Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire concernent la modélisation de lois statiques et dynamiques de matériaux dédiés à des applications de l'électrotechnique. Le titre de ce mémoire est volontairement plus général afin de montrer que ces travaux de recherche ne demandent qu'à être élargis. Les études traitées à ce jour portent sur la modélisation du comportement de matériaux magnétiques utilisés pour des dispositifs de l'électrotechnique. Une voie à venir sera de s'intéresser aux matériaux innovants et nouveaux dédiés aux applications de l'électronique de puissance et de prendre en compte les contraintes liées à leur environnement. Depuis plusieurs décennies, une course est lancée vers l'accroissement des performances technologiques et énergétiques des dispositifs du domaine du génie électrique. La miniaturisation, l'intégration, l'efficacité énergétique ou le fonctionnement avec des conditions sévères d'alimentation (formes d'onde de formes quelconques, fréquences élevées) ou de température auxquels sont soumis les convertisseurs électromagnétiques ou composants magnétiques sont autant de défis qui placent les matériaux au cœur de la conception de nouveaux prototypes. Un facteur apparu plus récemment qui résulte d'enjeux environnementaux et sociétaux tels que celui lié au développement durable vient renforcer la place occupée par les matériaux dans le domaine de l'ingénierie électrique. Concevoir des matériaux nouveaux ou innovants et les adapter au mieux au sein d'applications afin d'augmenter leurs performances est l'enjeu relevé par les ingénieurs, concepteurs, industriels et chercheurs du domaine du génie électrique. Dans cet objectif, il est important de posséder un outil d'aide à la conception de prototypes capables à représenter de façon fiable et réaliste les matériaux. Parmi les diverses approches de représentation de dispositifs électromagnétiques, la méthode basée sur du calcul de champs et celle fondée sur les Circuits Magnétiques Equivalents, constituent les méthodes les plus aptes à intégrer des lois réalistes de matériaux. Nos travaux s'inscrivent dans le cadre de ces deux approches. L'intégration d'un modèle d'hystérésis statique dans un code de calcul de champs de type éléments finis 2D a fait l'objet de nos premières activités lors de l'initiation de l'équipe matériaux du laboratoire. Nous ne détaillerons pas ces activités, seules nos contributions visant à améliorer les lois de matériaux pour leur intégration dans une modélisation par Circuit Magnétique Equivalent (CME) sont présentées dans ce mémoire. D'une façon générale, avant d'aborder l'implémentation de modèles de comportement de matériaux dans des codes de simulation de dispositifs électromagnétiques basés sur des approches diverses on doit se poser le problème de la définition de lois réalistes de matériaux. C'est dans ce cadre que se situent les activités de ce mémoire, issues du fruit d'activités de recherche personnelles ou d'équipe, ou bien de l'encadrement de travaux de thèses ou encore du résultat de collaborations industrielles. Notre cursus universitaire et notre environnement professionnel ont orienté nos activités vers des modélisations phénoménologiques des matériaux. Les modèles de lois de matériaux sur lesquels nous avons travaillés font intervenir des grandeurs macroscopiques et sont, par conséquent, transférables dans des outils de simulation employés en ingénierie ou en recherche. La modélisation du comportement des matériaux se situe à plusieurs niveaux selon les conditions de sollicitation du matériau (excitation en statique ou en dynamique) et le degré de précision réclamé pour la représentation. Nous verrons que la définition d'une loi statique précise de comportement du matériau constitue un préalable indispensable à l'élaboration d'une loi dynamique réaliste. Le premier chapitre de ce mémoire s'inscrit dans cet objectif et présente les outils que nous avons mis en place pour la représentation du comportement statique du matériau. Nos orientations ont deux visées : la première est de définir un modèle économe en paramètres, en gestion de données et temps de calcul avec l'idée sous-jacente d'une implémentation dans l'une ou l'autre approche de modélisation de dispositifs électromagnétiques ; la seconde privilégie la précision et la fiabilité du modèle. Nous verrons que concilier ces deux objectifs, constitue un réel défi. Les deuxième et troisième chapitres présentent les différentes représentations de comportement dynamique de matériaux élaborées. Nous avons volontairement scindé l'approche globale (deuxième chapitre) de l'approche aux dérivées partielles (troisième chapitre) afin de mettre en évidence la complémentarité des deux panoplies d'outils élaborées pour la représentation comportementale dynamique des matériaux. Le dernier chapitre s'intéresse à l'intégration des différents outils de représentation de matériaux mis en œuvre dans la modélisation de dispositifs électromagnétiques basée sur une approche par CME. L'apport des différents modèles de matériaux est mis en exergue au travers d'une application industrielle réelle. Pour terminer ce mémoire, nous conclurons sur les apports et les limitations des différents modèles mis en œuvre, puis nous définirons les perspectives engagées et à venir.

Ce travail de thèse a pour but l'élaboration et la caractérisation microstructurale / magnétique de systèmes multicouches Fe/Mn présentant un couplage d'échange anisotrope. La caractérisation structurale a été effectuée par microscopie électronique en transmission, ce qui a permis d'identifier les structures α-Fe et α-Mn ainsi que l'évolution de la rugosité aux interfaces avec la température de dépôt. Les analyses en sonde atomique tomographique ont permis d'obtenir une analyse locale des interfaces. Les profils linéaires de concentration obtenus ont révélé une asymétrie des interfaces Fe/Mn et Mn/Fe avec la formation de mélange Fe-Mn à concentration modulée aux interfaces, ainsi qu'une augmentation de la largeur de l'interface Fe/Mn avec la température de dépôt. Les mesures de spectroscopie Mössbauer ont permis d'identifier l'environnement local des atomes de Fe. Les zones riches en Fe sont ferromagnétiques avec une distribution de champ hyperfin reflétant la composition modulée, et les zones riches en Mn sont antiferromagnétiques avec une température de Néel sensiblement proche de celle du α-Mn. La caractérisation magnétique a été effectuée dans un premier lieu par magnétométrie à SQUID, ce qui a permis de déterminer l'évolution de l'aimantation globale des échantillons, le champ de d'échange et le champ coercitif. Par ailleurs, les profils d'aimantation en profondeur ont été obtenus par réflectométrie de neutrons polarisés, ce qui a permis d'identifier deux types de couches de Fe, ainsi que l'influence de la température d'élaboration sur le champ coercitif.

Ce travail de thèse est consacré à la corrélation entre propriétés structurales à l'échelle atomique et propriétés magnétiques de multicouches (Pt/Co)3/Pt /IrMn à anisotropie d'échange perpendiculaire. Ces multicouches sont utilisées dans le domaine de l'électronique de spin. Une attention particulière a été portée à la caractérisation nanostructurale de l'interface Co/IrMn, cette interface jouant un rôle prédominant dans le phénomène d'anisotropie d'échange, caractérisée par le champ d'échange HE. L'étude structurale, réalisée principalement en sonde atomique tomographique a permis de révéler la structure des multicouches étudiées dont certaines couches sont d'épaisseur sub-nanométrique. Les résultats des mesures magnétiques ont montré que l'insertion d'une couche mince (spacer) de Pt à l'interface Co/IrMn augmente les valeurs de HE pour la multicouche dont l'épaisseur des couches de Co est tCo = 0,4 nm, mais diminue HE lorsque tCo = 0,6 nm. Les analyses nanostructurales montrent qu'en l'absence du spacer et pour tCo =0,4 nm, les atomes d'Ir et de Mn diffusent dans toute l'épaisseur de la couche de Co sur laquelle repose la couche IrMn alors que pour tCo = 0,6 nm la diffusion de ces atomes est beaucoup plus réduite. Quelle que soit l'épaisseur de la couche de Co, la présence du spacer réduit très fortement la diffusion d'Ir et de Mn, montrant ainsi que le spacer agit comme une barrière de diffusion. Pour tCo =0,4 nm, l'ajout du spacer, en limitant très fortement l'interdiffusion à l'interface entraîne l'augmentation de HE . Pour tCo =0,6 nm, la diffusion étant limitée, l'ajout d'un spacer entraîne une diminution de HE en raison de l'éloignement des spins de Co et Mn.

Le travail développé dans cette thèse présente une nouvelle structure discoïde à bobinages inducteur et induit fixes dans l'entrefer. La conception du bobinage du type circuit imprimé est détaillée ainsi que le développement d'un nouvel outil fondé sur l'utilisation des perméances superficielles utile à la modélisation . Un autopilotage simplifié, à partir d'un capteur délivrant une impulsion par tour est proposé. Enfin, une démarche générale d'optimisation pour un fonctionnement à pertes minimales des ensembles convertisseurs machines synchrone est présentée, incluant paramètres de commande et paramètres géométriques.

Des relations entre propriétés structurales et magnétiques ont été mises en évidence dans des fluorures dérivés de la structure usovite (Ba₂CaMgAl₂F₁₄). Le réseau est constitué de couches [CaMgAl₂F₁₄] dans lesquelles les cations occupent trois sites cristallographiques différents M²⁺, M'²⁺ et M''³⁺ . Si les éléments M²⁺ et M'²⁺ sont des ions magnétiques et M''³⁺ un ion diamagnétiques, il y a formation de chaînes magnétiques...

Ce mémoire commence par une présentation de l'état de l'art en matière de circuits équivalents et de caractérisation expérimentale des composants bobinés. Il précise ensuite les modifications à apporter au circuit équivalent initial, pour des transformateurs à faible rendement et/ou faible couplage, ainsi que les méthodes de caractérisation expérimentale applicables à de tels composants. Les éléments du circuit équivalent du composant faisant l'objet de cette étude sont ensuite " évalués expérimentalement. La simulation, à l'aide du logiciel PSPICE, du comportement d'un circuit électronique intégrant ce composant est confrontée à l'expérience. Le gain en précision résultant de l'emploi d'un modèle adéquat pour chaque composant bobiné est ainsi mis en évidence. La suite de l'étude porte sur le calcul des éléments du circuit équivalent du transformateur à partir des données technologiques. Dans un premier temps, l'accent est mis sur les capacités parasites. En menant en parallèle une étude analytique et une modélisation électrostatique grâce au logiciel FLUX2D, l'incidence du mode de bobinage sur la valeur des capacités est analysée en détail. Des règles pratiques de bobinage, visant à diminuer ces capacités parasites, sont justifiées et appliquées à des prototypes industriels, avec succès. Le calcul des grandeurs magnétiques et des pertes à l'aide du logiciel FLUX2D, nécessite l'introduction d'une perméabilité complexe. Nous discutons alors de certaines limites de validité des méthodes classiques de caractérisation des matériaux magnétiques. Enfin, une méthode expérimentale originale, destinée à mesurer, à chaque fréquence, la résistivité et la perméabilité complexe d'un matériau magnétique conducteur linéaire est proposée et validée. Cette méthode est ensuite étendue au cas des matériaux composites (ferrites).

Un navire à coque ferromagnétique, sous l'influence du champ magnétique terrestre. et de contraintes mécaniques, s'aimante, créant ainsi une anomalie locale du champ. L'immunisation en boucle fennée est un système permettant aubâtiment d'auto-évaluer cette anomalie et de la compenser en temps réel. La mise au point de ce système nécessite le développement d'un outil capable de prédire l'aimantation de la coque à chaque instant. Cette aimantation se décompose en deux parties: d'une part l'aimantation induite et d'autre part l'aimantation permanente. La première partie de ce travail s'attache à présenter les méthodes numériques permettant de calculer l'aimantation induite, c'est-à-dire la réaction du matériau plongé dans un champ inducteur. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à des méthodes intégrales conduisant à des répartitions de charges et de dipôles tangentiels localisées sur la coque. La deuxième partie propose une méthode pour déterminer l'aimantation permanente. Cette aimantation dépendant de l'histoire magnétique du bâtiment (hystérésis, magnétostriction... ), un calcul déterministe n'est pas envisageable. Il est alors nécessaire de faire intervenir des mesures de champ magnétique effectuées à l'intérieur de la coque pour l'évaluer. Le présent travail propose une approche originale pour résoudre ce problème inverse. Celui-ci étant mal posé, nous proposons un critère de choix de la solution basé, non pas sur une approche mathématique, mais sur la connaissance physique des phénomènes mis en jeu. Une fois un modèle d'aimantation obtenu, il est alors possible de calculer le champ à l'extérieur du bâtiment. Tous nos résultats ont été validés sur une maquette représentative d'un navire réel.

L'interaction magnétochirale, qui se manifeste notamment par une modification de l'indice de réfraction d'un milieu chiral soumis à un champ magnétique longitudinal, a été étudiée théoriquement et expérimentalement. D'une part, le modèle d'interaction dipôle-dipôle de l'activité optique a été étendu à la magnétochiralité. D'autre part, pour la mesurer, un interféromètre multi-ondes, actif et en anneau, a été construit. Pour les composés choisis, le limonène, la proline et les tartrates, les valeurs expérimentales obtenues avec cet interféromètre laser sont dans la gamme des 10-10-10-11/T. Elles sont en accord avec le modèle. Des premiers essais de cristallisations orientées par l'interaction magnétochirale, notamment celle des tartrates de Pasteur, sont présentés. Enfin, en utilisant des mélanges, il est montré que le magnétisme des solutions permet de contrôler l'interaction en amplitude et en signe. L'utilisation de ferrofluides est alors envisagée pour doper la magnétochiralité.

Les réseaux BAN (Body Area Network) révolutionnent le concept de la surveillance et de la prise en charge à distance de la santé du patient. Le BAN fournit des informations sur l'état de santé du patient en temps réel quelque soit l'endroit où il se trouve. Dans le « télé monitoring », des capteurs de mouvement, de respiration ou du rythme cardiaque placés à l'intérieur ou sur le corps humain transmettent des données via le réseau sans fil constituant le BAN, une antenne étant associée à chaque nœud du réseau. La communication peut être in/on, on/on ou on/off selon que les antennes sont placées à l'intérieur, sur ou à l'extérieur du corps. Le développement des BAN nécessite la réalisation de modèles (ou fantômes) simulant au mieux les propriétés électromagnétiques du corps humain. Des antennes portables, miniaturisées doivent être réalisées avec des contraintes d'intégration d'une part (aux vêtements, à des objets type montre ou badge), des contraintes de résistance ou de prise en compte de l'influence du corps d'autre part. La réduction de l'impact des antennes sur les tissus en terme de SAR (Specific Absorption Rate) doit également être considérée. Dans ce travail, l'objectif est de développer des fantômes valables pour les communications dans et sur le corps. Les matériaux de base sélectionnés sont d'origine biologique (biocéramiques et biopolymères) avec des propriétés proches de celles des tissus humains. Ces fantômes étant biocompatibles, ils sont essentiellement non toxiques alors que les fantômes usuels le sont en général. D'autre part, différents types d'antennes conformables, fonctionnant dans la bande ISM 2.4 GHz ont été développées et étudiées dans la perspective du BAN. Les antennes voient leur adaptation et leur efficacité chuter au contact ou à proximité du corps, ce qui constitue un écueil majeur pour établir une bonne communication. Différentes méthodes permettant de réduire l'influence du corps (plan de masse à l'arrière, surface haute impédance, feuille de ferrite polymère) sont testés et leurs avantages et inconvénients développés. Des mesures de SAR permettent aussi de démontrer l'efficacité de ces méthodes sur la réduction de la puissance absorbée par les tissus. Au final, ce travail apporte une contribution à l'étude théorique et expérimentale de l'interaction entre corps humain et antenne dans le cadre des réseaux BAN appliqués à la télésurveillance de la santé

L'augmentation des fréquences de fonctionnement des convertisseurs statiques de l'Electronique de Puissance a rendu obligatoire une modélisation plus réaliste des composants magnétiques. Déduit uniquement de mesures extérieures au composant, le circuit électrique équivalent qui leur est associé comporte une vingtaine d'éléments discrets. Déterminé de façon systématique, grâce à une approche théorique et expérimentale rigoureuse, et rapide, grâce à l'utilisation de moyens informatiques adaptés, il permet de représenter l'ensemble des phénomènes physiques qui interviennent du continu jusqu'à une où deux décades au-delà de leur fréquence de travail. Une étude en température uniforme a montré que la possibilité de prédire le comportement électrique d'un transformateur à toute température, à partir de sa caractérisation à la température ambiante uniquement, était assurée pour les enroulements. Les données constructeur demeurent par contre insuffisantes pour quantifier correctement l'évolution du circuit magnétique. Les résistances du circuit équivalent, représentatives des pertes dans le composant, ont par ailleurs été validées par calorimétrie. Elles permettent ainsi d'estimer, avec une très bonne précision, les puissances dissipées pour une excitation et une charge données. En vue de répondre à l'absence de données complètes et réalistes de la part des fournisseurs de ferrites, une nouvelle méthode de caractérisation des matériaux magnétiques a été développée. Moyennant quelques précautions expérimentales, elle permet d'accéder, à toute fréquence et toute température uniforme, aux données perméabilité et permittivité complexes au moyen de relations analytiques simples. La méthode donne des grandeurs applicables à tout circuit magnétique, quelle que soit sa forme, et elle rend compte de tous les phénomènes physiques qui prennent naissance dans ie matériau lorsque la fréquence augmente, notamment du comportement capacitif que l'on observe dans les ferrites MnZn dès quelques dizaines de kHz. Cette méthode permet d'estimer les pertes fer jusqu'à environ LO MHz.