R - L2ep

N˚ : 2009-Enam-0021
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ARTS ET METIERS
PARISTECH
Ecole doctorale 432 : sciences et métiers de l’Ingénieur
THESE
Présentée par
Richard DEMERSSEMAN
Ingénieur Ecole Centrale de Lille
DEA de Génie Electrique de l’USTL
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE
L’ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ARTS ET METIERS
Domaine :
Génie électrique
Sujet :
CARACTERISATION ET MODELISATION CAUSALE D’UN FREIN A
LIQUIDE MAGNETORHEOLOGIQUE EN VUE DE SA COMMANDE
Directeur de thèse : Stéphane CLENET
Co-encadrants : Betty LEMAIRE-SEMAIL, Moustapha HAFEZ
Thèse présentée et soutenue le 14 Septembre 2009 devant le jury composé de :
Nathan IDA Professeur, Université d’Akron, Etats-Unis Président
Claude MARCHAND Professeur, LGEP, Université Paris XI Rapporteur
Yvan LEFEVRE Chargé de Recherche, CNRS, LAPLACE Toulouse Rapporteur
Stéphane CLENET Professeur, L2EP, ENSAM PARISTECH Examinateur
Betty LEMAIRE-SEMAIL Professeur, L2EP, Université Lille I Examinateur
Moustapha HAFEZ Directeur de recherche, CEA LIST Examinateur
Laboratoires d’accueil :
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance
ENSAM PARISTECH, 8 Boulevard Louis XIV, 59046 Lille
Laboratoire des Interfaces Sensorielles
CEA LIST, 18 Route du Panorama, 92265 Fontenay-aux-roses

Remerciements
Ces travaux de recherche ont été effectués dans les locaux du Laboratoire d’Elec-
trotechnique et d’Electronique de Puissance (L2EP) à l’Ecole Nationale Supérieure
d’Arts et Métiers Paristech de Lille et au Laboratoire des Interfaces Sensorielles au sein
du Laboratoire d’Intégration des Systèmes et Technologies (LIST) du Commissariat à
l’Energie Atomique à Fontenay-aux-roses. Ils ont été financés à hauteur de moitié par
l’ENSAM et de moitié par le CEA.
Je remercie M. Stéphane Clénet, directeur de la thèse, dont les hautes compétences
scientifiques et la grande expérience dans l’encadrement de thèses ont été des moteurs
dans la bonne conduite de ces travaux.
Je remercie Mme Betty Semail pour avoir co-encadré la thèse, pour sa disponibilité,
en particulier lors des nombreuses relectures du mémoire, ainsi que pour les remarques
pertinentes qu’elle a émise sur mon travail.
Je remercie M. Moustapha Hafez pour son co-encadrement, ses précieux conseils et
pour avoir suivi de près les travaux réalisés tout au long de la thèse.
J’adresse mes plus vifs remerciements à M. Claude Marchand et M. Yvan Lefèvre
pour avoir accepté d’être rapporteurs de ce mémoire et à M. Nathan Ida pour m’avoir
fait l’honneur de présider mon jury de thèse. Je remercie dans l’ensemble tous les
membres du jury pour toute l’attention qu’ils ont portée à la lecture de mon travail
et pour la richesse scientifique de la discussion qui a suivi cette lecture pendant la
soutenance.
Je tiens à remercier tout particulièrement Yohan Dhont, Benoît Pérochon, Marc
Itchah et Luc Bulteau qui ont très gentiment accepté de fabriquer et d’assembler le
cisailleur de liquides MR et le frein basé sur ces mêmes matériaux. J’adresse également
mes remerciements à Stéphane Leleu et Frédéric Giraud pour leurs conseils précieux
sur la conception de ces dispositifs et sur la mise en place des bancs expérimentaux.
Je remercie vivement Abdelkader Benabou pour son aide et sa grande disponibilité
sur les questions de modélisation par Eléments Finis.
Bien entendu, je n’oublie pas l’ensemble de mes collègues doctorants des deux labo-
ratoires, qui ont contribué à entretenir une ambiance de travail chaleureuse : Melissande
Biet, Zheng Dai, Gaston M’Boungui, Antoine Bruyère, Julien Gomand, Roman Gai-
gnaire, Charles Cyr, Yves-Laurent Allaert, Li Peng, Florent Souvestre, Paul Cazottes,
Cécile Pacoret, Hussein Sleiman, Emir Vela-Saavadera et Yuan Liu.

Résumé
Les liquides magnétorhéologiques sont des suspensions de particules magnétiques
micrométriques dans des liquides amagnétiques. Lorsqu’un tel liquide est exposé à un
champ magnétique, les particules s’agrègent sous la forme de "chaînes" qui augmentent
de façon importante la résistance à l’écoulement. Dans ce mémoire, on présente la
conception d’un frein discoïde à liquide magnétorhéologique et sa caractérisation dans
deux cas de fonctionnement. Dans le premier, l’axe décrit des triangles de vitesse lente-
ment variables à courant constant, ce dernier étant varié à l’arrêt entre deux triangles.
On a pu observer que le couple doit typiquement croître jusqu’à un seuil pour que la
rotation s’amorce, puis qu’il "chute" avant de croître de nouveau tandis que la vitesse
augmente. On a également remarqué que les seuils de couple mesurés aux premiers
triangles après les variations du courant sont différents de ceux mesurés aux triangles
suivants, qui se repètent. Une modélisation du frein a été proposée, valable uniquement
pour le courant maximum admissible et dans le cas où l’axe a déjà décrit au moins
un triangle de vitesse. Cette modélisation, élaborée en utilisant le formalisme Graphe
Informationnel Causal (G.I.C.), permet de rendre compte de l’évolution du couple à
l’amorçage de la rotation pour le premier triangle de vitesse, mais pas pour les sui-
vants. Dans le second cas de fonctionnement, le frein est alimenté en courant lentement
variable à vitesse constante. Différents relevés de l’hystérésis du couple en fonction du
courant ont été obtenus. On a pu rendre compte précisément de ces derniers sur la base
d’un modèle Eléments Finis 2D du frein et d’un modèle de comportement hystérétique
pour l’acier.
Mots-clés : frein à liquide magnétorhéologique, plastique de Bingham, Graphe Infor-
mationnel Causal, hystérésis, modélisation Eléments Finis 2D magnétostatique, modèle
de Jiles-Atherton.