La thèse porte sur la caractérisation expérimentale des pertes singulières dans les matériaux magnétiques au sein d’actionneurs électromécaniques conçus pour le développement du programme « avion plus électrique », où la maîtrise des pertes d’énergie est un enjeu absolument majeur. Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l’avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c’est possible.Par pertes singulières on entend toutes les pertes liées aux contraintes magnéto-mécano-thermiques liées d’une part à la mise en œuvre (découpe, assemblage contraint, isolation, traitement thermique...) des matériaux et d’autre part aux conditions réelles de fonctionnement (champ tournant, haute fréquence, saturations locales...) au sein des machines électriques (HV/HF), et qui sont très difficiles à estimer précisément de façon analytique ou via les dispositifs conventionnels de tests. Ces sollicitations influencent les caractéristiques de tôles qui peuvent s’éloigner significativement des données du fabricant (donc fausser le calcul des performances).Au début de cette thèse on s’est focalisé sur le montage d’un banc d’essai évolutif équipé de moyens de mesure directe du couple et d’une machine d’entraînement (8 ktr/min ; 42 kW) tarée par nos soins. Sur cette dernière une longue campagne d’essais a été menée pour isoler les différentes composantes de pertes, dont, par exemple, les pertes mécaniques (par frottement dans les roulements + aérodynamiques) qui ont été quantifiées via un rotor neutre. Les pertes dans les aimants sont indissociables des pertes fer, donc, elles ont été estimées par le biais d’une modélisation par éléments finis tridimensionnelle. Les pertes dans la frette de maintien sont nulles du fait qu’elle est isolante (thermo-rétractable). Le bobinage utilisé dans ce moteur est très particulier, à barres massives (remplissage de cuivre dans l’encoche jusqu’à 90%), développé dans notre laboratoire IES. Les pertes atypiques au sein de ce bobinage spécial ont été profondément abordées dans ces travaux (effet de refoulement de courants, pertes aux extrémités de la machine...).Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons exploré le fonctionnement des machines synchrones à aimants à haute fréquence afin d’accroître la densité de puissance de nos moteurs (pour franchir la barre de 2.5 kW/kg). Pour ce faire, après une étude détaillée, nous avons proposé en premier lieu un prototype avec des matériaux standard (stator FeCo Vacodur49 0.2mm, rotor FeSi, aimants NdFeB nuance N35EH, bobinage à barres cuivre) fonctionnant à 1666 Hz, tournant à 5000 tr/min, avec une densité de puissance de 4.5 kW/kg et un rendement de 94%. En second lieu, nous avons proposé un deuxième prototype de rendement plus faible (93%) mais qui a une densité de puissance proche de 6 kW/kg avec un rotor sans fer et un bobinage en Aluminium.Avant le montage final de ce prototype modulaire, nous avons effectué des mesures de pertes magnétiques, en conditions réelles de fonctionnement d’un moteur électrique, sur une multitude de tôles FeSi et FeCo (Vacodur49, NO20, M270-35A) avec la variation de différents procédés de fabrication: isolation (vernis thermo-collant « back-lack », vernis C5), découpe (laser, électroérosion) et traitement thermique. Pareillement, toutes les pertes mises en jeu ont été séparées (mécaniques, par courants induits dans les viroles...) pour pouvoir remonter aux pertes magnétiques et, donc, enfin, quantifier empiriquement le coefficient de majoration de pertes fer. / The main aim of this thesis was to study and experimentally assess the additional iron losses in the stator (electrical lamination steel) of high performance permanent magnet synchronous machines (PMSM) designed for aircraft applications, in relation with the “more-electric-aircraft” project. This international program consists of gradually introducing electrical systems to replace onboard hydraulic and pneumatic systems, for example to power the landing gear wheels (Electric Green Taxiing System)…The extra iron losses are caused by manufacturing processes (cutting, sticking, insulation, stacking, pressing, shrink-fitting, thermal treatment …) and the real conditions of use of electrical motor (namely: rotational flux, saturation, high frequency…). Indeed, the mechanical and thermal stresses during the manufacturing steps can deteriorate the magnetic properties of the material and significantly increase the iron losses. These aspects are difficult to accurately evaluate by analytical models or standard measurements (Epstein frame…) and require experimental assessment to precisely calculate the motor efficiency.First of all, we started by developing a test bench equipped with drive motor: PMSM 8000 RPM ; 42 kW. For accurate assessment, the losses in this machine are separated on the test bench, for example, the mechanical losses (bearings loss & windage loss) have been measured at different speed with a non-magnetic rotor. Rotor magnets eddy-current losses cannot be isolated from iron losses, for this reason they have been calculated using a 3D finite element model. To limit rotor loss we then used a non-conductive retaining sleeve (heat shrink sleeve). In the winding, we used bar-wound conductors, which is an original winding technology developed in our laboratory, and whose advantage among others is the unusual copper fill factor that reaches almost 90%.Subsequently, we explored the high frequency machines (>1 kHz) in order to increase the power-to-weight ratio (cross the threshold of 2.5 kW/kg). We proposed, the following to the analytical and finite element study, a first conventional prototype with a power-to-weight ratio equal to 4.5 kW/kg with: FeCo stator (Vacodur49 0.2 mm), FeSi rotor and NdFeB magnets (N35EH), operated at 1666 Hz, 5000 RPM and 94% efficiency at full load. A second motor had been also proposed with both rotor and winding in aluminum, in this case the power-to-weight ratio reaches around 6 kW with, however, less efficiency (93%).Finally, this HF motor was tested, at no load, on the aforementioned test bench. The experiments were carried out on a multitude of FeCo and FeSi stator core samples coming from different manufacturing processes (insulation: bonding varnish and C-5 varnish; cutting: laser and EDM “Electrical Discharge Machining”; thermal treatment) in real operating conditions of a high frequency PM machine in order to experimentally obtain the famous “additional coefficient” of iron losses (Kadd).

Afin de pouvoir prédire le comportement des renforts de composites 3D interlock au cours d'un procédé de mise en forme, il est nécessaire de connaitre la position des mèches dans le renfort durant la phase de préformage du procédé. Les travaux présentés ici traitent de la simulation du préformage de renforts 3D épais à l'aide d'un élément fini hexaédrique semi-discret spécifique. En utilisant le principe des travaux virtuels, on distingue le travail interne virtuel dû à la tension des mèches des autres travaux virtuels. La raideur due aux tensions de mèches, qui constitue la contribution principale de la rigidité du matériau, est prise en compte à l'aide de barres incluses dans les éléments. Les rigidités dues aux autres sollicitations, comme la compression transverse, les cisaillements ou les frottements inter-mèches, sont décrites par un matériau continu additionnel. La combinaison de ce modèle discret du premier ordre et d'un matériau continu hyperélastique anisotrope dit du second ordre, pour formuler le comportement du matériau va permettre la simulation du préformage des renforts tissés épais. Conjointement aux travaux sur la simulation, des travaux expérimentaux pour l'identification des paramètres matériau de la loi de comportement ont été définis et réalisés. Ces paramètres concernent les deux parties de la formulation du comportement. / In order to simulate 3D interlock composite reinforcement behavior during forming process, it is necessary to predict yarns positions in the fabric during the preforming stage of the process. The present work deals with thick 3D interlock fabric forming simulation using specific hexahedral semi-discrete finite elements. Using the virtual work principle, we distinguish the virtual internal work due to tensions in yarns from other internal virtual works. The stiffness relative to yarns tension which is the main part of the rigidity is described by bars within the elements. The other rigidities - like transverse compression, shears or friction between yarns - are depicted by a continuous additional material. A combination of this "first order" discrete model and a continuous orthotropic hyperelastic "second order" material formulation will enable us to simulate the interlock preforming process. Jointly to the simulation work, we also had to specify and perform experimental testing identification of material parameters. These parameters concern both parts of the model.

The procedure of joining flexible or nonrigid parts using applied loads is called compliant assembly, and it is widely used in automotive, aerospace, electronics, and appliance manufacturing. Uncontrolled assembly processes may produce geometric errors that can exceed design tolerances and induce an increment of elastic energy in the structure due to the accumulation of internal stresses. This condition might create unexpected deformations and residual stress distributions across the structure that compromise product functionality. This thesis presents a method based on nonlinear Finite Element Analysis (FEA), metamodelling, and optimization techniques to provide accurate and on-time shimming strategies to support the definition of optimum assembly strategies. An example of the method on a typical aerospace wing box structure is demonstrated in the present study. The delivered outputs intend to support the production line by anticipating the response of the structure under a specific assembly condition and presenting alternative assembly strategies that can be applied to address eventual predicted issues on product requirements. / Graduate

This thesis describes properties of windings of electric rotating machines and their insulation systems. There are winding and insulation low voltage machines tests listed with their procedures and criteria. Further it deals with coordination methodology and the last part contains execution and results assessment of tests conducted on stator samples.

Die erste Chemnitzer Brennstoffzellenkonferenz wurde vom Innovationscluster HZwo und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU durchgeführt. Ausgewählte Fachbeiträge und Präsentationen werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. / The first fuel cell conference was initiated by the innovation cluster HZwo and the Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology. Selected lectures and presentations are published in the conference proceedings.

電磁応用機器の特性向上に繋がる基礎的知見を得ることを目的とし，電磁鋼板および鉄心内部の局所的な磁気特性の分布に着目した研究を行った。方向性電磁鋼板については，鋼板内部の局所領域の磁気特性の測定手法を開発し，磁気特性の不均一分布の原因を解明した。無方向性電磁鋼板においては，打抜き，カシメ，応力といった鉄心製造に関わる因子の影響を評価し，鉄心での磁気特性劣化の機構を明らかにした。 / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Denna avhandling syftar till att undersöka vilka miljöfaktorer som bör beaktas vid val av material och tillverkningsprocesser samt att utforma ett föreslaget ramverk för att underlätta val av material och tillverkningsprocesser. För att uppnå syftet formulerades två forskningsfrågor. En litteraturöversikt genomfördes för att ge en teoretisk grund för avhandlingen och underlätta möjligheten att besvara forskningsfrågorna. Dessutom genomfördes strukturerade litteraturstudier för att besvara forskningsfrågorna om vilka miljöfaktorer som bör beaktas och hur ett ramverk kan utvecklas för att välja material och tillverkningsprocesser baserat på miljöfaktorer. De valda områdena för dessa studier inkluderade val av tillverkningsprocess, materialval och hållbara utvecklingsmål. För att underlätta utformningen av ramverket genomfördes en fallstudie och intervjuer på ett lokalt belysningsföretag. Dessa insatser gjordes för att ge insikter i de praktiska överväganden som ingår i att implementera ett miljömedvetet ramverk för val av material och tillverkningsprocesser. Studien innefattade en jämförelse av två olika tillvägagångssätt, nämligen livscykelanalys och "Multi-Criteria Decision-Making", för att avgöra deras effektivitet i att uppnå forskningssyftet. Detta resulterade i inkluderingen av livscykelanalys i det föreslagna ramverket. Dessutom analyserades intervjuerna för att få användbara insikter som kunde bidra till ramverkets utveckling. Ett ramverk utformades med hjälp av analysen av intervjuerna och den identifierade litteraturen. De miljöfaktorer som beaktades i ramverket var "Impact Categories". Dessutom validerades ramverket i en fallstudie. Diskussionen och slutsatsen inkluderar metoderna, resultaten och analysen, ramverksdesignen, ramverkets bidrag till FN:s hållbarhetsmål, forskningsfrågorna och etiska aspekter som behövde beaktas i denna studie. Det dras slutsatsen att Impact Categories är rimliga att beakta som miljöfaktorer och att det föreslagna ramverket fungerar i en verklig fallstudie. / This thesis aims to investigate what environmental factors to consider when selecting materials and manufacturing processes and designing a proposed framework to aid the material and manufacturing process selection. To facilitate the accomplishment of the purpose, two research questions were formulated.  A literature review was conducted to provide a theoretical foundation for the thesis and facilitate the ability to address the research questions. Furthermore, to address the research questions concerning which environmental factors to consider and how a framework can be developed for selecting materials and manufacturing processes based on environmental factors, structured literature studies were conducted. The selected topics of these studies included manufacturing process selection, material selection, and sustainable development goals. To aid in the design of the framework, a Case Study and Interviews were conducted at a local luminaire company. These efforts were undertaken to provide insights into the practical considerations involved in implementing an environmentally conscious framework for material and manufacturing process selection.  The study involved a comparison of two distinct approaches, namely, Life Cycle Assessment and Multi-Criteria Decision-Making, to determine their efficiency in achieving the research purpose. This resulted in the inclusion of Life Cycle Assessment in the proposed framework. Additionally, the Interviews conducted were analyzed to gain useful insights that could inform the development of the framework.  A framework was designed, using the analysis of the Interviews and the identified literature. The environmental factors considered in the framework were the Impact Categories. Moreover, the framework was then validated in a Case Study.  The Discussion and Conclusion chapter include the Methods, Results & Analysis, Framework Design, Framework Contribution to Sustainable Development Goals, the Research Questions, and the Ethical Aspects needed to be considered in this study. It is concluded that Impact Categories are reasonable to consider as environmental factors and that the proposed framework works in a real-life case.