Modélisation d`un capteur de champ magnétique

[1] D.T. Huong Giang and N.H.Duc, Magnetoelectric sensor for microtesla magnetic-fields based on
(Fe80Co20)78Si12B10/PZT laminates, Sensors and Actuators A 149, 229-232, 2009.
Stage M2R
Modélisation d’un capteur de champ magnétique
basé sur le couplage de matériaux actifs
• Contexte et position du problème :
Les matériaux actifs ("smart materials"), tels que les matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs,
sont couramment utilisés dans la conception de dispositifs exploitant leurs propriétés respectives. La
propriété principale de ces matériaux réside dans le fort couplage entre les comportements magnétique
et mécanique (magnétostriction), et entre les comportements électrique et mécanique (piézoélectricité).
L’utilisation combinée de ces matériaux permet la réalisation de dispositifs innovants basés sur l’effet
magnétoélectrique : l’apparition d’une polarisation électrique induite par un champ magnétique et
réciproquement l’apparition d’une magnétisation sous l’action d’un champ électrique. Les applications
« support » concernent notamment les dispositifs de stockage/lecture des données (mémoires) et le
domaine très varié des transducteurs (capteur de champ magnétique, voir figure ci-dessous). L’étude
de ce couplage passe par la caractérisation de ces matériaux, puis par la mise en place de modèles
décrivant finement leurs comportements et enfin par le développement d’outils pour la conception.
Capteur de champ magnétique : dispositif expérimental [1] et modèle
• Objectifs du stage M2R :
Le stage concerne la modélisation numérique 3D d’un capteur de champ magnétique basé sur le
couplage magnétoélectrique. Plusieurs modèles éléments-finis 2D ont été mis en place au LGEP afin
d’obtenir le comportement de composites multicouches. L’objectif principal de ce stage est d’étudier à
l’aide de modèles 3D la validité des études menées précédemment. Les résultats de simulation
pourront être comparés à des résultats expérimentaux obtenus sur des capteurs développés au
laboratoire LMNT de l’Université de Technologie de Hanoi (Vietnam). Les travaux s’inscrivent dans
le cadre d’une collaboration entre les deux laboratoires.
• Mots-Clés :
Dispositifs innovants, modélisation numérique, magnétostriction, piézoélectricité.
• Personnes à contacter :
Xavier Mininger
xavier.m[email protected]upelec.fr
Frédéric Bouillault
[e-mail]
Laurent Daniel
[e-mail]
L’étudiant sera accueilli au LGEP au sein du thème « Comportement multiphysique des
matériaux » de l’équipe ICHAMS (http://www.lgep.supelec.fr/ichams/)
• Remarque : ce stage peut déboucher par la suite sur une thèse.

LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS
Ecole Supérieure d’Electricité - Universités Paris 6 et Paris 11- CNRS
Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex. Tel [phone]
DEPARTEMENT “ MODELISATION ET CONCEPTION DE SYSTEMES
ELECTROMAGNETIQUES ”
Proposition de Stage de Master M2R – Année 2013-2014
"Sciences en énergie et systèmes de puissance"
Modélisation, Réalisation et Caractérisation d’actionneurs piézoélectriques de
Langevin.
Descriptif
De plus en plus, l’utilisation de la piézoélectricité fait son apparition dans différents
domaines industriels (amortissement de vibration, actionnement, capteurs). Dans ces applications, le
matériau piézoélectrique est parfois soumis à des sollicitations mécaniques importantes. Les lois de
comportement peuvent alors être modifiées.
Les actionneurs de Langevin, constitués d’un matériau
piézoélectrique entouré de deux masses métalliques, sont les composants
élémentaires de nombreux dispositifs fonctionnant à des fréquences
ultrasoniques. L’intérêt d’utiliser ces fréquences repose sur le facteur de
qualité Q qui permet d’obtenir des déformations Q fois plus grandes à la
résonance mécanique des structures qu’à basse fréquence.
Le travail proposé dans ce stage consiste à modéliser ce type
d’actionneurs, à en réaliser répondant à un cahier des charges et à tester leur
fonctionnement. On s’intéressera notamment à l’influence de la force de
serrage.
Moyens mis à la disposition du candidat
Le stagiaire utilisera la plate-forme de caractérisation des matériaux actifs du LGEP. Il
disposera de différents échantillons piézoélectriques et des pièces nécessaires à la réalisation.
Déroulement du travail
Etude bibliographique
Modélisation.
Campagne d’essais.
Confrontation modèles/expérience.
Remarques
L’indemnité légale est prévue.
Si l’étudiant obtient un financement, ce stage peut déboucher sur une thèse.
Lieu du stage : Laboratoire de Génie Electrique de Paris (département MOCOSEM)
Personne(s) à contacter
Nom: Y. BERNARD
Tel : [phone]
E-mail : [email protected]

Modélisation multiphysique d’un transformateur sec HTA/BT
(électromagnétique-thermique-mécanique des fluides)
Problématique :
Le principal facteur limitant la charge d'un transformateur est déterminée par la température de la partie la
plus chaude de ses enroulements (température du point chaud). La CEI 60076-12:2008 définit la méthode
d’estimation de la consommation de la durée de vie d’un transfo sec selon la température du point chaud. Par
conséquent, il est nécessaire de connaître cette température et la façon donc elle varie en exploitation afin de
pouvoir évaluer d'une part l’état de vieillissement du transformateur et d'autre part sa consommation de la
durée de vie.
Approche :
Seule une approche multi-physique peut donner accès à la température du point chaud d’un transformateur
sec. Une telle simulation devrait prendre en compte la distribution du champ électromagnétique et thermique
dans le transformateur, la variation des propriétés électriques des matériaux en fonction de la température et
de la circulation de l’air de refroidissement.
Le travail du stage consistera à créer un modèle numérique réaliste d’un transformateur sec HTA/BT et de son
enceinte avec les hypothèses de fonctionnement correspondant aux conditions d’installations dans les
centrales nucléaires d’EDF. Ce modèle devrait prendre en compte les propriétés électromagnétique, thermique
ainsi que la dynamique de circulation de l’air de refroidissement.
Le principe de cette simulation est présenté comme suivant :
 Personnes à contacter : Xavier Mininger xavier.m[email protected]pelec.fr ,
Frédéric Bouillault [e-mail]
L’étudiant sera accueilli au LGEP au sein du thème « Matériaux fonctionnels » de l’équipe ICHAMS
(http://www.lgep.supelec.fr/ichams/)
 Remarque : ce stage peut déboucher sur une thèse CIFRE.

Sujet de stage M2R :
Etude et modélisation du couplage magnéto-mécanique : application à la
prédiction du bruit et à l’optimisation acoustique des transformateurs
Contexte et position du problème :
La part de l’énergie électrique est en constante augmentation à bord des aéronefs compte
tenu du nombre croissant des équipements électriques. Ils ont pour fonction de générer,
transformer ou encore simplement consommer de l’énergie électrique. Cette montée en
puissance de l’électricité ne doit pas se faire au détriment de la consommation en carburant,
l’énergie électrique étant prélevée au niveau des propulseurs. Un des leviers utilisés afin de
réduire la consommation électrique consiste à élaborer de nouveaux matériaux magnétiques à
rendement accru. L’étude proposée s’inscrit dans le cadre de cette évolution. L’objectif à
moyen terme est un accroissement significatif du rendement et de la qualité de
fonctionnement des équipements électriques à bord des avions du futur. La réduction du bruit
émis par les transformateurs de puissance est un objectif connexe : ce bruit est le résultat de
l’effet cumulé de la magnétostriction et des forces électromagnétiques agissant sur tôles
magnétiques constitutives du transformateur.
Objectifs :
Ce stage M2R vise à réaliser l’étude numérique des vibrations des transformateurs de
puissance. On s’intéressera en particulier aux effets de la magnétostriction et des forces
magnétiques. L’étude concerne de nouvelles nuances de tôles permettant de réduire la
magnétostriction (alliage texturé au fer-cobalt en remplacement du Fe-3%Si). Les lois de
comportement ont déjà été identifiées dans une précédente étude à partir de mesures de
magnétostriction réalisées dans différentes directions de la tôle de fer-cobalt texturée.
L’intégration des lois de comportement ainsi obtenues dans un code numérique éléments-finis
doit maintenant servir de base pour l’étude et l’optimisation de la géométrie du circuit
magnétique permettant de minimiser les efforts électromagnétiques. Des maquettes
expérimentales et numériques pourront ensuite être réalisées afin de comparé le niveau
d’émission vibratoire mesuré aux niveaux prédits grâce au modèle.
Contacts :
Ce stage est proposée en collaboration entre le Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) et le
LMT-Cachan. Le stagiaire sera donc accueilli dans ces deux laboratoires.
http://www.lgep.supelec.fr/ichams
http://www.lmt.ens-cachan.fr
Frédéric Bouillault : [email protected]
Olivier Hubert : hube[email protected]cachan.fr
Xavier Mininger : [email protected]

LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS
SUPELEC - CNRS UMR 8507
Université Pierre et Marie Curie - Université Paris-Sud
11 rue Joliot Curie Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex
Tél. [phone] Fax [phone]
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Conception optimisée de machines électriques pour application automobile
• Contexte :
Ce stage s’inscrit dans le cadre de travaux de recherche menés au sein du Laboratoire de Génie
Electrique de Paris (LGEP) en étroite collaboration avec le groupe PSA Peugeot Citroën. L’objectif est de
proposer des conceptions optimisées de machines électriques pour les chaînes de tractions hybrides qui
garantiront le minimum de consommation en carburant fossile d’un véhicule (HEV).
Une pré-étude a été réalisée au sein du laboratoire afin d’identifier les spécifications techniques
(sollicitations, encombrement,…) qui conditionnent le cadrage de la conception fortement contrainte par
des objectifs de coût de fabrication. Elle oriente les travaux de recherche sur différentes architectures de
machines qui seront à étudier et à optimiser.
L’étude complète de ces machines implique de tenir compte de plusieurs phénomènes physiques qui
peuvent être d’origines magnétique, mécanique ou thermique. Ces phénomènes sont étroitement liés et ils
nécessitent parfois une modélisation fine en 3 dimensions par éléments finis.
• Description du stage et principaux objectifs :
Le but du stage est de proposer des ensembles moteurs+onduleurs aptes à répondre à un cahier des
charges automobile. Sur la base de modèles de machines existants, le travail consistera à identifier les
voies d’optimisation et à les valider par calcul pour produire des cartographies de rendement et de pertes.
Ces cartographies seront réinjectées dans un modèle de véhicule hybride permettant d’estimer sa
consommation sur cycle automobile.
Les étapes du travail sont les suivantes :
• Etude bibliographique sur la prise en compte des phénomènes magnétiques, mécaniques et
thermiques pour la conception des machines électriques.
• Modélisations multiphysiques analytique ou en éléments finis 2D voire 3D sur des exemples
simples pour prendre en main les codes de calculs existants.
• Modélisations multiphysiques des machines par étapes successives liées respectivement à chacun
des phénomènes physiques mis en jeu et proposition de conceptions optimales.
• Détermination des cartographies de pertes machine + onduleur et estimation des consommations
véhicules.
• Mots clefs :
Application automobile - Chaîne de traction hybride - Conception optimisée - Machines électriques
• Contacts :
Guillaume Krebs
[e-mail]
Claude Marchand
[e-mail]
Francis Roy
[e-mail]
Florence Ossart
[e-mail]
L’étudiant sera accueilli au sein du Département MOCOSEM du Laboratoire de Génie Electrique (LGEP)
(http://www.lgep.supelec.fr/mocosem/)