Ce travail de thèse (CIFRE, Renault) porte sur la conception, le développement et la pré-industrialisation d'un nouveau type de moteur de haut-parleur sans fer utilisant des plasto-aimants, permettant à la fois de réduire très nettement la distorsion due au moteur, ainsi que d'alléger le haut-parleur grâce à une optimisation de la masse magnétique utile.Après un rappel sur le fonctionnement du haut-parleur, sa modélisation, les différentes non-linéarités qui lui sont propres, et plus particulièrement celles liées au moteur du haut-parleur, le manuscrit présente ensuite une nouvelle structure de moteur de haut-parleur tout aimant réalisée en plasto-aimant. Plusieurs mesures réalisées sur un prototype et sur le même haut-parleur équipé du moteur standard permettent de vérifier les attentes théoriques et de quantifier les avantages et les inconvénients de ce nouveau type de moteur. Ce prototype a été réalisé sur la base d'un haut-parleur automobile standard sur lequel le moteur a été changé. Le moteur a été réalisé par Paulstra/Hutchinson puis assemblé par Faital S.p.A., deux fournisseurs automobiles certifiés. Les méthodes utilisées pour réaliser ce prototype pourraient être directement dérivées pour une production en série. / This PhD work (CIFRE, Renault) deals with the conception, development and pre-industrialization of a new kind of ironless loudspeaker motor using bonded magnets, allowing to highly reduct the distortion due to the motor, as well as making the loudspeaker lighter thanks to an optimization of the useful magnetic mass.After reminding the general laws that describe the functioning of a loudspeaker, the different intrinsic non-linearities, and more particularly those directly linked to the loudspeaker motor, this thesis presents a new ironless structure made of bonded magnet that we developed during these three years. A complete theoretical study of this new structure, presenting the magnetic model and the design of the motor, is proposed and completed with several measurements realized on a prototype and on the standard loudspeaker in order to verify the theoretical expectations, with regard to harmonic and intermodulation distortion reduction, and quantify the advantages and disadvantages of this new kind of motor. This prototype was based on the design of a standard automotive loudspeaker on which the motor was replaced by a bonded magnet motor. The motor was fabricated by Paulstra/Hutchinson and then assembled on the loudspeaker by Faital S.p.A., both of whom are certified automotive suppliers. The methods used to realize this prototype could be directly derivated for mass production. This PhD work is used by the people in charge of the development of this technology with a view to a potential industrialization for mass market.

Cette thèse a pour objet la modélisation analytique des systèmes à aimants permanents. Leurs caractérisations supposent la détermination du champ magnétique qu'ils produisent et des énergies spécifiques mises en jeu. Les premiers travaux français réalisés par Durand en 1960 concernent principalement le calcul de champ créé par des aimants parallélépipédiques (structures planes) et des anneaux aimantés axialement. Les expressions analytiques des forces et couples, publiées par G. Akoun et J. P. Yonnet, et plusieurs études analytiques menées par F. Bancel et G. Lemarquand, dès les années 80-90, dénotent un intérêt manifeste pour l'optimisation des structures à aimants permanents. Les progrès de fabrication des aimants ouvrent alors des perspectives industrielles notables. Dès la fin des années 90, E. P. Furlani, B. Azzerbonni, E. Cardelli ou encore J.P. Selvaggi, S. Salon et M. V. K. Chari proposent des approches semi-analytiques et des développements sériels pour calculer le champ magnétique créé par des structures à topologie cylindrique. Dans ce prolongement, nous exposons dans cette thèse les expressions analytiques du champ magnétique créé par des anneaux de polarisation radiale. Ces modèles analytiques nous permettent d'évaluer le champ magnétique en tout point de l'espace. De façon connexe, nous établissons les formules du champ magnétique créé par un anneau aimanté axialement sous une forme plus générale que celle établie par Durand. De façon concomitante, S. I. Babic et C. Akyel développent en 2008 des modèles analytiques simplifiés du champ créé par des anneaux aimantés radialement et axialement. Dans un second temps, nous présentons les expressions du champ magnétique créé par des tuiles aimantées radialement, axialement et orthoradialement. Ces expressions sont basées sur des intégrales elliptiques incomplètes pour le cas des polarisations axiale et radiale. Dans le cas de la polarisation orthoradiale, l'expression du champ magnétique ne nécessite pas l'utilisation de fonctions spéciales. Notons que ces aimants à topologie courbe sont largement utilisés dans la conception de machines électriques, d'accouplements ou encore de capteurs. Néanmoins, les aimants en forme de tuiles sont généralement fabriqués avec des aimantations uniformes pour des raisons technologiques et économiques. Ainsi, les tuiles conjecturées à aimantation radiale, orthoradiale ou axiale ont usuellement une aimantation uniforme. Cette caractéristique d'uniformité engendre des ondulations de champ qui dépendent du nombre de tuiles utilisées. En conséquence, nous présentons les expressions du champ magnétique créé par des tuiles aimantées uniformément dans toutes les directions. Nous comparons les aimantations uniformes et idéales (radiale, orthoradiale et axiale) pour déterminer l'influence de l'uniformité de l'aimantation sur les caractéristiques du champ magnétique produit. Ces expressions nous permettent de modéliser et d'optimiser les structures de Halbach et de prédire les effets notoires résultants de l'uniformité de l'aimantation. Ces mêmes effets sont étudiés dans le cadre des structures dédiées à l'Imagerie par Résonance Magnétique. On propose ainsi un modèle analytique général permettant de reconstruire le champ magnétique produit par un assemblage d'aimants à aimantations tournantes uniformes. Les expressions exactes des forces, raideurs et couples s'exerçant entre anneaux et tuiles aimantées radialement, axialement ou uniformément, sont établies afin d'étudier tout dispositif constitué d'aimants permanents. Des modèles semi-analytiques aboutissent à l'optimisation d'accouplements magnétiques, de paliers passifs constitués d'anneaux et d'actionneurs linéaires. La deuxième partie de cette thèse traite de l'étude d'un haut-parleur sans fer. La présence du fer dans les pièces polaires est un inconvénient majeur dans la conception de moteurs de haut-parleurs électrodynamiques. Une nouvelle structure de haut-parleur sans fer, développée par G.~Lemarquand, permet de s'affranchir des non-linéarités engendrées par le fer et les suspensions périphériques. Ces suspensions sont remplacées par un ou plusieurs joints de ferrofluide dont le comportement mécanique dépend intrinsèquement du champ magnétique produit par sa structure. Les travaux antérieurs sur les ferrofluides (notamment R. E. Rosensweig) concernent essentiellement leurs propriétés d'étanchéité et thermiques. Nous envisageons dans cette thèse d'utiliser le ferrofluide pour ses propriétés mécaniques. Les outils analytiques caractérisant les champs magnétiques créés par des aimants permanents sont utilisés dans le cadre de l'étude de haut-parleurs sans fer. En effet, les expressions analytiques du champ magnétique conduisent à un modèle énergétique décrivant les propriétés mécaniques d'un joint de ferrofluide guidant le piston émissif d'un haut-parleur sans fer. Ce modèle est basé sur l'interaction du champ produit par la structure et l'aimantation saturée des particules ferromagnétiques du ferrofluide. La pression magnétique dans ce joint fixe ses raideurs radiale et axiale, son volume, sa forme et sa répartition dans l'entrefer du haut-parleur. La validité de ce modèle est confirmée par des mesures expérimentales. L'ensemble des travaux présentés dans ce mémoire fonde une démarche d'analyse des systèmes à aimants basée sur un mode opératoire exclusivement analytique. D'un côté, les modèles exacts des champs suggèrent des optimisations précises et rapides des dispositifs magnétomécaniques. D'autre part, appliqués au dimensionnement d'un joint de ferrofluide, ces modèles permettent des études paramétriques sur l'évolution de la pression du ferrofluide dans un entrefer en fonction des dimensions des aimants utilisés.

Les travaux présentés s'inscrivent dans le contexte de la micro-génération et de la gestion<br />d'énergie pour systèmes autonomes. Il s'agit du développement d'un micro générateur<br />discoïde, à aimants, sans fer et compatible avec des μ-turbines à gaz ou à air comprimé<br />opérant à haute vitesse de rotation (10 – 1 000 ktr/min). Le modèle multi-physique établi<br />permet d'évaluer la performance des μ-générateurs magnétiques en fonction de leurs<br />conditions de travail et de leurs paramètres géométriques. Un premier prototype intégré<br />produit une puissance de 15 mW à 60 000 tr/min, un second prototype produit 5 W à 380 000<br />tr/min avec ηel ≈ 57 %.<br />Les convertisseurs de faible puissance associés aux micro-alternateurs triphasés basse<br />tension sont ensuite étudiés. Un micro-redresseur triphasé, sans seuil et entièrement autonome<br />a été monolitiquement intégré en technologie CMOS 0,35 μm. La caractérisation a prouvé sa<br />pleine fonctionnalité ainsi que les bonnes performances.