A partir d'une demarche progressive, ce travail est une contribution a la modelisation<br />des arcs electriques dans les appareils de coupure basse tension : Ie disjoncteur. Ie contacteur,<br />1'interrupteur et Ie sectionneur. La modelisation 2D d'un arc libre dans 1'argon a permis de<br />valider Ie code de calcul et d'etudier 1'influence des parametres geometriques, physiques et<br />numeriques sur les grandeurs caracteristiques du plasma thermique. A partir de cette etude,<br />une modelisation 3D en regime stationnaire d'un arc de electrique dans Pair a 50 A est<br />realisee pour chaque dispositif de coupure. L'angle d'ouverture des contacts ainsi que la<br />presence des amenees de courant sont pris en consideration. Deux fbrmes particulieres sont<br />analysees : une forme en « U » dans Ie cas du disjoncteur et une forme en « S » dans Ie cas du<br />contacteur, de 1'interrupteur et du sectionneur. Les resultats mettent en exergue 1'influence<br />d'un champ magnetique externe sur Ie galbe, la forme de 1'arc electrique.

Ce travail propose une méthode de compensation des vibrations à l'aide d'actionneurs piézoélectriques appliquée à des structures type stator de machines à réluctance variable, dans le but d'en diminuer le bruit acoustique. L'étude précise la problématique du bruit émis par ces machines, et analyse les composantes de vibration à compenser. L'introduction des actionneurs piézoélectriques et leur utilisation pour la compensation des vibrations nous ont amené à développer un modèle analytique de l'action des pastilles sur la structure. Ce dernier est comparé aux résultats obtenus par la méthode des éléments finis, puis utilisé afin d'optimiser le dimensionnement et le placement de ces actionneurs. Plusieurs contrôleurs numériques sont développés et testés sur des prototypes expérimentaux pour valider l'efficacité de la solution. Enfin, une étude de l'effet d'échelle pour évaluer la viabilité de cette compensation sur des structures plus importantes termine le mémoire.

Cette thèse porte sur la simulation et la réduction du bruit acoustique d’origine magnétique des alternateurs à griffes ainsi que sur la compréhension des phénomènes mis en jeu dans la génération du bruit. La structure, les différents composants et les particularités du bruit acoustique de l’alternateur à griffes sont détaillés dans la première partie. La problématique ainsi que l’approche générale de cette thèse sont ensuite exposées. Cette approche se base sur la simulation du bruit acoustique d’origine magnétique. Un état de l’art des études sur le bruit acoustique d’origine magnétique des machines électriques est présenté dans la seconde partie. Les modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques utilisés pour l’étude de ces machines ainsi que les principales solutions de réduction du bruit sont exposés. Les nouvelles approches de modélisation électromagnétique et vibro-acoustique de la machine à griffes sont développées dans la troisième partie. Deux modèles électromagnétiques sont étudiés : un modèle numérique qui repose sur l’utilisation de la méthode des éléments finis et un modèle hybride qui allie le modèle numérique à un modèle analytique. Ce dernier s’appuie sur la décomposition de l’induction magnétique dans l’entrefer en un produit d’une fonction de perméance avec une fonction de force magnétomotrice. Chaque fonction prend en compte les variations axiales dues à la géométrie des griffes. Ce modèle nécessite toutefois l’utilisation d’un modèle numérique afin de prendre en compte la saturation et les forces tangentielles. Un modèle mécanique purement numérique est ensuite construit. Il permet de prendre en compte la géométrie exacte des pièces ainsi que les contacts entre les pièces. Ce modèle mécanique est développé grâce à la corrélation avec des mesures et porte principalement sur trois parties de l’alternateur : le paquet de tôles du stator, le bobinage du stator et l’assemblage stator-paliers. Enfin, les simulations acoustiques avec les modèles numériques sont comparées aux mesures et permettent de retrouver les principaux pics de bruit des alternateurs. Dans la quatrième partie, des études de sensibilités sont menées afin de déterminer les paramètres les plus influents sur le bruit acoustique d’origine magnétique des machines à griffes. Ces études montrent l’influence importante de la géométrie du rotor, du bobinage stator et de la température sur le bruit. Les modifications de la structure ainsi que les imperfections étudiées (i.e. défauts de forme et excentricité) ont une influence moindre. Les caractéristiques des forces magnétiques ainsi que les influences des forces radiales et tangentielles sont ensuite exposées. Finalement, des exemples d’optimisation du rotor sont traités avec les deux modèles électromagnétiques (numérique et hybride). Un prototype est réalisé pour valider expérimentalement les résultats des simulations et un gain de 10 dB est obtenu sur la puissance acoustique. / This thesis aims at simulating and reducing the acoustic noise due to magnetic forces of claw-pole automotive alternators. It also aims at improving the understanding of the noise generation mechanisms. In the first part, the assembly of the claw-pole alternator and its different parts are described. The particularities of the acoustic noise of the alternator are also given. Then, the problem as well as the global approach, based on the vibro-acoustic simulation, are explained. The second part is a review of the studies on the acoustic noise from a magnetic origin of electrical machines. The models used to study these machines as well as the main noise reduction solutions are detailed. In the third part, new electromagnetic and vibro-acoustic models are developed. Two electromagnetic models are considered : a finite element model and a hybrid model which couples the finite element model with an analytical model. This analytical model computes the airgap magnetic flux density as the product of a permeance and a magnetomotive force functions. Each function takes the variations of the claw-pole geometry along the axial direction into account. Saturation and tangential forces are taken into account thanks to the finite element model. Then, a finite element mechanical model is developed. Three unknown parameters of the model are determined thanks to the correlation between the model and experimental data, namely : the equivalent materials of the stator stack and the windings and the contact conditions between the stator and the brackets. Finally, acoustic simulations are compared with measurements. A good correlation is achieved between simulated and measured noise peaks. In the fourth part, sensitivity studies are carried out in order to determine the most influential parameters on the acoustic noise of claw-pole alternators. These studies show the significant influence of the claw-pole geometry, the stator windings and the temperature on the acoustic noise. Structural modifications and studied faults have a smaller influence. Characteristics of the magnetic forces as well as the influences of radial and tangential forces are then detailed. In the end, optimizations with the finite element and the hybrid models are presented. A prototype is built and acoustic measurements show a 10 dB decrease of the sound power level.

Cette thèse porte sur la modélisation du couplage magnéto-mécanique, qui se manifeste à travers l'action de forces d'origine magnétique. Un outil de modélisation multiphysique, qui combine une formulation intégrale de volume pour le problème magnétique et une formulation éléments finis pour le problème mécanique, est développé. Dans une première partie, la résolution de problèmes magnétostatiques linéaires et non linéaires par une formulation intégrale de volume en potentiel scalaire est abordée. Les avantages et inconvénients de cette formulation sont mis en évidences, parmi lesquelles l'assemblage et le stockage de matrices pleines. Afin de palier à ces limitations, la méthode de compression par approximation en croix adaptative est utilisée afin de réduire l'espace mémoire et le temps de calcul requis. La seconde partie concerne l'implémentation du couplage magnéto-mécanique. Les méthodes des travaux virtuels et du tenseur de Maxwell sont tout d'abord mises en oeuvre dans le cadre d'une formulation intégrale de volume, afin de calculer les forces magnétiques locales et globales. La résolution du problème mécanique par la méthode des éléments finis est ensuite abordée. Un premier essai sur la modélisation d'un micro-actionneur à l'aide de l'outil développé est proposé.

Les fluides à seuil ont des propriétés mécaniques étonnantes : en dessous d'une certaine contrainte, appelée contrainte seuil, le fluide se comporte comme un solide. Au-delà de la contrainte seuil, ils s'écoulent comme un gel. Ce mémoire porte sur l'étude des actions des forces magnétiques volumiques sur ces fluides. Nous étudions la possibilité de réaliser la transition solide-gel à partir des forces magnétiques volumiques créées par différents dispositifs magnétiques. Ces fluides n'ont pas de propriétés magnétiques particulières. Il est donc nécessaire de créer des champs magnétiques intenses pour agir sans contact sur ces fluides. Nous étudions différentes configurations magnétiques capables de dépasser la contrainte seuil au sein du fluide. L'influence des différents paramètres des configurations magnétiques est explorée, notamment à l'aide d'études paramétriques. Notre travail mêle des équations de magnétostatique et de mécanique des fluides non-newtoniens. Les calculs de magnétostatique sont menés de façon analytique alors que la partie mécanique et le couplage magnéto-mécanique sont traités par un logiciel de simulation numérique par la méthode des éléments finis. Les conditions magnétiques et mécaniques nécessaires à la transition solide-gel et à la modification d'écoulements de fluides à seuil sont discutées, notamment à l'aide de simulations numériques et de nombres adimensionnels / Yield stress fluids have amazing mechanical properties: below a particular shear stress, called yield stress, the fluid behaves like a solid. Once the yield stress is exceeded, they flow like a viscous fluid or a gel. This thesis deals with the effects of magnetic volume forces on these fluids. We study the opportunity of the solid-gel transition from magnetic volume forces created by various magnetic devices. These fluids have no special magnetic properties. It is therefore necessary to create intense magnetic fields to act without contact on these fluids. We study different magnetic configurations that are able to exceed the yield stress in the fluid. The influences of different parameters of the magnetic configurations is explored, including using parametric studies. Our work combine equations of magnetostatic and non-newtonian fluid mechanics. Magnetostatic calculations are carried out analytically, while the mechanical and magneto-mechanical coupling are processed by a finite element analysis software. Magnetic and mechanical conditions required to the solid-gel transition and to the modification of yield stress fluids flows are discussed, using numerical simulations and dimensionless numbers

Les fluides à seuil ont des propriétés mécaniques étonnantes : en dessous d'une certaine contrainte, appelée contrainte seuil, le fluide se comporte comme un solide. Au-delà de la contrainte seuil, ils s'écoulent comme un gel. Ce mémoire porte sur l'étude des actions des forces magnétiques volumiques sur ces fluides. Nous étudions la possibilité de réaliser la transition solide--gel à partir des forces magnétiques volumiques créées par différents dispositifs magnétiques. Ces fluides n'ont pas de propriétés magnétiques particulières. Il est donc nécessaire de créer des champs magnétiques intenses pour agir sans contact sur ces fluides. Nous étudions différentes configurations magnétiques capables de dépasser la contrainte seuil au sein du fluide. L'influence des différents paramètres des configurations magnétiques est explorée, notamment à l'aide d'études paramétriques. Notre travail mêle des équations de magnétostatique et de mécanique des fluides non-newtoniens. Les calculs de magnétostatique sont menés de façon analytique alors que la partie mécanique et le couplage magnéto-mécanique sont traités par un logiciel de simulation numérique par la méthode des éléments finis. Les conditions magnétiques et mécaniques nécessaires à la transition solide--gel et à la modification d'écoulements de fluides à seuil sont discutées, notamment à l'aide de simulations numériques et de nombres adimensionnels.

Nous étudions l'effet thermo-électrique et les phénomènes qui en résultent, forces et les courants thermoélectriques (TEC) sous l'action d'un champ magnétique externe imposé lors de la solidification d'alliages métalliques. Nous avons utilisé des simulations numériques, des observations directes et des examens de laboratoire. L'interaction entre les courants thermo-électriques et le champ magnétique externe lors de la solidification se produit des forces électromagnétiques et donc un écoulement du métal liquide. Le résultat est nommé effet magnétique thermoélectrique (TEME). Les formulations de TEC, les forces et les équations gouvernant les écoulements TEM sont donnés. Afin de mieux prouver l'existence de la TEME, des expériences par méthode d'imagerie à rayons X menées au synchrtron ont été utilisées pour observer in-situ et en temps réel l'action directe des forces et les mouvements TEM pendant la solidification directionnelle des alliages Al-Cu. Nous avons montré la cohérence raisonnable entre les calculs analytiques et des simulations numériques qui ont exécuté avec les mêmes conditions de traitement. En outre, la capacité des écoulements thermo-électriques à influer sur la microstructure lors de la solidification directionnelle sont expérimentalement évaluées dans les autres cas en réalité. La solidification directionnelle d'une seule phase de formation des alliages Al-Cu sous divers champs magnétiques montre que les écoulements TEM sont capables de modifier la forme de l'interface liquide-solide conduisant à des morphologies différentes. L'effet le plus intense se produit dans différents champs magnétiques pour différentes morphologies, en effet, le champ magnétique élevé est nécessaire pour la morphologie a une plus petite longueur typique. Ceci est en accord avec le comportement des vitesses de TEM qui varient avec les champs magnétiques imposés ainsi que les différentes échelles de longueur typique. Cette variation est confirmée par des simulations numériques 3D. Nous montrons que les dendrites primaires et à l'avant de la phase eutectique, peuvent être modifiés par les mouvements TEM et les forces de TEM dans le solide pour améliorer la croissance de la phase de Al2Cu facettes primaire pendant la solidification des Al-40wt%Cu hypereutectiques. Le mécanisme de renforcement de la croissance de la phase facettes Al2Cu est confirmé par la transmission électronique observation au microscope, et la raison de la formation de la structure de croissance de couple de Al-26wt% Cu alliages est vérifiée par le test de l'analyse thermique différentielle. Ainsi, nous pouvons affirmer que le champ magnétique élevé facilite la formation de la structure de la croissance de couple pour hypoeutectiques alliages Al-Cu, et favorise la croissance de la phase Al2Cu primaire pour hypereutectiques Al-Cu alliages.

Nous étudions l'effet thermo-électrique et les phénomènes qui en résultent, forces et les courants thermoélectriques (TEC) sous l'action d'un champ magnétique externe imposé lors de la solidification d'alliages métalliques. Nous avons utilisé des simulations numériques, des observations directes et des examens de laboratoire. L'interaction entre les courants thermo-électriques et le champ magnétique externe lors de la solidification se produit des forces électromagnétiques et donc un écoulement du métal liquide. Le résultat est nommé effet magnétique thermoélectrique (TEME). Les formulations de TEC, les forces et les équations gouvernant les écoulements TEM sont donnés. Afin de mieux prouver l'existence de la TEME, des expériences par méthode d'imagerie à rayons X menées au synchrtron ont été utilisées pour observer in-situ et en temps réel l'action directe des forces et les mouvements TEM pendant la solidification directionnelle des alliages Al-Cu. Nous avons montré la cohérence raisonnable entre les calculs analytiques et des simulations numériques qui ont exécuté avec les mêmes conditions de traitement. En outre, la capacité des écoulements thermo-électriques à influer sur la microstructure lors de la solidification directionnelle sont expérimentalement évaluées dans les autres cas en réalité. La solidification directionnelle d'une seule phase de formation des alliages Al-Cu sous divers champs magnétiques montre que les écoulements TEM sont capables de modifier la forme de l'interface liquide-solide conduisant à des morphologies différentes. L'effet le plus intense se produit dans différents champs magnétiques pour différentes morphologies, en effet, le champ magnétique élevé est nécessaire pour la morphologie a une plus petite longueur typique. Ceci est en accord avec le comportement des vitesses de TEM qui varient avec les champs magnétiques imposés ainsi que les différentes échelles de longueur typique. Cette variation est confirmée par des simulations numériques 3D. Nous montrons que les dendrites primaires et à l'avant de la phase eutectique, peuvent être modifiés par les mouvements TEM et les forces de TEM dans le solide pour améliorer la croissance de la phase de Al2Cu facettes primaire pendant la solidification des Al-40wt%Cu hypereutectiques. Le mécanisme de renforcement de la croissance de la phase facettes Al2Cu est confirmé par la transmission électronique observation au microscope, et la raison de la formation de la structure de croissance de couple de Al-26wt% Cu alliages est vérifiée par le test de l'analyse thermique différentielle. Ainsi, nous pouvons affirmer que le champ magnétique élevé facilite la formation de la structure de la croissance de couple pour hypoeutectiques alliages Al-Cu, et favorise la croissance de la phase Al2Cu primaire pour hypereutectiques Al-Cu alliages. / We have investigated the thermoelectric magnetic (TEM) forces and flows resulting from the interaction between the internal thermoelectric currents (TEC) and the imposed external magnetic field during solidification. Numerical simulations, direct observations and experimental examinations were undertaken. As the natural phenomenon, TEC was discovered almost 200 years ago, therefore, our introduction begins from then on. It is shown that the interaction between TEC and external magnetic field during solidification in the cont put forth new interesting phenomena in the context of a rising field named Electromagnetic Processing of Materials. After that, it is discussed how the TEC appear and the TEM effect (TEME, referring to both TEM forces and flows) behaves at the liquid-solid interface in directional solidification under external magnetic field. Meanwhile, formulations of TEC, TEM forces and flows are given, and numerical simulations of TEME are performed to visually display the TEM forces and flows. In order to further prove the existence of TEME, in situ synchrotron X-ray imaging method was used to observe the direct resultant of TEM forces and flows during directionally solidifying the Al-Cu alloys. The observations show reasonable consistency with the analytical calculations and numerical simulations performed with the same process conditions. Except confirmation the existence of TEME, its abilities to affect the microstructure during directional solidification are experimentally investigated in the more realistic cases. The single phase forming Al-Cu alloys are directionally solidified under various magnetic fields, which shows that TEM flows are capable to modify the shape of liquid-solid interface, and the most intensive affect occurs under different magnetic fields for different interface morphologies. Indeed, the smaller the typical length of the morphology is the higher the magnetic field is needed. This agrees with the estimating regulation of the velocity of TEM flows changing with magnetic fields for different typical length scales, and is confirmed by 3D numerical simulations. Directional solidification of multiphase forming Al-Cu alloys under various magnetic fields shows that the mushy zone length (distance between the front of primary dendrites and eutectic phases) varies with the magnetic fields, which can be attributed to the redistribution of rejected solutes by TEM flows. In addition, apparent enhanced growth of the primary faceted Al2Cu phase is founded when Al-40wt%Cu alloys are solidified under sufficient high magnetic fields, this should be ascribed to the TEM forces acting on the solid because strains are able to lead the formation of defects and thus benefit to the growth of faceted phase. This is confirmed by comparison of the dislocations in samples solidified without and with a 10T magnetic field via transmission electron microscopy observation. In another aspect, an almost entire couple growth structure is achieved when Al-26wt%Cu alloys are directionally solidified under a 4T magnetic field, which can be explained by the effect of high magnetic field on changing the nucleation temperature and growth velocity of each phase. Moreover, the differential thermal analysis test on the nucleation temperature of both α-Al and eutectic phases verified this explanation. Therefore, we conclude that high magnetic field facilitates the formation of couple growth structure for hypoeutectic Al-Cu alloys, reversely, enhances the growth of primary dendrite for hypereutectic Al-Cu alloys.