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 Thus, a magnetic measurement campaign was carried out on samples withdrawn before and after each process.The results show that the rolling step represents the most detrimental process due to the generated stresses and strains in the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.

La rencontre des aciers électriques et de l'électrotechnique est déjà une vieille histoire d'amour (plus de cent ans) avec de grands moments tels que le feuilletage des noyaux magnétiques et l'avènement des tôles à grains orientés pour l'aspect matériau, la découverte des mécanismes réglant l'aimantation des matériaux magnétiques et la formulation de modèles de comportement magnétique de plus en plus proche du matériau réel (tels les modèles développés par. Bertotti) pour l'aspect modélisation des matériaux. On pourrait alors croire que tout est fait et qu'une telle somme de recherches n'a pu que déboucher en pratique sur une optimisation "idéale" des dispositifs électrotechniques. En fait, il n'en est rien et beaucoup reste à faire pour intégrer de façon optimale et générale un acier électrique dans un dispositif électrotechnique ; les raisons de cette difficulté à optimiser un matériau dans une application donnée sont les suivantes : si la principale raison de très large utilisation des aciers électriques laminés est leur forte aimantation à saturation (2-2,15 T) alliée à un faible coût (quelques F/kg) et une grande facilité de production et d'utilisation, en revanche leurs fortes anisotropies magnétocristaïline et magnétostrictive sont des points faibles qui contrôlent dans le même rapport l'amplitude des phénomènes d'hystérésis, de non linéarité et d'anisotropie de la loi d'aimantation et dans certains cas les phénomènes de vibration. L'amplitude de ces caractéristiques intrinsèques aux aciers électriques à des conséquences déterminantes sur leur intégration dans les dispositifs : du fait de l'anisotropie, la seule façon d'améliorer sensiblement les performances magnétiques est de mieux contrôler la texture du matériau. Cela a été bien illustré par le développement des tôles G.O. pour transformateur : la texture de Goss qui y règne, est en effet avec la texture {100} <001> dite "cubique", la texture idéale pour optimiser un transformateur de puissance. En revanche, dans la plupart des autres cas d'application électrotechnique, le matériau idéal (c'est-à-dire souvent la texture) este à créer : quoiqu'en général ce matériau idéal soit bien cerné, c'est le procédé industriel de fabrication qui est toujours limitant. Les cas des aciers électriques pour machines tournantes et des tôles magnétiques pour utilisation en moyenne fréquence sont les 2 principaux axes de recherche de matériau approprié en électrotechnique, et je m'y suis donc attaché sous l'angle de la texture, principale voie d'amélioration potentielle. L'association des caractères affirmés de non linéarité, anisotropie et hystérésis a pour autre conséquence importante de rendre le matériau très complexe sur le plan de son comportement magnétique, et donc aussi sur le plan de la prédiction de celui-ci. En particulier, les hypothèses l'isotropie, de linéarité et d'univocité de la loi d'aimantation sont trop grossières pour pouvoir représenter correctement le comportement du matériau. Or la conception et l'optimisation des dispositifs électrotechniques procèdent de plus en plus par la modélisation électromagnétique ; celle-ci, pour accroître sa pertinence, s'appuie tout autant sur le développement d'outils, de méthodes et de moyens de calculs que sur l'intégration dans ses codes de modèles plus précis. La conception de modèles de comportement magnétique plus pertinents se situe à ce niveau et fait suite à un réel besoin e l'activité du L.E.G. en modélisation par éléments finis. Dans cette logique, je me suis donc attaché à réer et développer une activité de conception de modèles de comportement magnétique au sein du L.E.G.

Ce travail de th'ese est consacré à la conception, la réalisation technologique et la caractérisation fonctionnelle d'un nouveau type de capteur de champ magnétique MEMS 3D. Différent de l'approche classique utilisée pour des magnétomètres MEMS 3D, le capteur conçu dans le cadre de cette thèse n'a pas comme base le principe de la force de Lorentz, mais se sert des avantages qu'offrent les matériaux magnétiques intégrés dans des systèmes MEMS. Le matériau magnétique subit un moment lorsqu'il est soumis à un champ magnétique environnant. Le principe de détection du signal est basé sur la piézorésistivité et utilise des jauges en silicium mono-crystallin avec une section nanométrique. Le concept technologique convient également pour la fabrication de capteurs inertiels et est donc une approche prometteuse pour la fabrication des centrales de mesure inertielle (IMUs). La conception est principalement basée sur un modèle de bruit. En dehors de la considération des limitations technologiques, des aspects mécaniques, magnétiques et thermiques sont également pris en compte. Deux pistes ont été étudiées pour l'intégration du matériau magnétique. Une première option consiste dans l'intégration d'aimants terres-rares comme SmCo et NdFeB. Une deuxième option a pour objet l'intégration des multi-couches antiferromagnétiques et ferromagnétiques, couplées par le couplage d'échange. La réalisation technologique bien exigeante des ces deux approches sera présentée avec une concentration particulière sur les propriétés magnétiques des matériaux utilisés. Une autre partie sera consacrée à la caractérisation des contraintes mécaniques dans des couches minces qui peuvent devenir problématiques pour les micro-systèmes conçus dans le cadre de ce travail. Au final, la fabrication du capteur ainsi que des caractérisations fondamentales seront présentées afin d'établir une preuve expérimentale pour le concept du capteur.

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.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

Ce travail de th`ese est consacré à la conception, la réalisation technologique et la caractérisation fonctionnelle d'un nouveau type de capteur de champ magnétique MEMS 3D. Différent de l'approche classique utilisée pour des magnétomètres MEMS 3D, le capteur conçu dans le cadre de cette thèse n'a pas comme base le principe de la force de Lorentz, mais se sert des avantages qu'offrent les matériaux magnétiques intégrés dans des systèmes MEMS. Le matériau magnétique subit un moment lorsqu'il est soumis à un champ magnétique environnant. Le principe de détection du signal est basé sur la piézorésistivité et utilise des jauges en silicium mono-crystallin avec une section nanométrique. Le concept technologique convient également pour la fabrication de capteurs inertiels et est donc une approche prometteuse pour la fabrication des centrales de mesure inertielle (IMUs). La conception est principalement basée sur un modèle de bruit. En dehors de la considération des limitations technologiques, des aspects mécaniques, magnétiques et thermiques sont également pris en compte. Deux pistes ont été étudiées pour l'intégration du matériau magnétique. Une première option consiste dans l'intégration d'aimants terres-rares comme SmCo et NdFeB. Une deuxième option a pour objet l'intégration des multi-couches antiferromagnétiques et ferromagnétiques, couplées par le couplage d'échange. La réalisation technologique bien exigeante des ces deux approches sera présentée avec une concentration particulière sur les propriétés magnétiques des matériaux utilisés. Une autre partie sera consacrée à la caractérisation des contraintes mécaniques dans des couches minces qui peuvent devenir problématiques pour les micro-systèmes conçus dans le cadre de ce travail. Au final, la fabrication du capteur ainsi que des caractérisations fondamentales seront présentées afin d'établir une preuve expérimentale pour le concept du capteur. / This PhD thesis deals with the design, the technological implementation, and functional characterizations of a new type of monolothic 3D MEMS magnetometer. Other than for the classical approach used for 3D MEMS magnetometers, the sensor developed in this work is not based on the principle of Lorentz force, but takes advantage of magnetic material which is integrated into the MEMS device and experiences a torque when surrounded by a magnetic field. Signal detection is based on piezoresistive detection using gauges of monocrystalline silicon with nanometric section. The technological concept is also suitable for the fabrication of inertial sensors and thus a very promising approach for fabrication of inertial measurement units (IMUs). Sensor design mainly relies on a noise model. Besides technological limitations, mechanical, magnetic and thermal aspects are also taken into account. Two different methods for integration of magnetic material were explored. A first option consists in the integration of rare-earth magnets like SmCo and NdFeB, a second option is about the integration of exchange-bias coupled antiferromagnetic and ferromagnetic multilayers. The technologically challenging implentation of both approaches will be discussed with a special focus on magnetic properties of the used materials. A further part will be dedicated to the characterization of mechanical stress in thin layers, which may become problematic for the microsystems conceived in this work. Finally, sensor fabrication and fundamental characterizations will be presented as experimental proof of concept for the sensor.

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’utilisation des composants passifs a connu une importante croissance ces dernières décennies notamment dans le domaine de la téléphonie mobile, de l’électronique embarquée. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans un cadre de projet entre les laboratoires LT2C de l’UJM et Ampère de l’INSA de LYON. L’objectif visé par cette thèse est la modélisation des micro-transformateurs de signaux utilisés pour isoler les parties puissance (Driver IC) et commande (JFET ou MOSFET). Les points abordés dans cette thèse sont le choix des structures de transformateurs qui répondent aux exigences du projet, le développement d’un modèle de transformateur qui prend en compte notamment les pertes et l’évolution de la perméabilité du matériau magnétique et les différents couplages capacitifs. Des simulations à l’aide de HFSS ont été réalisées afin de réaliser le design des structures retenues et valider le modèle développé. Des étapes de fabrications compatibles avec celle de la microélectronique ont été utilisées pour fabriquer des prototypes à une couche et à deux couches de matériau magnétique avec différentes configurations. Une caractérisation haute fréquence (2MHz-200MHz) à l’aide de l’analyseur vectoriel de réseaux a été réalisée et enfin une étude comparative entre les résultats de simulation et les résultats de mesure fait l’objet d’une présentation / The use of passive components has known a significant increasing in the recent decades particularly in the area of mobile telephony, portable or embarked systems. The work presented in this thesis is a part of a project between the two laboratories: LT2C of UJM and AMPERE of INSA of Lyon. The purpose of this thesis is to find a model for signal micro-transformers used to isolate the power part (Driver IC) from the control part of the project (JFET or MOSFET). The essential parts of this thesis concern the choice of transformer structures that deal with the requirements of the project, the development of a transformer model that takes into account the losses and the permeability evolution of the magnetic material versus frequency and the different capacitive couplings. Numerous simulations using HFSS were performed in order to design the chosen structures and to validate the developed transformer model. Different steps compatible with the microelectronics manufacturing have been used to manufacture prototypes with a single magnetic layer and two magnetic layers for the different configurations. High frequency characterization (2MHz-200MHz) using the vector network analyzer was performed and finally a comparative study between the results of simulation and measurements has been the subject of a presentation

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 .