the associated experimental protocols. The results will be presented and discussed in order to lead, particularly for compaction and cutting processes, to the first development of models aimed at taking into account the effect of these processes. Finally, the limits and prospects of the work carried out will be described for each of the processes studied.; Au cours des dernières années, les défis sociétaux et environnementaux, notamment dans le cadre de la transition énergétique, se sont traduits par une forte demande dans le domaine de l’accroissement de l’efficacité énergétique des machines électriques. Dans ce contexte, les industriels doivent impérativement améliorer le rendement de leurs machines, et, de fait, la réduction des pertes devient nécessairement est un point clé. S’il existe plusieurs postes de pertes dans les machines électriques et que certains d’entre eux sont bien maitrisés, comme les pertes par effet Joule, ce n’est pas le cas des pertes Fer. La prédétermination de ces dernières est encore associée à plusieurs verrous technologiques et scientifiques du fait, notamment, de la complexité de microstructure et de la dynamique d’aimantation des matériaux ferromagnétiques mais aussi de leur couplage avec la thermique et la mécanique. En effet, sur ce dernier point, il est clairement établi dans la littérature que les contraintes thermiques et mécaniques ont un effet notable sur les propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques. Afin d’illustrer, de manière pratique et concrète les problématiques liées aux pertes Fer, les présents travaux sont menés en collaboration avec l’entreprise JEUMONT Electric. Celle-ci fabrique des machines électriques, notamment de fortes puissances, le plus souvent à l’unité en fonction des demandes clients et plus rarement en plusieurs exemplaires. La problématique industrielle liée à la mise en place d’une procédure permettant la maîtrise des pertes Fer est ici différente de celle rencontrée dans les productions en grande série, comme par exemple dans le secteur automobile. En effet, les dimensions et puissances mises en jeu étant très variées, il s’agit surtout de mettre en place une démarche générique applicable à n’importe quelle machine. En pratique, des écarts significatifs peuvent être observés entre les pertes Fer estimées lors de la phase de conception de la machine et celles mesurées, sur les plateformes d’essais, après fabrication de la machine. Il est aussi important de noter que ces écarts peuvent être variables pour deux machines a priori identiques (même gamme de puissance, chaîne de fabrication similaire) puisque, dans un cas, les pertes Fer estimées sont proches de celles mesurées et, dans l’autre cas, une différence notable peut être observée. Dans le cas le plus extrême, un rapport deux a déjà été observé entre les pertes estimées et celles mesurées. Pour expliquer ces écarts, l’une des pistes privilégiées dans la littérature concerne l’impact des procédés de fabrication sur les performances des noyaux magnétiques utilisés pour la fabrication des machines électriques. En effet, les outils de conception intègrent le plus souvent des modèles de matériaux, et de pertes Fer, associés aux propriétés initiales des aciers électriques, i.e. celles fournies dans les catalogues des fournisseurs, et ne tiennent pas compte des procédés de mise en forme et d’assemblage (découpe, compactage, frettage, …) qui interviennent au cours du processus de fabrication. Ceux-ci vont, par le biais de contraintes mécaniques et thermiques, potentiellement dégrader les propriétés magnétiques des aciers électriques. L’un des enjeux de cette thèse consiste donc à quantifier l’effet des procédés de fabrication de l’entreprise JEUMONT Electric sur les propriétés magnétiques des circuits magnétiques (perméabilité magnétique relative, pertes Fer). La fabrication d’une machine électrique étant le résultat de la mise en œuvre d’une suite de procédés, il est préférable de s’intéresser aux effets de chacun des procédés potentiellement impactant afin de pouvoir les quantifier et avoir une compréhension plus complète et plus fine des phénomènes mis en jeu. Pour cela, des maquettes expérimentales dédiées et représentatives des procédés de fabrication sélectionnés pour notre étude devront être réalisées afin de caractériser leurs effets sur les propriétés magnétiques. Ainsi, l’étude de l’effet de ces procédés a plusieurs objectifs. Premièrement, cela permet d’identifier les procédés impactant au sein de la chaîne de fabrication JEUMONT Electric : si l’état de l’art nous permet d’identifier des procédés potentiellement impactant, tous les procédés de la chaîne de fabrication industrielle évoquée ne sont, d’une part, pas étudiées dans la littérature et, d’autre part, les procédés de fabrication JEUMONT Electric ont leurs spécificités qu’il convient d’étudier expérimentalement. Deuxièmement, l’identification de ces procédés doit s’accompagner d’une quantification de leurs effets sur les propriétés magnétiques pour l’analyse des phénomènes et paramètres impactant mis en jeu mais aussi, d’un point de vue industriel, de pouvoir éventuellement agir sur ces paramètres pour en réduire les effets néfastes. Enfin, la prise en compte de ces effets dans la chaîne de conception, à travers des modèles magnéto-mécaniques et/ou magnéto-thermiques, permettra aussi de rendre les outils de conception plus performants. Les travaux ont été réalisés au sein du L2EP (Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille) en collaboration avec le MSMP (Laboratoire de Mécanique, Surface, Matériaux et Procédés de Fabrication) et l’entreprise JEUMONT Electric. La présente thèse s’articule autour de cinq chapitres : Le premier chapitre abordera les principales notions nécessaires à la bonne compréhension de la suite des travaux. Le second chapitre, lui, se focalisera sur les aspects « procédés de fabrication ». Dans ce cadre, les objectifs des présents travaux seront, dans un premier temps, rappelés. Puis nous présenterons de manière détaillée la chaîne de fabrication JEUMONT Electric. Un état de l’art sera ensuite réalisé sur les effets des procédés de fabrication sur les propriétés des circuits magnétiques mais aussi sur les performances des machines électriques. Les troisième, quatrième et cinquième chapitres seront quant à eux dédiés à la présentation des travaux expérimentaux et des simulations numériques pour l’étude des impacts, sur les aciers électriques, des trois procédés de fabrications retenus, à savoir le compactage, l’imprégnation et la découpe mécanique et laser des aciers électriques. Chaque chapitre abordera l’un de ces procédés. Pour chacun d’entre eux, le procédé sera décrit et la/les maquette(s) expérimentale(s) développée(s) sera/seront présentée(s) ainsi que les protocoles expérimentaux associés. Les résultats seront présentés et discutés pour aboutir, notamment pour les procédés de compactage et de découpe, à des premiers développements de modèles visant à tenir compte de l’effet desdits procédés. Finalement, les limites et les perspectives des travaux effectués seront décrites pour chacun des procédés étudiés. |
