La technique du contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault (CF) est une solution envisageable pour caractériser l’état de contraintes dans un matériau magnétique. En effet, les propriétés magnétiques d’un matériau magnétique dépendent sensiblement de l’état de contraintes et, par ailleurs, les CF dépendent de la perméabilité magnétique. La technique des CF est potentiellement intéressante comparée à d’autres méthodes de CND, telles que la diffraction des rayons X, car elle est simple à mettre en œuvre, automatisable et peu coûteuse. Dans l'objectif de permettre in fine l’identification inverse de l’état de contraintes, un modèle prédisant l'évolution du signal fourni par un capteur à CF en fonction de l’état de contraintes du matériau ferromagnétique contrôlé a été élaboré dans cette thèse. Ceci implique la mise en place d’une double modélisation. D’une part, l’effet des contraintes sur la perméabilité magnétique a été modélisé par un modèle de comportement magnéto-élastique simplifié dérivé d'une approche multi-échelle. Cette approche permet de décrire la perméabilité magnétique d’un matériau soumis à un chargement multiaxial, en incluant notamment les effets d'anisotropie induite. D’autre part, un modèle reposant sur la méthode des éléments finis a été développé afin de prédire le signal fourni par un capteur à CF en fonction de la perméabilité anisotrope du matériau inspecté. Afin de valider la démarche de modélisation, un protocole expérimental de caractérisation magnétique et par CF a été mis en place. Les résultats de mesure obtenus présentent un bon accord qualitatif avec la modélisation, en l’absence de tout étalonnage. Une procédure d’étalonnage s'appuyant sur une mesure sous contraintes est nécessaire pour atteindre un accord quantitatif. Le modèle développé pourrait être utilisé pour concevoir des sondes à CF idoines et identifier les conditions opératoires optimales pour l'estimation de contraintes dans les matériaux magnétiques. Les procédures d'inversion à mettre en œuvre restent cependant un défi à relever / The non-destructive evaluation (NDE) technique by eddy current (EC) is a conceivable solution to characterize the stress state in magnetic materials. The approach relies on the high sensitivity of eddy current (EC) signals to the magnetic permeability, itself highly dependent on stress. The EC technique is potentially attractive compared to other NDE methods such as X-ray diffraction, due to its simple practical implementation, easiness of automation and low cost. In order to allow eventually the inverse identification of stress states in magnetic materials, a predictive model for the evolution of an EC probe signal as a function of stress has been developed during this thesis. The modelling is done in two steps. First, the effect of stress on the magnetic permeability is described using a simplified version of a multiscale model for magneto-elastic behaviour. This approach allows describing the effect of multiaxial mechanical loadings on the magnetic behaviour of materials including induced anisotropy effects. Then, the EC probe signal is determined as a function of the anisotropic permeability of the stressed material using the finite element method (FEM). In order to validate the modelling approach, an experimental setup for magnetic characterisation and EC measurements was developed. The measurements show a good qualitative accordance with the modelling results, in absence of any calibration. A calibration procedure based on a measurement under stress is necessary to obtain a quantitative agreement. The proposed model can be used to design efficient EC probes and to define optimal operating conditions to evaluate stress in magnetic materials. The development of inversion procedures, however, remains a challenge.

Le sujet de cette thèse porte sur l'étude et la faisabilité de nouveaux actionneurs rotatifs à base de matériau actif magnétostrictifs (couplage fort entre les propriétés magnétiques et mécaniques de certains matériaux) afin de proposer des solutions innovantes pour remplacer, soit des actionneurs électriques classiques, soit des actionneurs hydrauliques dans les applications spécifiques comme l'aéronautique. Nous présenterons, de manière générale, les principaux phénomènes physiques mis en jeux, ainsi que les effets magnétostrictifs les plus remarquables. Nous comparerons ensuite ces matériaux à d'autres principes actifs, comme les piezo-électriques, à travers un état de l'art des actionneurs. Nous y aborderons les avantages économiques et les tendances d'évolutions qui font de ces matériaux adaptatifs, voire "intelligents" des objectifs économiques très importants, en mettant l'accent sur les composés magnétostrictifs dont les caractéristiques avantageuses nous intéressent particulièrement. Par la site, nous étudierons deux principes de réalisations d'actionneurs rotatifs magnétostrictifs à accumulation de pas, l'un de type spirale, l'autre de type barreau, en présentant un modèle hystérétique visant à expliquer le fondement des processus entrant en jeux, et en évaluant leurs performances par rapport à notre cahier des charges.

Dans le contexte du « Tout Electrique », les fabricants de l’aéronautique cherchent à augmenter la puissance embarquée tout en limitant la masse de ces dispositifs électriques. Une des solutions envisagées est d’augmenter la densité de flux magnétique des matériaux magnétiques de ces appareils. L’inconvénient de l’emploi de ces matériaux réside dans leurs déformations sous l’effet du champ magnétique. Dans le cas des noyaux magnétiques de transformateurs, ceux-ci sont composés d’un empilement d’une centaine de tôles magnétiques d’épaisseur variant entre 0,2 et 0,5mm. La déformation successive des tôles du transformateur est à l’origine d’un bruit acoustique indésirable. La source principale de ces déformations est la magnétostriction qui provient du réarrangement sous champ magnétique de la structure en domaines du matériau. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous intéressons à l’alliage Fe-27%Co produit par la société APERAM Alloys Imphy, commercialement appelé AFK1. Le choix de cet alliage provient du fait qu’il présente une aimantation à saturation la plus élevée de tous les matériaux ferromagnétiques (2,4T). Son emploi permettrait alors un gain certain de densité de puissance. Selon une gamme métallurgique particulière, l’AFK1 présente une basse magnétostriction isotrope, qui s’illustre par une déformation nulle jusqu’à 1,5T puis par une déformation à saturation de l’ordre de 10ppm. L’objectif principal de ces travaux de thèse consiste à déterminer l’origine d’un tel comportement et les mécanismes associés. Les résultats expérimentaux montrent que les conditions de traitements thermiques semblent avoir un effet sur le comportement magnétostrictif. On montre par ailleurs que la magnétostriction est indépendante de l’orientation cristallographique de l’AFK1. Des essais de magnétostriction sous contrainte mécanique ont permis de supposer que l’AFK1 disposait d’une structure en domaines principalement composée de parois à 180°. La mise en place de cette structure a pu être confirmée par microscopie magnéto-optique (effet Kerr). Afin de mieux comprendre l’origine de l’orientation des domaines dans le matériau, l’influence de la géométrie d’échantillon sur le comportement magnétostrictif a également été étudiée au cours de ces travaux de thèse. Une modélisation du comportement faiblement magnétostrictif a finalement été proposée par le biais d’une approche multi-échelle. Le modèle met en évidence la nécessité de considérer une proportion non négligeable de domaines séparés par des parois à 180° pour restituer la basse magnétostriction de l’AFK1. / The main challenge in the aeronautical field concerns the increase of higher power density electrical devices onboard aircrafts. One of the solutions proposed is to increase the magnetic flux density of magnetic materials which compose these devices. The main drawback of this solution leads in the high deformation the materials concerned exhibit under magnetic field. For example, the core of onboard transformers is composed of a stack of about hundred of magnetic steel sheets, with a thickness range between 0.2 and 0.5mm. The deformation of the entire structure leads to an unwanted acoustic noise that originates from the high magnetostriction deformation of the material deriving from the change of magnetic domains configuration under magnetic field. In this thesis work, the magnetostrictive behaviour of the Fe-27$%$Co alloy is studied. This magnetic alloy is produced and marketed by APERAM Alloys Imphy as AFK1. This material leads to a low and isotropic magnetostrictive behaviour after an appropriate metallurgical process. The deformation is null up to 1.5T and the magnetic saturation is reached with a deformation lower than 10ppm. The main goal of this thesis is to understand the origin of the low magnetostrictive behaviour and to model it. The experimental results show that thermal annealing changes significantly the magnetostriction. In addition, we prove that low magnetostriction exhibits no crystallographic orientation dependence. Magnetostriction tests carried out under a mechanical loading show that a microstructure mainly composed magnetic domains separated by 180$^circ$ domain walls can explain the behaviour. The presence of this magnetic configuration was confirmed by magneto optical microscopy observations (Kerr effect) associated with a macroscopic geometry effect and residual magnetic field in the furnaces. A multiscale modeling of the low magnetostriction has been proposed next. This modeling helps us to confirm the requirement of about 80% of grains composed of a bi-domain magnetic structure to simulate low magnetostrictive behaviour in accordance with experiments.

Ce présent ouvrage porte sur la conception d'un système récupérateur d'énergie vibratoire basé sur le phénomène magnétostrictif. Une analyse des différentes technologies de récupération vibratoire existantes est d'abord présentée et permet de démontrer le fort potentiel de la récupération énergétique par magnétostriction. Le phénomène magnétostrictif est alors décrit théoriquement et analytiquement par le biais des lois et courbes de comportement qui permettent ainsi d'extraire une zone comportementale efficace. Un générateur de récupération d'énergie vibratoire qui utilise les paramètres et limites de cette zone de comportement est ensuite conçu. Ce récupérateur est modélisé en circuit ouvert par Bond Graph et les résultats de la simulation sont validés par un modèle éléments finis via une analogie avec la piézoélectricité. Le modèle Bond Graph ainsi validé permet alors de simuler la récupération d'énergie au travers d'une charge électrique résistive qui simule la partie électrique du récupérateur. Un générateur réel est finalement conçu et usiné et ses performances expérimentales en circuit ouvert sont évaluées et comparées à celles obtenues par la modélisation. Les points d'opérations optimaux théoriques et pratiques sont différents, ces différences étant causées par une modélisation s'appuyant sur le régime statique. Malgré cela, le prototype expérimental de récupérateur magnétostrictif parvient à générer une puissance électrique moyenne d'environ 70 à 80 mW à une fréquence de 850 Hz. Ainsi, ce récupérateur est, à la connaissance de l'auteur, le premier générateur à magnétostriction à récupérer autant de puissance de manière autonome.

Dans cette thèse, nous présentons l’étude de l'alliage Fe1−xGax en couche mince monocristallins et d’épaisseur nanométrique. Le travail, de nature expérimentale, a consisté à réaliser une caractérisation magnétique qui inclut l’étude des anisotropies magnétiques, des coefficients de couplages magnéto-élastiques et des domaines magnétiques. Pour cela j’ai utilisé principalement les techniques de résonance ferromagnétique, de mesure du couplage magnétoélastique par déflexion d’un cantilever et de microscopie à force magnétique (MFM). Les anisotropies ont été étudiées en fonction de l’épaisseur du film, de la concentration en Gallium et de la structure atomique, donnant lieu à une description très complète du système. On observe que les couches minces de Fe1−xGax conservent une grande partie des caractéristiques du matériau massif mais présentent également des spécificités. En particulier, on mesure une forte anisotropie hors plan (de l’ordre de dix fois supérieure à l’anisotropie dans le plan) à la fois d’origine magnétocristalline et magnétoélastique, et impliquant une autre contribution d’origine inconnue. Pour expliquer cette dernière contribution, nous avons émis l’hypothèse d’une anisotropie dans la distribution des paires de Ga (qui seraient plus nombreuses hors plan que dans le plan). Nous avons pu modéliser le phénomène en adaptant le modèle phénoménologique de Cullen. Comme conséquence de cette anisotropie hors plan, des domaines magnétiques en forme de bandes ou stripes apparaissent pour des épaisseurs de film supérieures à une épaisseur critique. Ces domaines, peuvent être retournés dans la direction du champ magnétique appliqué. / In this thesis we have introduced the study of the Fe1−xGax alloy grown as monocrystalline thin films of nanometric thicknesses. Our work was of experimental nature and consisted in a magnetic characterization that included the study of magnetic anisotropies, magneto-elastic coupling coefficients and magnetic domains. For this work we principally used three techniques: ferromagnetic resonance, magnetoelastic coupling measurement by deflection of cantilever and magnetic force microscopy . Anisotropies were studied in function of thickness, concentration and atomic structure, achieving an extensive description of the system. It was observed that the films conserved many of the bulk material characteristics, but at the same time they present some singularities that make them different. Particularly, a strong out of plane anisotropy was detected (ten times larger than the anisotropy inside the plane), which has a magnetocrystalline contribution, a magnetoelastic contribution and another one of unknown origin. To explain this last term which we put forward the hypothesis of an anisotropic distribution of Ga pairs (more Ga pairs out of plane than in plane). This last contribution could be modeled by adapting Cullen’s phenomenological model. As a consequence of this out of the plane anisotropy, magnetic domains with stripe pattern appear, for adequate thicknesses. These domains can rotate in the direction of the saturation applied magnetic field.

Cette thèse traite de l'étude de microstructures (microsystèmes) pour la réalisation de microrelais électromagnétiques et magnétostrictifs. Ce travail se divise en trois parties. Dans un premier temps, une analyse bibliographique nous permettra d'introduire les microtechnologies et les microsystèmes. Ensuite, cette analyse se focalisera plus spécifiquement sur la problématique du microrelais. Dans une deuxième partie, nous aborderons la première solution étudiée : le microrelais magnétostrictif. Nous montrerons ici le fort potentiel des applications couches minces dans ce domaine, avec le dimensionnement d'un premier prototype. Cette étape passe par le développement d'un premier modèle analytique qui y est présenté. Enfin dans une troisième partie, nous traiterons de l'élaboration de microrelais électromagnétiques à application RF (fonction émission/réception des commutateurs de téléphones cellulaires). Ce travail se décompose en trois parties. Nous traiterons d'abord le dimensionnement mécanique des structures retenues, puis le dimensionnement magnétique (commande, circuit magnétique, etc.). Enfin nous présenterons les réalisations technologiques ainsi que la caractérisation mécanique des structures.

Dans cette thèse, les interactions magnétoélectriques et optomagnétiques transmises par les contraintes dans les structures ferroélectriques/ferromagnétiques sont étudiées. Nous montrons que la dynamique des déformations du Pb(ZrxTi1-x)O3 aboutit à la manipulation électrique sous-coercitive de multi-états ferroélastiques rémanents. La mesure par une jauge résistive de ces états, ainsi que l'écriture et l'effacement électriques et le stockage ferroélastique, sont démontrés. La configuration des contraintes de matériaux ferroélectriques créée électriquement, permet de modifier l'anisotropie magnétique d'une couche ferromagnétique. Ce phénomène est utilisé pour contrôler le champ magnétique coercitif des composants magnétostrictifs des vannes de spin au moyen des déformations. L’irradiation lumineuse est également utilisée pour entraîner une photostriction rémanente dans le BiFeO3. Cette déformation rémanente est transférée à une couche ferromagnétique et permet un contrôle optique de la coercivité magnétique. Nous montrons comment les états magnétiques peuvent être écrits au moyen de la lumière et effacés par un champ électrique. / In this thesis, the strain-mediated magnetoelectric and optomagnetic interactions in ferroelectric/ferromagnetic structures are studied. The strain dynamics in Pb(ZrxTi1-x)O3 is shown to result in the sub-coercive electrical manipulation of its remanent ferroelastic multi-states. The resistive readout of these states provided by the strain gauge layers, together with the electrically-triggered ferroelastic writing, storage, and erasing, are demonstrated. These strain configurations created by electric fields in ferroelectrics can effectively impact the magnetic anisotropy of a ferromagnetic adlayer. This phenomenon is shown to control the magnetic coercive field of the magnetostrictive components of spin valves via the strain. Light irradiation is shown to result in remanent photostriction effect (photo-driven deformation) in BiFeO3. Such optically-induced remanent deformations can be transferred to a ferromagnetic adlayer and result in the optical control of the magnetic coercive force. It is shown here how magnetic states can be written by light and erased by an electric field.

Les techniques sur la récupération d'énergie qui visent à permettre aux réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network, WSN) de devenir autonomes, sont reconnues comme des élément cruciaux pour répondre aux futurs besoins des objets connectés portés par l'internet des objets (Internet of Things, IoT). C’est dans ce contexte que les matériaux fonctionnels piézoélectriques et magnétostrictifs, qui peuvent être utilisés dans une large gamme de systèmes de récupération d'énergie, ont un regain d’intérêt au cours de ces dernières années. Cette thèse porte sur la modélisation multiphysique de ces deux matériaux fonctionnels avec la méthode éléments finis et par la réduction de modèle pour les systèmes qui en résultent, sur la base de la décomposition propre généralisée (Proper Generalized Decomposition, PGD). La modélisation de ces matériaux fonctionnels reste difficile bien que la recherche dans ce domaine a été l'objet de plusieurs études depuis des décennies. Une multitude de difficultés existent, parmi lesquelles les trois suivantes qui sont largement reconnues. La première difficulté résulte de la description mathématique des propriétés de ces matériaux qui est compliquée ; ce qui est particulièrement vrai pour les matériaux magnétostrictifs pour lesquels leurs propriétés dépendent de facteurs environnementaux externes tels que la température, la contrainte et le champ magnétique d’excitation. La deuxième difficulté résulte des effets de couplage entre les champs électromagnétiques, élastiques et thermiques qui doivent être considérés mutuellement, ce qui est au-delà de la capacité de la plupart des outils de simulation existants. La troisième difficulté vient du fait que les systèmes deviennent de plus en plus compacts pour être intégrés et/ou embarqués. Dans ce cas la modélisation multi-échelle est nécessaire, ce qui signifie que des modèles numériques tridimensionnels (3D) doivent être employés. Le travail présenté ici fournit des solutions pour répondre aux difficultés mentionnées. Une modélisation multiphysique sur la base des formes différentielles est d'abord établie. Dans cette modélisation, les quantités sont discrétisés en utilisant les éléments de Whitney appropriés. Après la discrétisation, le système est résolu en un bloc unique, ce qui évite les itérations entre les solutions physiques différentes tout en conduisant à des convergences rapides. La formulation prend en compte, la loi de comportement linéaire des matériaux piézoélectriques, et une loi de comportement non linéaire pour les matériaux magnétostrictifs basée sur le principe de l’énergie libre exprimé par le modèle (Discrete Energy-Averaged Model, DEAM). La mise en œuvre de notre formulation permet de décrire les comportements des matériaux fonctionnels piézoélectriques et magnétostrictifs à des coûts numériques raisonnables. Suite à cela, deux algorithmes basés sur la PGD pour la réduction de modèle sont proposés. Ces deux algorithmes ont permis de réduire considérablement le problème dimensionnel des modèles multiphysiques tout en en conservant de très bonnes précisions. Les algorithmes proposés fournissent également des moyens pour gérer le couplage avec la non-linéarité d’une manière efficiente. L’ensemble de nos modèles sont vérifiés et validés par des exemples représentatifs. / The energy harvesting technology that aims to enable wireless sensor networks (WSN) to be maintenance-free, is recognized as a crucial part for the next generation technology mega- trend: the Internet of Things (IoT). Piezoelectric and magnetostrictive materials, which can be used in a wide range of energy harvesting systems, have attracted more and more interests during the past few years. This thesis focuses on multiphysics finite element (FE) modeling of these two materials and performing model reduction for resultant systems, based on the Prop- er Generalized Decomposition (PGD). Modeling these materials remains challenging although research in this area has been under- going over decades. A multitude of difficulties exist, among which the following three issues are largely recognized. First, mathematically describing properties of these materials is com- plicated, which is particularly true for magnetostrictive materials because their properties depend on factors including temperature, stress and magnetic field. Second, coupling effects between electromagnetic, elastic, and thermal fields need to be considered, which is beyond the capability of most existing simulation tools. Third, as systems becoming highly integrated whole-scale simulations become necessary, which means three dimensional (3D) numerical models should be employed. 3D models, on the other hand, quickly turns intractable if not properly built. The work presented here provides solutions in respond to the above challenges. A differential forms based multiphysics FE framework is first established. Within this frame- work quantities are discreted using appropriate Whitney elements. After discretization, the system is solved as a single block, thus avoiding iterations between different physics solutions and leading to rapid convergences. Next, the linear piezoelectric, and a free energy based nonlinear magnetostrictive constitutive model called Discrete Energy Averaged Model (DE- AM) are incorporated into the framework. Our implementation describes underlying material behaviors at reasonable numerical costs. Eventually, two novel PGD based algorithms for model reduction are proposed. With our algorithms, problem size of multiphysics models can be significantly reduced while final results of very good accuracy are obtained. Our algo- rithms also provide means to handle coupling and nonlinearity conveniently. All our methodologies are demonstrated and verified via representative examples.

Les travaux présentés dans ce document s’inscrivent dans un projet (dBET : diminution des Bruits Electriques de Trains) qui vise une meilleure compréhension des phénomènes vibratoires (indirectement le bruit) d’origine électromagnétique des dispositifs électrotechniques (transformateurs, inductances, moteurs électriques) des trains. Ce projet met en collaboration plusieurs laboratoires (le laboratoire Roberval et électromécanique de l’université de technologie de Compiègne...) et industriels parmi lesquels Alstom Transport, ESI Group… Notre contribution, dans ce projet, consiste en la proposition d’un modèle pertinent permettant de prédire la déformation magnétostrictive, considérée comme l’une des causes des bruits d’origine électromagnétique des dispositifs électrotechniques. Un processus d’identification des paramètres du modèle, à partir de données expérimentales, est présenté ainsi que l’application du modèle à un dispositif expérimental grâce à l’utilisation des éléments finis. Les résultats du modèle seront confrontés aux mesures faites à l’échelle d’une tôle ferromagnétique et d’un dispositif expérimental constitué d’un ensemble de tôles. / The work presented in this document is part of a project (dBET : diminution des Bruits Electriques de Trains) which aims a better understanding of electromagnetic-origin vibration phenomena (indirectly noise) from electrical devices (transformers, inductors, motors) in trains. This project results from the collaboration of several laboratories and companies including Alstom, ESI Group.... Our contribution in this project consists in building a relevant model to predict the magnetostrictive strain, considered as one of the causes of electromagnetic-origin noise of electrical devices. A process of identification of the model parameters from experimental data is presented. The model is used to compute the magnetostrictive strain of a test bench thanks to finite elements method. Model results will be compared with measurements about ferromagnetic single sheet and the test bench which is a stack of ferromagnetic sheets.

Un traducteur électromagnétique acoustique (EMAT) induit sans contact des sources dynamiques responsables du rayonnement ultrasonore transmis dans une pièce pour son contrôle non-destructif (CND).Un modèle de sources de transduction induites par EMAT en milieux ferromagnétiques est développé. Il prend en compte des courbes anhystérétiques d’aimantation et de déformation de magnétostriction prédites par une approche multi-échelle simplifiée, et dérive formellement les tenseurs des contraintes électromagnétiques et magnétostrictives adaptés à la formulation des sources électromagnéto-élastiques induites par EMAT dans une très large gamme de configurations d’inspection.Pour simuler efficacement le rayonnement ultrasonore de sources volumiques en utilisant les modèles semi-analytiques du logiciel CIVA, une méthode capable de les transformer en contraintes surfaciques équivalentes est développée. Ainsi, le modèle formule une source de contraintes surfaciques décrivant l’ensemble des phénomènes de transduction impliqués par EMAT en milieux magnétiques. Ce modèle permet de quantifier le poids relatif de chaque source de transduction, d’illustrer l’influence de la prise en compte des lois magnéto-élastiques anhystérétiques, et de mettre en évidence les variations des sources avec un état de contraintes mécaniques. Il est appliqué dans une configuration EMAT donnée pour illustrer l’apport des outils mis en place dans la conception d’EMAT pour le CND, et ses prédictions sont comparées avec succès à des résultats de mesure. / An electromagnetic acoustic transducer (EMAT) induces without contact dynamic sources in a ferromagnetic material which radiate ultrasonic waves used for its nondestructive evaluation (NDE).Taking account of the anhysteretic magnetic and magnetostrictive constitutive laws predicted by a simplified multiscale approach, the transduction model derives the electro-magnetic and magnetostrictive stresses tensors, well-fitted for the definition of electromagnetic and magnetostrictive sources induced by EMAT, irrespective of the piece geometry, of the material properties and of the transducer design.To efficiently predict ultrasonic field radiation with the CIVA platform, a method to transform body sources into equivalent surface stresses is developed. As a result, an equivalent surface source is derived to accurately depict all the transduction processes induced by EMAT in nonlinear magnetic material. The model is used to quantify the weight of each transduction mecanism, to illustrate effects of nonlinear magnetoelastic behaviors of materials, to enlighten the impact of elastic residual stresses on transduction sources. It is applied in a given EMAT NDE configuration to illustrate how the developed tools can help optimizing EMAT design, and its predictions are succesfully compared to experimental measurements.