La machine synchrone à griffes est un dispositif très utilisé comme alternateur dans l’automobile. La fabrication de cette machine, produite en masse, met en œuvre des procédés impactant les caractéristiques des matériaux ferromagnétiques et donc, in fine , les performances de l’alternateur. Ce travail de thèse est donc consacré à étudier l’impact du processus de fabrication d’un stator Slinky (basé sur un enroulement d’une bande de tôle plutôt qu’un empilement) sur les propriétés magnétiques. Pour ce faire, une première partie du travail consiste à quantifier l’impact de chaque procédé mis en œuvre. Le but est de séparer les procédés les plus fortement impactant. Une campagne de caractérisation magnétique, sur des échantillons prélevés avant et après chaque procédé, a été réalisée. Les résultats montrent que le procédé d’enroulement est l’étape la plus destructive à cause des déformations et des contraintes engendrées dans le plan de la tôle à la fois en traction et en compression. L’optimisation de ce procédé nécessite donc d’établir le lien entre les propriétés mécaniques et magnétiques. Nous proposons une nouvelle méthode de caractérisation magnéto-mécanique. Elle permet de réaliser une caractérisation magnétique sous chargement uni axial en traction et en compression. Enfin, nous présentons des résultats montrant l’évolution du comportement magnétique, d’un matériau FeSi NO, en fonction de la déformation et de la contrainte appliquée. / The synchronous claw pole machine represents a widely used device, as an alternator, in the automobile industry. The production of this machine implements a line of several processes which impact the characteristics of ferromagnetic materials and, ultimately, the performance of the alternator. Therefore, this work is devoted to studying the impact of the manufacturing processes of a Slinky stator (based on a rolled sheet metal strip rather than stacked sheets) on the magnetic properties. To reach our goal, a first task consists in quantifying the impact of each manufacturing process. The aim is to separate the most detrimental processes. Thus, a magnetic measurement campaign was carried out on samples withdrawn before and after each process.The results show that the rolling step represents the most detrimental process due to the generated stresses and strains in the plane of the sheet in both modes (tension and compression). Therefore, the optimization of this process requires setting up the link between the mechanical and magnetic properties. Hence, we propose a new method of magneto-mechanical characterization. It enables to carry out magnetic measurements under uniaxial loading (tension and compression). Finally, we present results showing the evolution of the magnetic behavior of a FeSi NO material depending on the applied stress and strain.

L'alternateur à griffes est l'alternateur le plus utilisé dans l'industrie automobile. Afin d'augmenter sa puissance volumique, une solution classique consiste à utiliser des aimants NdFeB entre les griffes. Ces dernières années, le prix des aimants NdFeB a beaucoup augmenté remettant en question leur utilisation. Ce contexte implique de trouver de nouvelles solutions techniques permettant de conserver la même puissance volumique sans utiliser d'aimant NdFeB. Dans le cadre de ces travaux de thèse la solution proposée consiste a utiliser des matériaux magnétiques doux nobles tels que les FeCo (AFK18, AFK1 et AFK502). De part leur coût élevé, nous avons limité leur utilisation au noyau de l'alternateur même si leur utilisation au rotor est également évaluée. Ces travaux s'appuient sur une démarche de dimensionnement multi-niveaux (modèle reluctant et modèle éléments finis) ce qui apporte un bon compromis temps de calcul/précision. Une série d'études a été réalisée avec dans un premier temps, l'identification d'une géométrie de noyau favorable à l'utilisation de noyau en FeCo. Dans un second temps, une étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au noyau avec une optimisation du rotor. Ensuite une étude présente le dimensionnement complet de l'alternateur (optimisation du rotor et du stator avec une étude sur le nombre optimal de paires de pôles) avec un noyau en AFK502 ce qui d'identifier le gain maximal en courant batterie apporté par l'utilisation d'un noyau en FeCo. Pour finir, une dernière étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au rotor avec une optimisation du rotor et du stator.

Au cours de ce manuscrit sont reportées l'élaboration et la caractérisation de matériaux ferromagnétiques doux : les microfils nanocristallisés gainés de verre de composition Finemet élaborés par le procédé de tirage Taylor-Ulitovsky et les couches minces amorphes de composition CoNb et CoZr déposées par pulvérisation cathodique assistée magnétron. Une première partie du travail de thèse a été consacrée à l'étude de l'influence de l'état structural et de la composition sur les propriétés magnétiques, respectivement au travers des microfils nanocristallisés gainés de verre et des couches minces amorphes. Une deuxième partie a été vouée à référencer les différentes sources de dispersion d'aimantation des couches minces magnétiques, élaborées au déroulé sur substrat polymère. Une méthode a été proposée afin de quantifier la distribution d'anisotropie en angle et en intensité dans l'épaisseur. Le comportement magnétique des telles couches a été modélisé en prenant en compte la distribution d'aimantation expérimentale dans une approximation de n-macrospins sans interaction d'échange. Un second volet a consisté à développer un modèle micromagnétique unidimensionnel prenant en compte l'énergie d'échange. Ce modèle a été appliqué avec succès sur une bicouche et une multicouche à anisotropies magnétiques croisées, élaborées spécifiquement à cet effet. L'étude exhaustive d'une bicouche à anisotropies croisées a été menée : aimantation statique et dynamique, structure en domaines magnétiques, aimantation dynamiquement couplée et caractérisation du profil d'aimantation dans l'épaisseur.

La construction électrique reposant en grande partie sur l’utilisation des propriétés électromagnétiques du fer et de ses alliages, les concepteurs ont besoin d’une connaissance précise de ces propriétés. Les caractéristiques des matériaux magnétiques doux, typiquement celles de l’acier des roues polaires d'une machine à griffes, peuvent être notablement impactées par les procédés de fabrication. Celles-ci doivent alors être caractérisées directement sur la pièce finale. Dans ce travail, on propose une méthode de mesure non destructive combinant une démarche opératoire et la simulation par éléments finis afin de caractériser la conductivité électrique locale des roues polaires. Afin d’adapter les paramètres expérimentaux à la géométrie de la pièce considérée, et à l’aide d’un diagramme 5M (ou diagramme d'Ishikawa), une démarche d’optimisation de la méthode est entreprise. Puis l’incertitude de mesure est déterminée à l’aide de deux démarches différentes. Cette méthode est ensuite exploitée pour mener une étude sur une population de roues polaires extraites de la chaîne de production. Dans un second temps, la méthode est étendue pour la mesure de perméabilité incrémentale. Des essais sur tôles épaisses ont permis de valider l’approche proposée à l'aide du même type de capteur. Par ailleurs, une étude complémentaire par éléments finis 3D a permis de mettre en évidence les limites de l'approche analytique, notamment lorsque la perméabilité de la plaque et son épaisseur deviennent trop importantes. Finalement, cette méthode est appliquée au cas des roues polaire, dans le cadre d’une approche qualitative, en vue d’une application de type contrôle qualité. / Electrical energy conversion devices are based on the use of electromagnetic properties of iron and its alloys. Therefore, an accurate knowledge of these properties is required for the designers. The characteristics of the soft magnetic materials, typically those of a claw pole rotor, can be significantly impacted by the manufacturing processes. Consequently, these properties must be characterized directly on the manufactured magnetic piece. In this work, a non-destructive measurement method combining an operative approach and the finite element simulation is proposed to characterize the local electrical conductivity of the claw pole rotor. The choice of the experimental parameters associated to the claw pole rotor geometry is optimized using the Ishikawa diagram. Then, the measurement uncertainty is determined using two different approaches. This method is applied to perform a study on a population of claw pole rotors issued from the manufacturing chain. Secondly, the method is extended to incremental permeability measurement. Tests on thick sheets were realized to validate the proposed approach with the same type of sensor. Moreover, a complementary study in 3D finite element has emphasized the limitations of the analytical approach, especially when the permeability of the plate and its thickness become significant. Finally, this method is applied to the case of claw pole rotors through a qualitative approach for a quality control application.

L'alternateur à griffes est l'alternateur le plus utilisé dans l'industrie automobile. Afin d'augmenter sa puissance volumique, une solution classique consiste à utiliser des aimants NdFeB entre les griffes. Ces dernières années, le prix des aimants NdFeB a beaucoup augmenté remettant en question leur utilisation. Ce contexte implique de trouver de nouvelles solutions techniques permettant de conserver la même puissance volumique sans utiliser d'aimant NdFeB. Dans le cadre de ces travaux de thèse la solution proposée consiste a utiliser des matériaux magnétiques doux nobles tels que les FeCo (AFK18, AFK1 et AFK502). De part leur coût élevé, nous avons limité leur utilisation au noyau de l'alternateur même si leur utilisation au rotor est également évaluée. Ces travaux s'appuient sur une démarche de dimensionnement multi-niveaux (modèle reluctant et modèle éléments finis) ce qui apporte un bon compromis temps de calcul/précision. Une série d'études a été réalisée avec dans un premier temps, l'identification d'une géométrie de noyau favorable à l'utilisation de noyau en FeCo. Dans un second temps, une étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au noyau avec une optimisation du rotor. Ensuite une étude présente le dimensionnement complet de l'alternateur (optimisation du rotor et du stator avec une étude sur le nombre optimal de paires de pôles) avec un noyau en AFK502 ce qui d'identifier le gain maximal en courant batterie apporté par l'utilisation d'un noyau en FeCo. Pour finir, une dernière étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au rotor avec une optimisation du rotor et du stator. / Claw-pole alternators are often used in automotive industry. Permanent magnets like NdFEB are currently integrated to increased the power density of claw-pole machine. However their higher price brings into question their usage. This tight context implies finding new technical solutions to keep the same power density without NdFeB magnets. The solution adopted consists to evaluate the potential of gain with different soft magnetic materials and more especially FeCo family (AFK18, AFK1 et AFK502). Their higher price imposed us to use FeCo just at the core of the alternator but we have also evaluate their usage at the rotor. This work is based on an adapted design methodology including two modeling level (magnetic equivalent circuit model and finite element model) in order to obtain a good compromise between time computation/accuracy. Several studies have been made with, as a first step, the identification of new core geometry customized for FeCo core. As a second step, a study comparing output current according to FeCo used at the core is presented, rotor is optimized only. As a third step, is exposed the global optimization of the alternator with an AFK502 (rotor and stator optimization with a study on the optimal poles pairs number) in order to identify the maximum output current gain with an FeCo core. Finally, the last study compare output current according to FeCo used at the rotor, rotor and stator are optimized .

La capacité à détecter des micro-défauts ou des défauts profonds dans les pièces métalliques constitue un enjeu important pour l'industrie de l'aéronautique ou du nucléaire. La technique de contrôle non destructif (CND) par courant de Foucault est souvent utilisée pour cette application. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d'une collaboration ayant pour but la réalisation et l'intégration de micro-capteurs de champ magnétique basés sur l’effet de magnéto-impédance (MI) à des systèmes de détection par CND. Ces micro-capteurs de structure multicouche (ferromagnétique/conducteur/ferromagnétique) ont été élaborés en salle blanche par dépôt de films minces. Un traitement thermique sous champ magnétique a ensuite permis d’optimiser les propriétés du matériau et d’induire des anisotropies dans le plan des couches ferromagnétiques. Une méthode basée sur la double démodulation d’amplitude du signal de mesure a été proposée pour la caractérisation dynamique des capteurs. Les paramètres importants tel que la géométrie, l’anisotropie et la fréquence d’excitation ont été étudiés afin d’optimiser les caractéristiques. Les résultats ont montré la nécessité de polariser les capteurs en champ. Nous avons donc étudié la possibilité de réaliser, grâce à une technique de micromoulage épais, un microsolénoïde 3D et des travaux préliminaires sur l’intégration d'un capteur dans le microsolénoïde par transfert de film ont été effectués. Enfin, une étude théorique a été réalisée en tenant compte des résultats obtenus expérimentalement. Pour cela, le modèle de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) a été implanté dans un code de calcul électromagnétique par éléments finis permettant de calculer l’impédance du capteur en fonction du champ magnétique appliqué. / The capability to detect micro-defects or buried flaws in the metallic parts is an important issue for the aerospace or nuclear industry. The technique of nondestructive testing (NDT) by eddy current is widely used for these applications. This thesis is part of collaboration project aimed at the realization and integration of magnetic field microsensors based on the magneto-impedance (MI) effect for the NDT detection systems. These multilayered structure microsensors (ferromagnetic/conductor/ferromagnetic) were realized in the clean room by thin film deposition method. A post-annealing step with magnetic field was then used to optimize the material properties and to induce magnetic anisotropy in the ferromagnetic layers. A method based on the double amplitude demodulation was proposed for the dynamic characterization of the sensors. The important parameters such as the geometry, the anisotropy and the driven frequency were studied in order to optimize the characteristics. The results showed that a bias field is necessary for the application. Therefore, we have investigated the possibility to realize, through thick micromoulding technique, a 3D microsolenoid and preliminary work on integrating a sensor in the microsolenoid by film transfer has been carried out. Finally, a theoretical study was investigated by taking into account the results obtained experimentally. For this purpose, the model of Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) has been implemented in an electromagnetic finite element calculation program in order to determine the impedance of the sensor as a function of the applied magnetic field.