La consommation importante de nos réserves énergétiques mondiale ainsi que la sensibilisation actuelle aux problèmes d'écologie imposent aux fabricants d'augmenter le rendement de leurs systèmes électromécaniques. L'étude menée dans ce rapport s'intéresse au calcul des pertes magnétiques, méconnues bien que représentant une part non négligeable dans les bilans de puissance. Pour ce faire, nous avons astucieusement instrumenté magnétiquement et thermiquement une machine asynchrone. Ceci nous permet de localiser et d'étudier l'évolution des inductions lors de conditions de fonctionnements variées. A cette fin, un banc d'essai nous permettant d'agir sur divers paramètres (tension, fréquence, couple) a été réalisé. Dans le même temps, une modélisation numérique fine du système est menée avec le logiciel Flux2D. Elle intègre le maximum de phénomène électrique et mécanique : alimentation, cage d'écureuil, effets de bord, température des conducteurs, mouvement du rotor. La cartographie magnétique ainsi obtenue est comparée et validée par rapport aux résultats issus de l'instrumentation. Un modèle de calcul d'hystérésis dynamique basé sur la connaissance de l'induction et de sa dérivée temporelle est ensuite appliqué à chaque élément du maillage. Ce dernier permet une représentation fidèle des phénomènes magnétiques statiques et dynamiques des tôles. Validé sur des geometries simples pour différentes formes d'ondes, il est ici appliqué au cas complexe d'une machine tournante. Les résultats obtenus à vide comme en charge confirment ses performances vis-à-vis des modèles utilisés actuellement dans l'industrie.

Dans ce travail, nous proposons une approche essentiellement expérimentale. Dans une première partie, nous exposons les résultats obtenus par imagerie rapide et mesures électriques corrélées dans le temps, concernant l'étude de la transition entre des électrodes de cuivre dans l'air et l'argon, et entre des électrodes de tungstène dans l'argon pour des pressions comprises entre 100 mbar et 1 bar. Dans aucun cas une transition à l'arc n'est observée sans constriction quasi-totale de la colonne positive. Dans le cas d'électrodes en tungstène dans l'argon, la vitesse d'extension de la zone filamentaire depuis l'anode vers la cathode a été vue dépendante de la pression et de l'intensité. La durée d'une transition spontanée a été linéairement corrélée à la distance inter-électrode, suggérant un mécanisme propagatif à vitesse constante dans la colonne. Plus la pression est élevée, plus la durée totale des transitions est longue ; par ailleurs, à pression constante, cette durée de transition spontanée décroît à intensité croissante, pour tendre vers une durée limite, correspondant à la durée constante de changement de structure de la zone cathodique. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'échauffement de surfaces d'anodes et de cathodes en cuivre dans l'air et dans l'argon soumises à des arcs électrique pour plusieurs gammes de courant (de 30 à 120 A). Deux méthodes de mesures sont utilisées. Enfin, nous utilisons les mesures de températures de surface pour proposer deux modèles simples de bilan de puissance à la surface des électrodes (flux de chaleur). L'un considère uniquement le chauffage dû au spot d'arc et l'autre le chauffage supplémentaire de la colonne d'arc.

Les arcs électriques de défaut se produisant entre deux câbles endommagés peuvent donner lieu à un phénomène appelé " arc tracking ", qui se caractérise par le maintien et la propagation de cet arc le long des câbles, entraînant leur ablation progressive. Dans un réseau aéronautique, un tel défaut peut avoir de graves conséquences lorsqu'il apparaît au sein d'un toron de câbles, d'autant plus qu'il est susceptible de se transférer à une structure avoisinante. Un dispositif expérimental a été développé pour l'étude de ce phénomène. Il est constitué d'une alimentation conçue selon des spécifications propres au domaine aéronautique, permettant de générer un signal continu ou alternatif pendant une durée réglable. Afin de se rapprocher des conditions de vol (pression réduite à haute altitude), les essais sont effectués au sein d'une enceinte fermée, soit à 1 bar, soit à 95 mbar. Trois types de câbles sont testés, un en aluminium et deux en cuivre. En régime continu, ils sont reliés au + et au - de l'alimentation, et à deux phases en régime alternatif. Une plaque en aluminium, représentant la structure de l'avion et connectée au neutre du générateur en régime alternatif, est placée en regard de la partie dénudée des câbles, là où se produit l'arc, permettant un éventuel transfert de l'arc depuis les câbles vers cette plaque. Chaque test s'accompagne de l'acquisition systématique des signaux de courant et de tension, et deux capteurs de flux radiatif sont positionnés autour de l'arc. Une caméra rapide permet la visualisation du comportement de l'arc au cours de l'essai. Enfin, les échantillons de câbles sont pesés avant et après chaque test. Un bilan de puissance est réalisé pour les différentes configurations testées (courant, pression, câbles), afin d'estimer la répartition de la puissance totale entre les électrodes (fusion et vaporisation des câbles, conduction, rayonnement) et la colonne de plasma (rayonnement, conduction, convection). La part transférée aux électrodes est estimée au moyen de la valeur de la chute de tension aux électrodes et du courant. Une partie de cette puissance aux électrodes est à l'origine de la fusion et de la vaporisation des câbles (le matériau isolant comme le métal). Celle-ci est estimée grâce à un calcul thermodynamique à partir de la masse de câble ablatée, en considérant que la totalité a été fondue et que 1% a été vaporisé. La puissance transmise à la colonne d'arc est en partie rayonnée, mais le spectre de longueurs d'onde inférieures à 200 nm est absorbé dès les premiers microns d'air, et une estimation est effectuée à partir du calcul coefficient d'émission nette. Une partie importante de l'étude a porté sur le transfert de l'arc à la plaque en aluminium, en fonction de la distance entre les câbles et cette plaque et selon un critère de température en face arrière, mesurée par thermographie infrarouge. Il a ainsi été montré qu'à pression réduite l'arc est beaucoup plus diffus, et a tendance à s'accrocher à la plaque en aluminium à des distances environ deux fois plus grandes qu'à pression atmosphérique. Cependant, la puissance totale disponible étant inférieure d'environ 20%, les dégâts à la plaque en aluminium sont moins importants. / Fault electric arcs occurring between two damaged wires may lead to a phenomenon called "arc tracking", which consists in a maintaining and propagating arc along the cables, causing their progressive ablation. In an aeronautical network, such a fault may have serious consequences if it happens within a wiring harness, especially as it is likely to transfer to a nearby structure. An experimental setup has been developed to study this phenomenon. It consists of a power supply designed in accordance with aeronautical specifications, which enables to generate a direct or alternating signal during an adjustable time. In order to reproduce flight conditions in a better way (low pressure at high altitude), tests are carried out within a closed chamber, whether at 1 bar pressure, or at 95 mbar pressure. Three types of cables are tested, one mainly made of aluminium and two mainly made of copper. In direct regime, they are connected to the + and the - poles of the generator, and to two phases in alternating regime. An aluminium plate, representing the aircraft structure and connected to the neutral in alternating regime, is placed in front of the stripped part of the cables, where the arc occurs, enabling a potential transfer of the arc from the cables toward the plate. Every test involves a systematic acquisition of the current and voltage signals, and two radiative flux sensors are positioned around the arc. A fast camera enables a viewing of the arc behaviour during the test. Finally, the sample is weighed before and after each test. A power balance is realised for the various tested configurations (current, pressure, cables), in order to estimate the distribution of the total power between the electrodes (fusion and vaporisation of the cables, but also conduction and radiation) and the plasma column (radiation, conduction, convection). The amount of power that is transferred to the electrodes is estimated with the value of the electrode voltage drop and the current. Part of this power makes the cables melt and vaporise (the insulating material as well as the metal), it is estimated with a thermodynamic calculation based on the ablated mass of cable, considering that the whole has been molten, and 1% vaporised. The amount of power transmitted to the arc column is partly radiated, but the wavelength spectrum emitted below 200 nm is absorbed through the very first microns in air, and estimation is made involving the calculation of the net emission coefficient. A significant part of the study was related to the transfer of the arc toward the aluminium plate, as a function of the distance between the cables and that plate, and according to a temperature criterion at the back side, by means of infrared thermography. Thus, it was shown that at low pressure, the arc is much less localised, and tends to transfer to the aluminium plate at distances around twice bigger than at atmospheric pressure. However, the total available power is around 20% smaller, and the damage caused to the aluminium plate is less severe.

Dans ce travail, nous proposons une approche essentiellement expérimentale. Dans une première partie, nous exposons les résultats obtenus par imagerie rapide et mesures électriques corrélées dans le temps, concernant l’étude de la transition entre des électrodes de cuivre dans l’air et l’argon, et entre des électrodes de tungstène dans l’argon pour des pressions comprises entre 100 mbar et 1 bar. Dans aucun cas une transition à l’arc n’est observée sans constriction quasi-totale de la colonne positive. Dans le cas d’électrodes en tungstène dans l’argon, la vitesse d’extension de la zone filamentaire depuis l’anode vers la cathode a été vue dépendante de la pression et de l’intensité. La durée d’une transition spontanée a été linéairement corrélée à la distance inter-électrode, suggérant un mécanisme propagatif à vitesse constante dans la colonne. Plus la pression est élevée, plus la durée totale des transitions est longue ; par ailleurs, à pression constante, cette durée de transition spontanée décroît à intensité croissante, pour tendre vers une durée limite, correspondant à la durée constante de changement de structure de la zone cathodique. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l’échauffement de surfaces d’anodes et de cathodes en cuivre dans l’air et dans l’argon soumises à des arcs électrique pour plusieurs gammes de courant (de 30 à 120 A). Deux méthodes de mesures sont utilisées. Enfin, nous utilisons les mesures de températures de surface pour proposer deux modèles simples de bilan de puissance à la surface des électrodes (flux de chaleur). L’un considère uniquement le chauffage dû au spot d’arc et l’autre le chauffage supplémentaire de la colonne d’arc. / In this work, an approach which is essentially experimental is proposed. In the first part, results are presented which were obtained by synchronized fast camera imaging and electrical measurements. These concern the study of the transition between copper electrodes in air and in argon, and between tungsten electrodes in argon for gas pressure in the range 100 mbar – 1 bar. In no case was the transition to arc been observed without the quasi-total constriction of the positive column. Considering tungsten electrodes in argon, the propagation speed of the filamentary part of the positive column from the anode to the cathode was found to be dependent on the gas pressure and the discharge current intensity. During spontaneous transition, the transition duration has been linearly correlated to the electrode gap, suggesting a propagative mechanism with a constant speed. The higher the pressure, the longer is the total transition duration. For a constant pressure and discharge current, the duration of spontaneous transition decreases with decreasing gap distance toward a limiting value, which corresponds to the constant duration of the structural change of the cathode root from diffuse to spot. In the second part, heating of copper anodes and copper cathodes submitted to electric arcs in air and in argon and for various current intensity values (from 30A to 120 A) is considered. Two measurement methods are used. Finally, the surface temperature measurements are used to purpose two models of the electrode surface power balance (heat flux). One model only considers the heating due to the arc spot and the second one considers a supplementary heating from the arc column.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse de doctorat caractérisent de manière cohérente la physique des plasmas d'argon à la pression atmosphérique en présence d'espèces réactives. Ces travaux sont motivés par les lacunes manifestes de la compréhension des plasmas froids à la pression atmosphérique, celles-ci étant en grande partie dues au nombre restreint de techniques de diagnostic permettant de les caractériser. Dans ce contexte, des diagnostics optiques permettant l'obtention des propriétés fondamentales (température du gaz et des électrons, densité d'états excités) sont d'abord développés et validés tant pour les plasmas microonde que pour les décharges à barrière diélectriques d'argon à la pression atmosphérique. En particulier, une méthode couplant des mesures d'émission optique des transitions 2p-1s de l'argon à un modèle collisionnel-radiatif décrivant la population des niveaux émetteurs 2p permettant d'obtenir la température des électrons est présentée, de même qu'un moyen d'obtenir la température du gaz à l'aide de mesures d'élargissement spectral de raies et la densité d'états métastables de l'argon à l'aide de mesures de spectroscopie d'absorption par diode laser accordable en longueur d'onde. Par la suite, ces diagnostics optiques sont employés pour étudier l'influence de l'ajout de gaz diatomiques dans un plasma microonde, mettant en évidence l'efficacité avec laquelle ils en viennent à dominer la cinétique de la décharge en absorbant la majorité de la puissance fournie au plasma. Une comparaison entre le bilan de puissance des électrons qu'ils permettent de calculer à celui d'un diagnostic électrique est également effectué dans le cas d'une décharge à barrière diélectrique d'argon en présence de précurseurs d'anhydrides. Finalement, les propriétés fondamentales de deux conffgurations de jets de plasmas s'écoulant dans l'air ambiant, l'une radiofréquence, l'autre microonde, sont également examinées. Dans le premier cas, les effets de l'air ambiant sur ces propriétés sont mis de l'avant, alors que dans le second cas, la position d'injection du précurseur organosilicié HMDSO dans le jet de plasma est évaluée pour le dépôt de revêtements fonctionnels sur des substrats de verre. Ces derniers travaux révèlent l'obtention d'un revêtement antibuée dans des conditions opératoires spécifiques, un résultat fort prometteur pour l'industrie du verre. / The research done in this Ph.D. thesis consistently characterizes the physics of argon plasmas at atmospheric pressure in the presence of reactive species. This work is motivated by the obvious deficiencies in the understanding of cold plasmas at atmospheric pressure, which are largely due to the limited number of diagnostic techniques used to characterize them. In this context, optical diagnostics allowing the obtaining of fundamental properties (gas and electron temperature, number density of excited species) are first developed and validated in a microwave argon plasma as well as in a dielectric barrier discharge in argon at atmospheric pressure. In particular, a method coupling optical emission measurements of argon 2p-1s transitions to collisional-radiative modelling of the emitting 2p levels is presented in order to get the electron temperature, as well as a means to obtain the gas temperature by the spectral broadening of emission lines and the number density of argon metastable states from tunable laser diode absorption spectroscopy measurements. Subsequently, these optical diagnostics are used to study the influence adding diatomic gases in microwave argon plasmas, highlighting the efficiency with which they start dominating the discharge kinetics by absorbing most of the supplied power. A comparison between the electron power balance calculated from such optical diagnostics to that obtained from electrical diagnostics is also made in the case of an argon-based dielectric barrier discharge with anhydride precursors. Finally, the fundamental properties of two plasmas jet configurations (one radiofrequency, the other microwave) expanding in ambient air are also examined. In the first case, the effects of ambient air on these properties are featured, while in the second case, the injection position of the organosilicon precursor HMDSO in the plasma jet is studied for the deposition of functionnal coatings on glass substrates. The latter reveals the obtaining of an antifog coating under specific operating conditions, a very promising result for the glass industry.