La réfrigération magnétique est une technologie émergente de production de froid. Elle constitue une alternative à la technique classique utilisant des fluides frigorigènes polluants. L'effet magnétocalorique qui en est à la base se traduit par le refroidissement ou l'échauffement de certains matériaux sous l'action d'un champ magnétique. Ce travail de thèse se situe dans le domaine de l'étude de ces matériaux et des dispositifs de réfrigération magnétique à aimants permanents autour de la température ambiante. Ainsi, des composés à effet magnétocalorique géant à l'ambiante de formule Mn1−x(Ti0.5V0.5)xAs ont été étudiés. D'autre part, un système complet de réfrigération magnétique à aimants permanents initié par une thèse précédente a été réalisé et testé. Enfin, pour relier ces deux thématiques, un dispositif de test a été réalisé. Il permet d'évaluer et de comparer les performances de ces nouveaux matériaux dans les conditions réelles de fonctionnement dans un bloc réfrigérant.

Les fonctions magnétiques sont aujourd'hui omniprésentes dans les systèmes Lab-on-Chip. Une découverte surprenante est que tandis que la recherche Lab-on-Chip se concentre sur la miniaturisation, les fonctions magnétiques sur puce sont généralement assurées par des aimants centimétriques. Comparés à ces aimants centimétriques, les champs générés par les micro-aimants bénéficient de lois d'échelle conduisant à des gradients de champ considérablement amplifiés et donc à des forces magnétiques proportionnellement accrues. Le but de cette thèse était de démontrer le potentiel des Lab-on-Chips à base de micro-aimants. Les micro-aimants haute performance ont été intégrés avec succès dans les matériaux Lab-on-Chip les plus pertinents, y compris le polymère, le silicium et le papier. Nous avons étudié des fonctions sur puce basées sur l'interaction de structures mécaniques et de micro-aimants actionnés par des gradients magnétiques, des forces et des couples. Enfin, nous avons simulé, fabriqué et testé une variété de nouvelles puces couvrant un large champ d'applications telles que les études cellulaires-mécaniques, la magnétophorèse, la manipulation de fluides sur puce et le diagnostic auprès du patient. Nous concluons que les micro-aimants intégrés présentent un grand potentiel pour les applications de laboratoire sur puce et devraient être plus largement exploités. / Magnetic functions are nowadays ubiquitous in Lab-on-Chip systems. A surprising finding is that while Lab-on-Chip research focalizes on miniaturization, on-chip magnetic functions are usually driven by centimetric magnets. Compared to those centimetric magnets, fields generated by micro-magnets benefit from scaling laws leading to dramatically increased field gradients and thus proportionally improved magnetic forces. The aim of this thesis was to demonstrate the potential of micro-magnet based Lab-on-Chips. High-performance micro-magnets were successfully integrated in the most relevant Lab-on-Chip materials including polymer, silicon and paper. We studied on-chip functions based on the interaction of mechanic structures and micro-magnets actuated by magnetic gradients, forces and torque. Finally, we simulated, fabricated and tested a variety of new chips covering a large field of applications such as cell-mechanics studies, magnetophoresis, on-chip fluid handling and Point-of-Care diagnostics. We conclude that integrated micro-magnets show great potential for lab-on-chip applications and should be more widely exploited.

Dans le cadre de la réduction des émissions des gaz à effet de serre, et devant l'augmentation incessante du prix de l'énergie, la course à l'amélioration des performances énergétiques touche tous les secteurs : industriel, tertiaire ou même celui des particuliers. La consommation de l'énergie électrique est due en grande partie aux moteurs électriques, et particulièrement les machines asynchrones, utilisées dans diverses applications telles que le pompage, la ventilation ou la compression. Ces machines sont caractérisées par des rendements relativement faibles et leur remplacement par des machines plus performantes permettrait un gain d'énergie non négligeable. Les machines à aimants permanent ayant pouvoir de démarrage autonome sont de bonnes candidates pour répondre à ce besoin. Elles ont de très bons rendements et les artifices supplémentaires permettant le démarreur automne suppriment la nécessité d'utiliser des convertisseurs statiques comme dans le cas des machines à aimants classiques. Des contraintes spécifiques se posent cependant pour l'utilisation et le dimensionnement de ces machines : en effet, le courant de démarrage ne doit pas être trop important à cause du risque de démagnétiser les aimants et le couple de démarrage doit être suffisamment grand pour assurer un démarrage en charge. Par ailleurs les rendement et facteurs de puissance en pleine charge doivent être assez nettement supérieurs à ceux des machines asynchrones pour les rendre plus compétitives. Dans cette thèse, nous étudions trois structures de rotor permettant de répondre à un cahier des charges donné. Ces trois structures utilisent des aimants en surface, insérés dans un rotor massif ou dans un rotor à cage. Elles ont leurs avantages et leurs inconvénients, que nous avons mis en évidence par une étude comparative assez détaillée. Cette étude comparative n'a pu être mise en oeuvre sans l'établissement de modèles en régime statique ou dynamique de ces machines ou encore de méthodologie de conception. Un prototype à échelle réduite a été dimensionné, réalisé et testé au laboratoire ; il confirme les principes de base de ce type de machines / In the context of reducing emissions of greenhouse effect, and of energy cost, the competition to improve the performances of the equipments affects all the domains. The consumption of electricity is mostly due to the electric motors, and particularly induction machines, used in various devices such as pumps, fans or compressors. These machines are characterized by relatively low efficiencies, and their replacement by more efficient machines should lead to a significant power saving. The Line-Start Permanent Magnet motors are good candidates to achieve this purpose. They have higher efficiencies and the additional devices for self-start eliminates the need of static converters, as it is normally required for conventional permanent magnet motors. Specific constraints arise for the use and the design of these machines: the starting current should not be so high to avoid the risk of the demagnetization of magnets and the starting torque must be large enough to ensure the start under load. Moreover, the efficiency and power factor at full load must be sufficiently higher than those of asynchronous machines in order to make them more competitive. In this thesis, we study three rotor structures to meet a given specification. These three structures use magnets inserted on the surface, embedded in a solid rotor or a cage rotor. They have their advantages and drawbacks that we have shown by a comparative study in some detail. This comparative study could not be implemented without the development of models in both static and dynamic conditions of these machines and a specific design methodology. A small scale of prototype has been designed, built and tested in the laboratory; it confirms the basic principles of such machines

Les travaux menés au cours de cette thèse abordent les aspects de la conception optimale des machines électriques appliquées à la traction automobile.Cette thèse traite tout d’abord des contraintes imposées par le cahier des charges de l’application automobile électrique/hybride. Une méthode de classification ayant pour but de réduire le nombre d’évaluations des points de fonctionnement y est décrite. Ensuite, un prédimensionnement optimal de la machine est présenté. Le design de la machine est alors construit pour respecter la solution obtenue par le prédimensionnement.Dans la suite, une modélisation électromagnétique analytique précise et rapide de la machine est mise au point pour évaluer ses performances. Enfin, le modèle analytique précédemment conçu est couplé à une routine d’optimisation. Deux solutions optimales de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dédiées à l’application automobile seront finalement mises en exergue. / The work presented in this thesis aims at the modelling and optimisation of electrical machine for an automotive application.The first part shows the constraints required to electric/hybrid automotive specifications. A clustering method which allows to reduce evaluations number of the operating points is described. Next, an optimal pre-sizing of the machine is presented and designed in order to respect this optimal pre-sizing.In what follows an accurate and fast analytical electromagnetic modelling of the machine is performed. Well, the analytical modelling developed is related to a genetic algorithm. Two solutions of permanent magnet synchronous machines (PMSM) designed to automotive application are finally showed and analysed.

L'objet des présents travaux est d'étudier, à la lumière d'une modélisation multiphysique, une association hélice / machine électrique innovante où la machine synchrone à aimants permanents et à flux radial est déportée en périphérie d'hélice. Cette technologie dite " Rim Driven " est envisagée pour la propulsion comme pour la récupération de l'énergie cinétique des courants. Dans la continuité d'une étude bibliographique exhaustive, il nous apparait essentiel de chercher à cerner plus finement les spécificités et les domaines d'application potentiels de telles structures. Un outil analytique de pré dimensionnement systématique robuste, rapide et de bonne précision est ainsi développé. Une approche multiphysique est privilégiée afin d'englober l'ensemble des phénomènes susceptibles d'influencer les performances globales du système. Elle fait intervenir des modèles d'ordre électromagnétique, thermique et hydrodynamique. Certains sont spécifiquement développés pour la structure Rim Driven qui présente quelques particularités intéressantes telles qu'une longueur axiale courte ou un entrefer épais et immergé. Les hypothèses conditionnant leur validité sont par ailleurs discutées. Plusieurs cahiers des charges sont ensuite étudiés : les performances et conditions de fonctionnement pour ces différentes applications sont mises en évidence et analysées. La structure Rim Driven est par ailleurs comparée à une structure de référence en nacelle de type POD. Finalement, c'est l'idée même d'un modèle multi-physique couplé qui est analysée et pour laquelle nous cherchons à appréhender la pertinence par rapport à une approche séquentielle plus classique. Les résultats obtenus révèlent que, dans un certain nombre de cas, une telle approche peut être pertinente. En dernier lieu, la conception et la fabrication d'une petite maquette développée en parallèle de la présente étude est décrite dans la perspective d'essais en bassin au cours de l'année 2011.

Depuis leur d��couverte dans les ann��es 90, les mol��cules-aimants constituent une classe de mat��riaux magn��tiques qui a attir�� l'attention du fait de leur bistabilit�� magn��tique. Ces syst��mes donnent l'espoir formidable de pouvoir stocker un bit d'information �� l'��chelle mol��culaire. Ainsi, leur organisation dans des r��seaux est devenue un enjeu essentiel en vue de leur int��gration dans des dispositifs. Lors de cette th��se, l'organisation contr��l��e de ces mol��cules par chimie de coordination en utilisant diff��rents connecteurs s'est r��v��l��e ��tre une strat��gie de choix. Le chapitre I pr��sente une approche th��orique de ce projet de recherche. Dans ce chapitre, les propri��t��s de mol��cules-aimants, cha��nes-aimants, conversion de spin et transfert d'��lectron sont d��crits et discut��s. Le chapitre II contient la bibliographie pertinente sur les r��seaux de coordination �� base de mol��cules-aimants et les syst��mes photoactifs bim��talliques cont��nant des groupements cyanures. Le chapitre III pr��sente l'organisation de mol��culesaimants [Mn4] en r��seaux 1D et 2D par des liens diamagn��tiques (ions chlorures) ou des liens paramagn��tiques contenant des ions m��talliques (NiII, MnII et CuII). Les ��tudes physiques (cristallographie par rayons X, mesures magn��tiques et de chaleurs sp��cifiques) et des analyses th��oriques sur ces nouveaux r��seaux ont montr�� des propri��t��s magn��tiques am��lior��es par rapport �� la mol��cule-aimant [Mn4] isol��e. Dans le chapitre IV, nous avons pr��par�� de nouveaux connecteurs commutables pour in fine concevoir des r��seaux de mol��cules-aimants photomagn��tiques. Une approche " building-block " a ��t�� utilis��e pour obtenir un compos�� binucl��aire de Fe et Co. Des ��tudes spectroscopiques, ��lectrochimiques et magn��tiques ont ��t�� effectu��es et ont r��v��l�� sans ambigu��t�� une conversion de spin thermo-induite �� l'��tat solide, et un transfert d'��lectron intramol��culaire assist�� par protonation contr��l��e en solution, accompagn��s de changements optiques et magn��tiques. Pour la premi��re fois, ce nouveau complexe montre deux processus de commutation distincts selon son ��tat physique et le stimulus externe utilis��.

Les molécules-aimants, ou Single-Molecule Magnets en anglais, sont des complexes polymétalliques qui possèdent la propriété remarquable de se comporter individuellement comme des aimants. Synthétisées selon les méthodes de la chimie de coordination elles sont devenues l'objet d'une intense activité de recherche multidisciplinaire à l'interface de la chimie et de la physique. C'est dans ce contexte que se situe notre travail de thèse qui nous a conduit à synthétiser plusieurs séries de complexes polynucléaires nouveaux puis a les caractériser cristallographiquement et étudier leurs propriétés magnétiques dont les résultats sont présentés dans ce mémoire. Le premier chapitre présente l'approche théorique, expérimentale et les avancées scientifiques principales dans le domaine des molécules-aimants. Le deuxième chapitre concerne quatre séries de composés obtenus avec des ligands de type oxime. Deux de ces composés [Mn3]n et [Mn6] sont des complexes homonucléaires à base de manganèse et les deux autres [Ln2Cu2] et [Ln3Cu8] (LnIII = Dy, Gd, Tb, Y) des complexes hétéronucléaires CuII - LnIII. D'après les études magnétiques nous avons constaté que [Mn3]n, [Dy2Cu2] et [Dy3Cu8] se comportent comme des molécules-aimants mais que [Mn6] ne manifeste pas les propriétés d'une molécule-aimant. Le troisième chapitre concerne un composé tetranucléaire [Mn4] et une série de complexes dodecanucléaires [Ln4Cu8] (LnIII = Dy, Gd, Tb, Y) obtenus avec des ligands de type benzoxazoles. Les études des propriétés magnétiques ont mis en évidence le couplage antiferromagnétique des ions Mn dans le cubane [Mn4]. Pour la série [Ln4Cu8] (LnIII = Dy, Gd, Tb, Y) sur la base du complexe d'yttrium le couplage Cu-Cu a été négligé et pour le complexe [Gd4Cu8] nous avons mis en évidence des interactions Cu-Gd ferromagnétiques et Gd-Gd antiferromagnétiques. Les mesures faites sur le composé [Dy4Cu8] ont mis en évidence le comportement caractéristique d'une molécule-aimant. Le dernier chapitre présente les résultats obtenues pour un complexe tetradécanucléaire à valence mixte MnII - MnIII [Mn14] que nous avons obtenu a partir d'un ligand de type base de Schiff et dans lequel coexistent des interactions antiferromagnétiques et ferromagnétiques entre les ions manganèse avec un zero-field splitting important. La conclusion générale fait le bilan de nos résultats et donne quelques perspectives ouvertes par notre travail.

Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques.

Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre

Suite aux directives européennes incitant les constructeurs de moteurs électriques à supprimer<br />de leur offre, les moteurs à faible rendement, une politique de conception de moteurs à haut<br />rendement est engagée. Toutefois, l'évaluation préalable, en simulation, de ce paramètre, et<br />notamment des pertes fer de la machine reste aujourd'hui un problème difficile. Dans cette<br />optique, depuis quelques années, un modèle, nommé « Loss Surface », de calcul a posteriori<br />des pertes fer sous le logiciel éléments finis Flux2D™ a été développé. Au cours de ce travail,<br />plusieurs améliorations sont apportées à ce modèle LS. Un nouveau banc de caractérisation à<br />partir d'un onduleur de tension performant a permis de prolonger en fréquence la surface<br />dynamique LS. Une nouvelle formulation de l'identification de la contribution dynamique, plus<br />simple, a également été réalisée. Au final, les gains apportés sont conséquents. Deux machines<br />synchrones à aimants aux caractéristiques très différentes ont ensuite été utilisées pour évaluer<br />les améliorations sur des structures complexes. La première machine, nous a permis de tester<br />l'impact du niveau d'induction sur l'évolution des pertes fer, et la seconde machine, l'influence<br />de la fréquence. Deux phénomènes physiques importants ont également été étudiés afin de<br />connaître leurs contributions aux pertes d'origine magnétique : les pertes par courants induits<br />dans un matériau massif tel qu'un aimant, et l'effet sur les propriétés magnétiques des contraintes<br /> mécaniques induites par le poinçonnage du circuit magnétique.