La difficulté majeure de la modélisation numérique par éléments finis des empilements de tôles contenant des défauts d’isolement réside dans le facteur multi-échelle (stator, courts-circuits et vernis isolants). En effet, cet important facteur d’échelle reste un défi pour la raison principale que la finesse de représentation dépend du nombre d’éléments utilisés, ce qui implique des tailles mémoires et des temps de calculs excessifs rendant la réalisation d’un maillage adapté à l’échelle de chaque milieu irréalisable. Ainsi, l’objectif de ce travail a été de modéliser des empilements de tôles contenant des défauts de type courts-circuits entre tôles avec précision tout en ayant des temps de calcul acceptables. Cela, en homogénéisant des volumes ne nécessitant pas forcément une grande précision et en laissant telles quelles les zones où se trouvent des défauts avec une modélisation fine. La difficulté se situe au niveau du couplage entre les parties homogénéisées et les matériaux hétérogènes. L’approche de couplage développée nous permet d’obtenir directement le régime permanent et de prendre en compte la nature non-linéaire des tôles ferromagnétiques. L’approche de couplage a été validée à partir de résultats issus d’une modélisation classique en considérant des défauts sous différentes conditions. Une modélisation thermique a également été développée pour nous permettre d’estimer l’élévation de température d’un défaut. Les résultats de notre approche de couplage montrent une bonne concordance et démontrent la capacité de l’approche à modéliser un empilement de tôles contenant des défauts avec précision tout en réduisant les temps de calculs. / The major difficulty to model lamination stacks with defects using finite element method is the multi-scale nature of lamination stacks. Indeed, this important scale factor stays a challenge, because of the fineness of the representation that depends on the number of elements used, which implies memory sizes and excessive computation times making the realization of a fine mesh adapted to the scale of each subdomain unworkable. Thus, the objective of this work was to model lamination stacks containing short-circuit with precision with an acceptable number of unknowns and computation times, by homogenizing volumes that do not necessarily require great precision and leaving subdomains containing defects with fine modeling. The difficulty of this approach is the coupling between the homogenized parts and the heterogeneous materials. The coupling approach allows us to directly obtain the steady state and takes into account the non-linear nature of the ferromagnetic laminations. The coupling approach has been validated by comparing its results to a classical approach without homogenization, especially considering defects under different conditions. Thermal modeling has also been developed to estimate the temperature rise of a defect. Comparing the results of our coupling approach with a conventional approach shows good agreement. These results demonstrate the ability of the proposed coupling approach to model a lamination stacks with defects accurately with computation time reduction.

Depuis longtemps, les dispositifs ou systèmes électromagnétiques sont omniprésents dans les milieux industriel et domestique. Le circuit magnétique de ces systèmes est un des éléments clefs d'une conversion énergétique efficace. Outre l'optimisation de la géométrie du circuit magnétique, la maîtrise de l'efficacité énergétique passe par l'utilisation de matériaux magnétiques performants et par une connaissance approfondie de leur comportement, notamment sous contraintes élevées comme les températures et fréquences élevées que l'on rencontre de plus en plus aujourd'hui. Notre travail s'intègre dans le cadre des recherches menées par l'équipe matériaux du laboratoire AMPERE, notamment sur les modèles comportementaux de matériaux magnétiques. Partant de nombreuses caractérisations expérimentales en fonction de la température, nous avons développé un modèle " dynamique " adapté à différents types de matériaux ferromagnétiques, et permettant de simuler rapidement l'influence de la température sur le fonctionnement permanent et transitoire de systèmes électromagnétiques simples. Il s'appuie sur l'association des modèles d'hystérésis de Jiles-Atherton et dit " tubes de flux ". Ce modèle, et la démarche associée de couplage entre phénomènes magnétique, thermique et électrique, sont validés sur un capteur de courant et une inductance. Les résultats confirment l'importance de l'effet de la température sur les performances des systèmes, et la pertinence de disposer d'un tel modèle pour optimiser ces systèmes

Les travaux de thèse visent à utiliser les modèles éléments finis pour l'optimisation de systèmes multidynamiques. Les modèles éléments finis sont en effet rarement utilisés en optimisation car ils génèrent des temps de calcul trop importants. Pour réduire le temps global d'optimisation, le temps de simulation du modèle lui-même peut être diminué, mais le nombre d'évaluations du modèle peut aussi être limité. Dans cette optique, les stratégies d'optimisation multigranularités sont appliquées, permettant de corriger ou de créer des modèles rapides pour l'optimisation à partir de quelques évaluations d'un modèle initial. Ce modèle est un système multidynamique intégrant un modèle éléments finis. La modélisation d'un tel système est effectuée via la méthode de relaxation des formes d'onde qui permet un couplage efficace en un temps raisonnable. Le temps de calcul est encore réduit par l'application aux modèles éléments finis électromagnétiques de méthodes de réduction de modèle. La méthode de relaxation des formes d'onde est appliquée à la modélisation d'un transformateur. Le transformateur est ensuite optimisé par des méthodes de space mapping et de krigeage. La méthode de relaxation des formes d'onde permet également le couplage d'un modèle électromagnétique non linéaire de type éléments finis avec un redresseur commandé et un modèle thermique éléments finis / These works aim at using finite element models in optimisation of multirate systems. Indeed, the finite element models are rarely used in optimisation because their computation time is too high. To reduce the duration of the optimisation process, simulation time of the model can be reduced, but the number of evaluations of the model can also be limited. In this perspective, multi-level optimisations are applied. They allow to correct or create fast models for the optimisation from a few number of evaluations of an initial model. The model is a multirate system including a finite element model. The modeling of such a system is done by waveform relaxation method which allows an efficient coupling in an acceptable computation time. Computation time is further reduced by applying model order reduction to the finite element models.The waveform relaxation method is applied to the modeling of a transformer. Then the transformer is optimised by space mapping and kriging techniques. The waveform relaxation method also allows the coupling of a finite element type electromagnetic non linear model with a rectifier and a finite element thermal model

Nous présentons une contribution à la modélisation tridimensionnelle des phénomènes électromagnétiques et thermiques couplés dans les matériaux supraconducteurs à haute température critique. La méthode des volumes finis est adoptée comme méthode de résolution des équations aux dérivées partielles caractéristiques aux phénomènes physiques traités. Le couplage électromagnétique thermique est assuré par un algorithme alterné. L’ensemble des modèles mathématico-numériques ainsi développés et implémentés sous Matlab, sont appliqués pour étudié le comportement des supraconducteurs dans le cadre des paliers magnétiques et pour étudier le comportement des supraconducteurs durant le processus d’aimantation. Les résultats à caractère magnétique et ceux à caractère thermique sont largement présentés. La validité du travail proposé est atteinte par comparaison des résultats ainsi obtenus à ceux donnés par l’expérimentation. / We present a contribution for three-dimensional modeling of coupled electromagnetic and thermal phenomena in high temperature superconductor. The control volume method is used for the resolution of the partial derivative equations characterising of the treated physical phenomena. The electromagnetic and thermal coupling is ensured by an alternate algorithm. All mathematical and numerical models thus developed and implemented in Matlab software, are used for the simulation. The results in magnetic term and those in thermal term are largely presented. The validity of the suggested work is reached by the comparison of the results so obtained to those given by the experiment.

Depuis longtemps, les dispositifs ou systèmes électromagnétiques sont omniprésents dans les milieux industriel et domestique. Le circuit magnétique de ces systèmes est un des éléments clefs d’une conversion énergétique efficace. Outre l’optimisation de la géométrie du circuit magnétique, la maîtrise de l’efficacité énergétique passe par l’utilisation de matériaux magnétiques performants et par une connaissance approfondie de leur comportement, notamment sous contraintes élevées comme les températures et fréquences élevées que l’on rencontre de plus en plus aujourd’hui. Notre travail s’intègre dans le cadre des recherches menées par l’équipe matériaux du laboratoire AMPERE, notamment sur les modèles comportementaux de matériaux magnétiques. Partant de nombreuses caractérisations expérimentales en fonction de la température, nous avons développé un modèle « dynamique » adapté à différents types de matériaux ferromagnétiques, et permettant de simuler rapidement l’influence de la température sur le fonctionnement permanent et transitoire de systèmes électromagnétiques simples. Il s’appuie sur l’association des modèles d’hystérésis de Jiles-Atherton et dit « tubes de flux ». Ce modèle, et la démarche associée de couplage entre phénomènes magnétique, thermique et électrique, sont validés sur un capteur de courant et une inductance. Les résultats confirment l’importance de l’effet de la température sur les performances des systèmes, et la pertinence de disposer d’un tel modèle pour optimiser ces systèmes / Since a long time, systems and electrical devices are everywhere in the industrial and domestic environments. The magnetic core of these systems is a key for achieving energy conversion efficiency. Apart from the geometry optimization, high performance materials are mandatory for obtaining an effective energy conversion, as well as deep knowledge of their behaviour. The choice of materials is even more important when strong constraints are imposed, like high temperature and high frequency, which are more and more met nowadays. Our work is taken on in the context of the research activity on the modeling of the behaviour of magnetic materials of the “materials” team of AMPERE-Lab. Starting from a large number of experimental characterizations of materials at different temperatures, we have developed a “dynamic” model adapted to the different kinds of magnetic materials, which allows to quickly simulate the effect of temperature on the steady-state and transient regime of simple electromagnetic systems. It is founded on using Jiles-Atherton’s hysteresis models together with the so called “flux tubes”. This modelling and the associated approach of coupling electrical, thermal and magnetic phenomena are validated on a current sensor and an inductance. The results confirm the importance of the effect of the temperature on the performances of systems, and the interest of having such a model so as to optimizing these systems