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The work presented in this thesis is part of various research programs on the modeling and design of permanent magnet synchronous machines for land transport applications. Indeed, the current trend, whether in railway traction, or in electric and / or hybrid electric vehicles, is to use such engines for their high mass performance and good efficiency. This trend is also observable in large direct-attack wind turbines. However, one disadvantage of these machines is the existence of significant losses in the permanent magnets. These losses can cause a deterioration in efficiency, and also be the cause of excessive heating of the magnets, with risks of demagnetization and risks of. In this context, the aim of our thesis work was to establish new, more accurate models of eddy current losses in magnets. The models currently used are generally two-dimensional models which therefore ignore the three-dimensional distribution of eddy currents in the magnets. In order to validate the model developed, we set up an experimental test bench. In a first step, the calculation of induced current losses in massive pieces was validated using an approach that combines the experimental results with those calculated analytically and numerically. Then, different global and local quantities from the analytical model were compared to the finite elements in both 2D and 3D as well as experimental measurements. The models and methods of computation and measurements proposed can be effectively used later to estimate eddy current losses in the permanent magnets of synchronous magnet motors.; Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans le cadre de différents programmes de recherches sur la modélisation et la conception des machines synchrones à aimants permanents, pour des applications de transports terrestres. En effet, la tendance actuelle, que ce soit dans la traction ferroviaire, ou dans les véhicules électriques et/ou hybrides électriques, est d’utiliser de tels moteurs pour leurs grandes performances massiques et leur bon rendement. Cette tendance est également observable dans les grandes éoliennes à attaque directe. Toutefois, un inconvénient de ces machines est l’existence de pertes pouvant être importantes dans les aimants permanents. Ces pertes sont d’une part à l’origine d’une dégradation du rendement, mais elles peuvent aussi être à l’origine d’échauffements excessifs des aimants, avec des risques de désaimantation d’une part et des risques de décollement d’autre part. Dans ce contexte, l’objectif de notre travail de thèse a été d’établir de nouveaux modèles, plus précis, des pertes par courants de Foucault dans les aimants. Les modèles utilisés actuellement sont généralement des modèles bidimensionnels qui ignorent donc le fait que les courants de Foucault ont une répartition tridimensionnelle dans les aimants. Afin de valider le modèle développé, une maquette expérimentale a été mise en place. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les pièces massives a été validé en utilisant une approche qui combine les résultats expérimentaux et ceux calculés analytiquement et numériquement. Ensuite différentes grandeurs globales et locales issues du modèle analytique ont été comparées aux éléments finis aussi bien en 2D qu'en 3D de même qu'aux mesures expérimentales. Les modèles et méthodes de calcul et de mesures proposés pourront être efficacement utilisés ultérieurement pour estimer les pertes par courants induits dans les aimants permanents de moteurs synchrone à aimants.

The work presented in this thesis is part of various research programs on the modeling and design of permanent magnet synchronous machines for land transport applications. Indeed, the current trend, whether in railway traction, or in electric and / or hybrid electric vehicles, is to use such engines for their high mass performance and good efficiency. This trend is also observable in large direct-attack wind turbines. However, one disadvantage of these machines is the existence of significant losses in the permanent magnets. These losses can cause a deterioration in efficiency, and also be the cause of excessive heating of the magnets, with risks of demagnetization and risks of. In this context, the aim of our thesis work was to establish new, more accurate models of eddy current losses in magnets. The models currently used are generally two-dimensional models which therefore ignore the three-dimensional distribution of eddy currents in the magnets. In order to validate the model developed, we set up an experimental test bench. In a first step, the calculation of induced current losses in massive pieces was validated using an approach that combines the experimental results with those calculated analytically and numerically. Then, different global and local quantities from the analytical model were compared to the finite elements in both 2D and 3D as well as experimental measurements. The models and methods of computation and measurements proposed can be effectively used later to estimate eddy current losses in the permanent magnets of synchronous magnet motors.; Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans le cadre de différents programmes de recherches sur la modélisation et la conception des machines synchrones à aimants permanents, pour des applications de transports terrestres. En effet, la tendance actuelle, que ce soit dans la traction ferroviaire, ou dans les véhicules électriques et/ou hybrides électriques, est d’utiliser de tels moteurs pour leurs grandes performances massiques et leur bon rendement. Cette tendance est également observable dans les grandes éoliennes à attaque directe. Toutefois, un inconvénient de ces machines est l’existence de pertes pouvant être importantes dans les aimants permanents. Ces pertes sont d’une part à l’origine d’une dégradation du rendement, mais elles peuvent aussi être à l’origine d’échauffements excessifs des aimants, avec des risques de désaimantation d’une part et des risques de décollement d’autre part. Dans ce contexte, l’objectif de notre travail de thèse a été d’établir de nouveaux modèles, plus précis, des pertes par courants de Foucault dans les aimants. Les modèles utilisés actuellement sont généralement des modèles bidimensionnels qui ignorent donc le fait que les courants de Foucault ont une répartition tridimensionnelle dans les aimants. Afin de valider le modèle développé, une maquette expérimentale a été mise en place. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les pièces massives a été validé en utilisant une approche qui combine les résultats expérimentaux et ceux calculés analytiquement et numériquement. Ensuite différentes grandeurs globales et locales issues du modèle analytique ont été comparées aux éléments finis aussi bien en 2D qu'en 3D de même qu'aux mesures expérimentales. Les modèles et méthodes de calcul et de mesures proposés pourront être efficacement utilisés ultérieurement pour estimer les pertes par courants induits dans les aimants permanents de moteurs synchrone à aimants.

The thesis addresses the numerical simulation of non-destructive testing (NDT) using eddy currents, and more precisely the computation of induced electromagnetic fields by a transmitter sensor in a healthy part. This calculation is the first step of the modeling of a complete control process in the CIVA software platform developed at CEA LIST. Currently, models integrated in CIVA are restricted to canonical (modal computation) or axially-symmetric geometries. The need for more diverse and complex configurations requires the introduction of new numerical modeling tools. In practice the sensor may be composed of elements with different shapes and physical properties. The inspected parts are conductive and may contain dielectric or magnetic elements. Due to the cohabitation of different materials in one configuration, different regimes (static, quasi-static or dynamic) may coexist. Under the assumption of linear, isotropic and piecewise homogeneous material properties, the surface integral equation (SIE) approach allows to reduce a volume-based problem to an equivalent surface-based problem. However, the usual SIE formulations for the Maxwell's problem generally suffer from numerical noise in asymptotic situations, and especially at low frequencies. The objective of this study is to determine a version that is stable for a range of physical parameters typical of eddy-current NDT applications. In this context, a block-iterative scheme based on a physical decomposition is proposed for the computation of primary fields. This scheme is accurate and well-conditioned. An asymptotic study of the integral Maxwell's problem at low frequencies is also performed, allowing to establish the eddy-current integral problem as an asymptotic case of the corresponding Maxwell problem., Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la simulation numérique pour le contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault et concerne le calcul des champs électromagnétiques induits par un capteur émetteur dans une pièce saine. Ce calcul constitue la première étape de la modélisation complète d'un procédé de contrôle dans la plateforme logicielle CIVA développée au CEA LIST. Aujourd'hui les modèles intégrés dans CIVA sont restreints à des pièces de géométrie canonique (calcul modal) ou axisymétriques. La demande de configurations plus diverses et complexes nécessite l'introduction de nouveaux outils numériques de modélisation. En pratique les capteurs peuvent être constitués d'éléments aux propriétés physiques et aux formes variées. Quant aux pièces à contrôler, elles sont conductrices et peuvent contenir des éléments diélectriques ou magnétiques. Du fait des différents matériaux présents dans une même configuration, différents régimes de modélisation (statique, quasi-statique, voire dynamique) peuvent cohabiter. Sous l'hypothèse de travail de milieux à propriétés linéaires, isotropes et homogènes par morceaux, l'approche par équations intégrales de surface (SIE) permet de ramener le problème volumique à un problème surfacique équivalent. Cependant les formulations SIE usuelles pour le problème de Maxwell souffrent en général d'un problème de robustesse numérique pour certains cas asymptotiques, en particulier à basse fréquence. L'objectif de cette étude est de déterminer une version stable pour une gamme de paramètres physique typique du CND. C'est dans ce cadre qu’un schéma itératif par blocs basé sur une décomposition liée à la physique du problème est proposé. Ce schéma est précis et bien conditionné pour le calcul des champs primaires. Une étude asymptotique du problème intégral de Maxwell est de plus effectuée. Celle-ci permet de formuler le problème intégral de l'approximation courants de Foucault comme une forme asymptotique de celui de Maxwell.

The PEEC method is known as a good method for modeling electrical connections in the domains of powerelectronics and electrical engineering. It applies to a wide range of devices: printed circuits, bus-bars, solidconductors. It is particularly well adapted for modeling the wire type conductive regions. However, it is requireda structured mesh (discretization geometries quadrangles) and this approach is limited in frequency (high skindepth). Finally, it now seems difficult to envisage modeling of the volume conductors in standard PEECformulation.This thesis develops integrals formulations using facet elements to improve the above mentioned limitations ofthe standard PEEC method. It is in fact a generalization of the standard PEEC method by taking into accountunstructured meshes (volume and surface) and taking into account the notion of thin region with a small skindepth.The applications are the modeling of complex systems of conductors (non-simply connected regions) taking intoaccount the connections between regions (volume / wireframe, surface / wired volume / surface and surface /surface).; La méthode PEEC est connue comme une bonne méthode pour la modélisation des interconnexions électriques dans les domaines de l’électronique de puissance et l’électrotechnique. Elle s'applique à une large gamme de dispositifs : circuits imprimés, bus-barres, conducteurs massifs. Elle est particulièrement bien adaptée pour la modélisation de régions conductrices du type filaire. Cependant, elle est requise d’un maillage structuré(discrétisation des géométries en quadrangles) et l’approche est limitée en fréquence (grande épaisseur de peau). Enfin, il semble actuellement difficile d’envisager la modélisation de conducteurs volumiques dans une formulation PEEC standard.Cette thèse développe des formulations intégrales en utilisant des éléments de facette afin d’lever des verrous de la méthode PEEC standard évoqués ci-dessus. Elle constitue de fait une généralisation de la méthode PEEC standard par la prise en compte de maillages non structurés (volumique et surfacique) et la prise en compte de notion de régions minces à faible épaisseur de peau.Les applications visées sont la modélisation de systèmes de conducteurs complexes (des régions non simplement connexes) en prenant en compte des connexions entre des régions (volumique/filaire, surfacique/filaire,volumique/surfacique et surfacique/surfacique).

This thesis aims at studying and developing a domain decomposition method with overlapping subdomains for the modeling in eddy current (EC) non-Destructive testing (NDT). The idea behind such an approach is the possibility to avoid the systematic remeshes of the whole studying domain when some of its components are modified (for example the displacement of the coil above the conductor). More precisely, this work aims at designing a domain decomposition method with overlapping based on the theory of the mortar finite element method. In addition to remove the constraint owing to an coupling interface which is invariant with the displacement, the technique described, in this work, realizes reciprocal transfers of information between subdomains. This study presents the theoretical and numerical results attached to the magnetodynamic simulation. Moreover, the interest of such a method is illustrated by applications in some 2D modeling cases of EC NDT., Cette thèse vise à développer et à évaluer une méthode de décomposition de domaine avec recouvrement dans le cadre de la modélisation du contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault (CF). L'objectif d'une telle approche consiste à éviter le remaillage systématique de l'intégralité du domaine d'étude lors du déplacement de l'un de ses éléments constitutifs(par exemple, déplacement de la sonde CF au dessus de la pièce contrôlée). Plus précisément, il s'agit de concevoir une méthode de décomposition de domaine avec recouvrement qui s'appuie sur la théorie apportée par la méthode des éléments finis avec joints. En plus de s'affranchir de la contrainte d'une interface d'échange invariante avec le mouvement, la technique décrite dans ce travail réalise des transferts d'information réciproques entre les domaines. Cette étude présente les résultats théoriques ainsi que numériques liés à la simulation magnétodynamique. Par ailleurs, l'intérêt d'une telle méthode est illustré par des applications sur des configurations bidimensionnelles de CND par CF.

This PhD work concerns the development of fast numerical tools, dedicated to the computation of the electromagnetic interaction between a low frequency 3D current source and a complex conductor, presenting rough interfaces and/or conductivity (and/or permeability) variations. The main application is the simulation of the Eddy Current non-destructive testing process applied to complex specimens. Indeed, the existing semi-analytical models currently available in the CIVA simulation platform are limited to canonical geometries. The method we propose here is based on the covariant Maxwell equations, which allow us to consider the physical equations and relationships in a non-orthogonal coordinate system depending on the geometry of the specimen. Historically, this method (cf. C-method) has been developed in the framework of optical applications, particularly for the characterization of diffraction gratings. Here, we transpose this formalism into the quasi-static regime and we thus develop an innovative formulation of the Second Order Vector Potential formalism, widely used for the computation of the quasi-static fields in canonical geometries. Then, we determine numerically a set of modal solutions of the source-free Maxwell equations in the coordinate system introduced, and this allows us to represent the unknown fields as modal expansions in source-free domains. Then, the coefficients of these expansions are computed by introducing the source fields and enforcing the boundary conditions that the total fields must verify at the interfaces between media. In order to tackle the case of a layered conductor presenting rough interfaces, the generalized SOVP formalism is coupled with a recursive algorithm called the S-matrices. On the other hand, the application case of a complex shape specimen with depth-varying physical properties is treated by coupling the modal method we developed with a high-order numerical method: pseudo-spectral method. The validation of these codes is carried out numerically by comparison with a commercial finite element software in some particular configurations. Besides, the homogeneous case is also validated by comparison with experimental data., Ce travail de thèse a pour objectif de fournir un outil de modélisation rapide de l'interaction d'une source électromagnétique 3D avec une pièce de géométrie ou de propriétés physiques complexes dans le domaine des basses fréquences (régime quasi-statique). La principale application est la simulation d'un procédé de Contrôle Non Destructif (CND) d'une pièce conductrice présentant une surface ou des propriétés physiques perturbées. La plateforme logicielle CIVA, comportant un module dédié à la simulation des procédés de CND par courants de Foucault intègre à l’heure actuelle des modèles semi-analytiques limités aux géométries canoniques : pièces planes, cylindriques. Afin de lever ce verrou, le formalisme des équations de Maxwell covariantes, déjà très utilisé dans le domaine optique pour la caractérisation des réseaux de diffraction (méthode des coordonnées curvilignes) est étendu au régime quasi-statique. L’utilisation d’un nouveau système de coordonnées curvilignes non-orthogonal associé à la géométrie de la pièce conduit à écrire très facilement et de manière analytique les conditions de passage aux interfaces de formes complexes. La résolution numérique des équations de Maxwell sous leur forme covariante est abordée par une approche modale qui repose sur le calcul préalable de solutions propres d’un système d’équations différentielles en absence de source. La représentation des composantes du champ électromagnétique à partir de deux fonctions de potentiels du second ordre (SOVP) ou potentiels de Hertz dans des systèmes de coordonnées canoniques est d’abord étendue au système de coordonnées curvilignes. On obtient alors les expansions modales des composantes covariantes et contra-variantes du champ électromagnétique. Les coefficients de ces expansions modales sont déterminés ensuite en introduisant le champ d’excitation et en imposant les conditions de passage adéquates entre les différents milieux. Cette approche est ensuite couplée d'une part à un algorithme récursif (les paramètres S) afin de prendre en compte la présence d'interfaces internes complexes dans la pièce, et d'autre part à une méthode numérique d'ordre élevé (Méthode pseudo-Spectrale) afin de prendre en compte de façon rigoureuse des variations des propriétés physiques (perméabilité magnétique et/ou conductivité électrique...) du matériau avec la profondeur. La validation de la méthode numérique proposée s’appuie sur des comparaisons avec des données simulées à l'aide d'un logiciel commercial de calcul par éléments finis et des données expérimentales obtenues au laboratoire. En outre, les codes développés ont été intégrés à une version de développement de la plateforme CIVA afin de répondre aux besoins des partenaires dans le cadre du projet européen SIMPOSIUM.

The PEEC method is known as a good method for modeling electrical connections in the domains of powerelectronics and electrical engineering. It applies to a wide range of devices: printed circuits, bus-bars, solidconductors. It is particularly well adapted for modeling the wire type conductive regions. However, it is requireda structured mesh (discretization geometries quadrangles) and this approach is limited in frequency (high skindepth). Finally, it now seems difficult to envisage modeling of the volume conductors in standard PEECformulation.This thesis develops integrals formulations using facet elements to improve the above mentioned limitations ofthe standard PEEC method. It is in fact a generalization of the standard PEEC method by taking into accountunstructured meshes (volume and surface) and taking into account the notion of thin region with a small skindepth.The applications are the modeling of complex systems of conductors (non-simply connected regions) taking intoaccount the connections between regions (volume / wireframe, surface / wired volume / surface and surface /surface)., La méthode PEEC est connue comme une bonne méthode pour la modélisation des interconnexions électriques dans les domaines de l’électronique de puissance et l’électrotechnique. Elle s'applique à une large gamme de dispositifs : circuits imprimés, bus-barres, conducteurs massifs. Elle est particulièrement bien adaptée pour la modélisation de régions conductrices du type filaire. Cependant, elle est requise d’un maillage structuré(discrétisation des géométries en quadrangles) et l’approche est limitée en fréquence (grande épaisseur de peau). Enfin, il semble actuellement difficile d’envisager la modélisation de conducteurs volumiques dans une formulation PEEC standard.Cette thèse développe des formulations intégrales en utilisant des éléments de facette afin d’lever des verrous de la méthode PEEC standard évoqués ci-dessus. Elle constitue de fait une généralisation de la méthode PEEC standard par la prise en compte de maillages non structurés (volumique et surfacique) et la prise en compte de notion de régions minces à faible épaisseur de peau.Les applications visées sont la modélisation de systèmes de conducteurs complexes (des régions non simplement connexes) en prenant en compte des connexions entre des régions (volumique/filaire, surfacique/filaire,volumique/surfacique et surfacique/surfacique).

We focus on the analysis of a magnetostatic problem with discontinuous coefficients and on its non-conforming mortar finite element discretization on overlapping grids. The global air-filled domain and the nested ferromagnetic subdomain are indeed discretized by two independent triangulations, as the latter subdomain can change position inside the global domain. The two directional exchanges of information between the grids are established by using stable mortar-like projection operators. Numerical results are presented and commented both from a mathematical and physical point of view.

This thesis is dedicated to develop electronic instrumentation systems that allow to analyse the ageing process and to make a diagnosis the failure mechanisms of power semiconductor device. The research objectives were to evaluate the electrical conductivity variation of metallization layer using the eddy current technique but also to estimate the ageing effect of the semiconductor dies and their module packaging on the current distribution in the die, to better understand the mechanism failures. The specimens simplified and the power semiconductor modules were aged by thermal cycles. The various sensors have been used (eddy current sensor, Hall sensor), to follow the ageing process, and to understand the ageing effect on the power semiconductor die. The experimental instrumentation system has been developed and used, to realize the non destructive evaluation by the eddy current technique on the metallization layer and to measure the map of magnetic field induced above the die by the magnetic sensor, the potential distribution. In the first time, this system allowed to evaluate the relevance and the performance of different type sensors used for the local measure on the electrical conductivity by eddy current sensors and on the currents distribution by Hall sensors or the potential distribution of the source metallization layer. This work was also supported by the signal processing techniques. To estimate quantitatively the electrical conductivity of metallization layer by the eddy current sensors, a model using the two-winding transformer analogy simulate the electromagnetic interaction between the sensor and the conducting plate. And, the current distribution from the measured data is given by inverting a mesh-free modeling of the induced magnetic field. The results obtained from these models can allow us to firstly understand certain failure mechanisms, but also to propose the integrated circuit with the sensors for monitoring "in situ" the state ageing of power semiconductor device., Les objectifs de la thèse sont d’élaborer des systèmes d’instrumentation électronique qui permettent une analyse et un diagnostic fins de l’état d’intégrité et du processus de vieillissement des composants de puissance à semi-conducteur. Ces travaux visent à évaluer la variation de la conductivité de la métallisation à l’aide de capteurs à Courant Foucault (CF) mais aussi à estimer l’effet du vieillissement des puces et de leur assemblage sur la distribution de courant dans les puces afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance. Des éprouvettes simplifiées mais également des modules de puissance représentatifs ont été vieillis par les cyclages thermique. Les capteurs développés ont été utilisés afin, d’une part de suivre le vieillissement, mais aussi d’autre part afin de comprendre l’effet de ce vieillissement sur le comportement des puces de puissance. Un banc d’instrumentation dédié a été élaboré et exploité pour la mesure locale de la conductivité électrique par le capteur à courants de Foucault, et l’estimation de la distribution de courants à partir de la mesure de cartographies de champ magnétique par capteurs de champ, ou à partir de la cartographie de la distribution de tension sur la métallisation de source. Ce banc a permis en premier lieu d’évaluer la pertinence et les performances de différents types de capteurs exploitables. Le travail s’est également appuyé sur des techniques de traitement de signal, à la fois pour estimer de manière quantitative les informations de conductivité des métallisations issues des capteurs à courant de Foucault, mais aussi pour l’analyse de la distribution de courant à partir des informations fournies par des capteurs de champ magnétiques. Les modèles utilisés exploitent des techniques de modélisation comportementale (le modèle approché de « transformateur analogique » modélisant capteurs à CF ou bien d’inversion de modèle semi-analytique dans le cas l’estimation de la distribution de courant). Les résultats obtenus à partir de ces modèles nous permettrons, d’une part de mieux comprendre certains mécanismes de défaillance, mais également de proposer une implantation et des structures de capteurs pour le suivi « in situ » de l’intégrité des composants.

The aim of this doctoral work is to study the new kind of interconnections like TSV (Through Silicon Via), redistribution lines (RDL) and copper pillars used in 3D integration context in advanced microelectronic components. An example of 3D integration application could be an imager designed by staking an optical sensor chip upon a processor chip.In order to understand and quantify the electrical behaviour of these new interconnection components, the first issue was about electrical characterization in a very wide frequency band (10 MHz - 60 GHz) of these elements, buried in their complex environment, in particular with the analysis of the silicon substrate loss impact which can be found in a wide band of conductivities from very low (0 S/m) to very high (10 000 S/m).Subsequently, a second issue appears from the need to develop mathematical models to predict the electrical behavior of 3D interconnects. The developed models have to take into account losses, coupling effects and some phenomena appearing with the rise of frequency (eddy currents) according to material characteristics, dimensions and architecture (from high to low density of integration).Finally, based on developed models, the last part presents a study on routing strategies in the 3D stacking chip from the analysis of signal integrity. By contrasting various environments, binary signals flow or dimensions of TSV and RDL, conclusions emerge on the best strategies to use to improve performances of circuits designed in 3D integration., Le travail de doctorat réalisé s'attache à étudier les nouveaux types d'interconnexions comme les TSV (Through Silicon Via), les lignes de redistribution (RDL) et les piliers de cuivre (Cu-Pillar) présentes dans le domaine de l'intégration 3D en microélectronique avancée, par exemple pour des applications de type « imager » où une puce « capteur optique » est empilée sur une puce « processeur ».Afin de comprendre et quantifier le comportement électrique de ces nouveaux composants d'interconnexion, une première problématique de la thèse s'articulait autour de la caractérisation électrique, sur une très large bande de fréquence (10 MHz - 60 GHz) de ces éléments, enfouis dans leurs environnements complexes d'intégration, en particulier avec l'analyse de l'impact des pertes dans les substrats de silicium dans une gamme de conductivités allant de très faible (0 S/m) à très forte (10 000 S/m).Par la suite, une nouvelle problématique prend alors naissance sur la nécessité de développer des modèles mathématiques permettant de prédire le comportement électrique des interconnexions 3D. Les modèles électriques développés doivent tenir compte des pertes, des couplages ainsi que de certains phénomènes liés à la montée en fréquence (courants de Foucault) en fonction des caractéristiques matériaux, des dimensions et des architectures (haute à faible densité d'intégration).Enfin, à partir des modèles développés, une dernière partie propose une étude sur les stratégies de routage dans les empilements 3D de puces à partir d'une analyse sur l'intégrité de signaux. En opposant différents environnements, débit de signaux binaires ou dimensions des TSV et des RDL des conclusions émergent sur les stratégies à adopter pour améliorer les performances des circuits conçus en intégration 3D.

The aim of this work is the eddy-current testing (ECT) of ferromagnetic materials within magnetic sensors, such as Giant Magneto-Resistances (GMR). Two complementary aspects have been studied. Experimental measurements have been carried out in order to quantify and minimize the noise coming from the materials structure and residual magnetization. On the other hand, a model has been developed in order to be able to simulate the electromagnetic interactions between a ferromagnetic specimen and the EC probe. The GMR sensors are characterized by high sensitivity at low frequency, large dynamic range and are relatively easy to implement. The studies carried out during this thesis allowed us to identify and analyse the “ghost signals” due to magnetic materials. In order to minimize the noise coming from the materials structure, a linear multi-frequencies combination of experimental signals has been employed successfully and the detection of buried flaws has been improved. The residual magnetization in ferromagnetic materials has been experimentally analyzed and an electronic system has been realized to fix the polarisation point of the sensor in the linear response zone of the GMR. Thus, disturbances caused by residual magnetization are successfully reduced. Beside, in order to develop simulation tools aiming at improving the understanding of experimental signals and optimizing the performances of ECT procedures, a model has been developed to simulate the ECT of planar, stratified and ferromagnetic materials affected with multiple flaws. CEA developed for many years semi-analytical models embedded into the simulation platform CIVA dedicated to non-destructive testing. Following a previous work carried out at the laboratory and already integrated in the simulation platform CIVA, developed at CEA-LIST, the new model extends CIVA functionalities to the ferromagnetic planar case. Simulation results are obtained through the application of the Volume Integral Method (VIM) which involves the dyadic Green’s functions. Two coupled integral equations have to be solved and the numerical resolution of the system is carried out using the classical Galerkin variant of the Method of Moments (MoM). Finally, the probe response is calculated by application of the Lorentz reciprocity theorem. A collaboration with the University of Cassino (Italy) and Laboratoire de Génie Electrique de Paris (France) allowed us to compare the three models on experimental and numerical results from literature. Results showed a good agreement between the three models and the model stability has been analyzed.; La problématique étudiée est le contrôle non destructif par courants de Foucault de matériaux ferromagnétiques à l’aide d’un capteur à magnétorésistance géante (GMR). Durant ces travaux deux aspects complémentaires ont été abordés : l’un concerne la mesure expérimentale pour essayer de quantifier et de s’affranchir du bruit de structure et du champ magnétique rémanent, l’autre le développement d’un modèle numérique d’interaction. En ce qui concerne la partie expérimentale plusieurs études avec un capteur GMR qui présente un intérêt particulier en raison de sa bonne sensibilité à basses fréquences, de sa dynamique et de la relative simplicité de mise en œuvre ont été conduites et ont permis d’identifier et quantifier les phénomènes d’artefacts spécifiques aux matériaux ferromagnétiques : le bruit de structure et le champ magnétique rémanent. Une solution basée sur une combinaison linéaire des données expérimentales obtenues à plusieurs fréquences est appliquée pour atténuer le bruit dû à la structure du matériau. Le champ magnétique rémanent a été analysé expérimentalement et un circuit d’asservissement permettant de fixer un point de polarisation dans la zone de fonctionnement linéaire de la GMR et ainsi d’atténuer les perturbations dues aux champs magnétiques rémanents est mis en place. En parallèle et dans l’optique de développer des outils de simulation permettant de mieux comprendre les phénomènes physiques et ainsi d’optimiser les procédés de contrôle, un modèle numérique d’interaction simulant le cas du contrôle d’une pièce plane ferromagnétique d’une ou plusieurs couches pouvant contenir un ou plusieurs défauts est développé. Il étend un modèle déjà existant dans un cas non-ferromagnétique déjà intégré dans la plateforme de simulation CIVA développé par le CEA-LIST et permettant la simulation du Contrôle Non Destructif par Courants de Foucault. Il est basé sur une méthode d’intégrales de volume (VIM) et l’utilisation des tenseurs ou dyades de Green. La solution est obtenue après la discrétisation du volume de calcul et l’application d’une variante de Galerkin de la Méthode des Moments (MoM). La réponse de la sonde est ensuite calculée en appliquant le théorème de réciprocité de Lorentz. Des collaborations avec deux laboratoires universitaires (le Laboratoire de Génie Électrique de Paris (LGEP) et l’Université de Cassino (Italie)) ont permis de comparer les résultats issus des trois différents modèles sur un cas de la littérature. Les résultats se sont révélés satisfaisants et plusieurs études de convergence ont permis d’analyser la stabilité du modèle.

In recent years, the performance of high-sensitivity magnetic sensors have advanced considerably. Due to their intrinsic performances (sensitivity, noise, bandwidth, dynamic ...) these sensors offer new prospects for the development of systems Non Destructive Testing by Eddy Current. An important part of this thesis is to study, analyze and improve the performance of DDC systems by CF using magnetometers based GMR and developed in the Electronics team. Performance has been studied and analyzed in detail vis-à-vis the various parameters of the detection system. A 3-D numerical model based on finite element method was used to conduct this study. The simulation results have led to improvements in some parameters of the detection system, such as SNR, spatial resolution and the excitation frequency. Developed systems have excellent performance (especially a good SNR and high dynamic measurement) and provide the ability to detect faults deeply buried. Another important part of my work has been devoted to the detection of faults oriented. An original method of excitation based on the principle of a rotating magnetic field has been developed. It consists of using two perpendicular wire inductors driven by alternating currents whose amplitudes are modulated adequately to create adjustable currents induced orientation in areas inspected. The results show that the system is able to simply describe the orientation of the detected defect by analyzing the induced magnetic field in the test piece using the conventional Lissajous figures.; Ces dernières années, les performances des capteurs magnétiques à haute sensibilité ont considérablement évoluées. Grâce à leurs performances intrinsèques (sensibilité, bruit, bande passante, dynamique …) ces capteurs offrent de nouvelles perspectives pour le développement des systèmes de Contrôle Non Destructif par Courant de Foucault.Une partie importante de ce mémoire vise à étudier, analyser et améliorer les performances des systèmes de CND par CF utilisant des magnétomètres à base de GMR et développés au sein de l’équipe Electronique. Les performances ont été étudiées et analysées en détail vis-à-vis des différents paramètres du système de détection. Un modèle numérique 3-D basé sur la méthode des éléments finis a été utilisé afin de réaliser cette étude. Les résultats des simulations ont conduit à l’amélioration de certains paramètres du système de détection, comme le RSB, la résolution spatiale et la fréquence d’excitation. Les systèmes développés possèdent d’excellentes performances (notamment un bon RSB et une grande dynamique de mesure) et offrent la capacité de détecter des défauts enfouis à grande profondeur.Une autre partie importante de mes travaux a été consacrée à la détection de défauts orientés. Une méthode d’excitation originale reposant sur le principe d’un champ magnétique tournant a été développée. Elle consiste à utiliser deux inducteurs filaires perpendiculaires parcourus par des courants alternatifs dont les amplitudes sont modulées de façon adéquate afin de créer des courants induits d’orientation ajustable dans les zones inspectées. Les résultats montrent que le système est capable de qualifier simplement l ’orientation du défaut détecté en analysant le champ magnétique induit dans la pièce testée à l’aide de classiques courbes de Lissajous.

International audience; The use of permanent magnet synchronous machines (PMSM) for in-wheel electrical motorization of an urban hybrid vehicle has been studied in this article. Two types of winding, distributed and concentrated winding around a tooth, have been considered for the winding of the PMSM. Different electromagnetic sizes such as the resistance, the inductances, the iron losses, the PM eddy-current losses and teeth magnetic forces have been considered for the comparison of the two machines performances. The study shows the advantages of concentrated winding in comparison with the distributed winding, such as the diminution of the cogging torque, the reduction of no-load emf harmonics and the increase of the flux weakening range due to the increase of the inductance. However, it is important to notice the drawbacks of concentrated winding: the high level of PM eddy-current losses and large variation of stator teeth magnetic forces. These undesired effects are due to the harmonics of magnetic field produced by the concentrated winding.; L’utilisation de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) pour la réalisation de moteurs intégrés dans les roues d’un véhicule hybride urbain est étudiée dans cet article en considérant deux types de bobinage (i.e., à pas diamétral et à pas dentaire, bobiné autour d’une dent). Différentes grandeurs électromagnétiques telles que la résistance, les inductances, les pertes fer, les pertes dans les aimants, les pertes Joule et les forces magnétiques sur les dents sont calculées afin de comparer les performances des deux machines. L’étude montre l’intérêt d’utiliser un bobinage à pas dentaire par rapport à un bobinage à pas diamétral : le couple de détente est réduit, le taux de distorsion harmonique de la f.é.m. à vide est plus faible, les pertes Joule sont plus faibles et le défluxage de la machine est facilité par une inductance de phase plus élevée. Il convient toutefois de noter les inconvénients du bobinage concentré tels que les pertes dans les aimants et la variation des forces magnétiques auxquelles sont soumises les dents du stator. Ces effets non désirés sont dus aux harmoniques du champ magnétique provoqués par la distribution spatiale du bobinage dentaire.

In recent years, the performance of high-sensitivity magnetic sensors have advanced considerably. Due to their intrinsic performances (sensitivity, noise, bandwidth, dynamic ...) these sensors offer new prospects for the development of systems Non Destructive Testing by Eddy Current. An important part of this thesis is to study, analyze and improve the performance of DDC systems by CF using magnetometers based GMR and developed in the Electronics team. Performance has been studied and analyzed in detail vis-à-vis the various parameters of the detection system. A 3-D numerical model based on finite element method was used to conduct this study. The simulation results have led to improvements in some parameters of the detection system, such as SNR, spatial resolution and the excitation frequency. Developed systems have excellent performance (especially a good SNR and high dynamic measurement) and provide the ability to detect faults deeply buried. Another important part of my work has been devoted to the detection of faults oriented. An original method of excitation based on the principle of a rotating magnetic field has been developed. It consists of using two perpendicular wire inductors driven by alternating currents whose amplitudes are modulated adequately to create adjustable currents induced orientation in areas inspected. The results show that the system is able to simply describe the orientation of the detected defect by analyzing the induced magnetic field in the test piece using the conventional Lissajous figures., Ces dernières années, les performances des capteurs magnétiques à haute sensibilité ont considérablement évoluées. Grâce à leurs performances intrinsèques (sensibilité, bruit, bande passante, dynamique …) ces capteurs offrent de nouvelles perspectives pour le développement des systèmes de Contrôle Non Destructif par Courant de Foucault.Une partie importante de ce mémoire vise à étudier, analyser et améliorer les performances des systèmes de CND par CF utilisant des magnétomètres à base de GMR et développés au sein de l’équipe Electronique. Les performances ont été étudiées et analysées en détail vis-à-vis des différents paramètres du système de détection. Un modèle numérique 3-D basé sur la méthode des éléments finis a été utilisé afin de réaliser cette étude. Les résultats des simulations ont conduit à l’amélioration de certains paramètres du système de détection, comme le RSB, la résolution spatiale et la fréquence d’excitation. Les systèmes développés possèdent d’excellentes performances (notamment un bon RSB et une grande dynamique de mesure) et offrent la capacité de détecter des défauts enfouis à grande profondeur.Une autre partie importante de mes travaux a été consacrée à la détection de défauts orientés. Une méthode d’excitation originale reposant sur le principe d’un champ magnétique tournant a été développée. Elle consiste à utiliser deux inducteurs filaires perpendiculaires parcourus par des courants alternatifs dont les amplitudes sont modulées de façon adéquate afin de créer des courants induits d’orientation ajustable dans les zones inspectées. Les résultats montrent que le système est capable de qualifier simplement l ’orientation du défaut détecté en analysant le champ magnétique induit dans la pièce testée à l’aide de classiques courbes de Lissajous.

The work presented in this thesis constitutes a contribution to a simplified three-dimensional numericalmodeling of the interaction of an electromagnetic field with laminated carbon fiber reinforced polymer(CFRP) structures, for eddy current nondestructive testing applications.In the limits where the capacitive effects can be neglected, we have developed a model based on an integrodifferentialformulation, in terms of the electric vector potential, for rapid calculations of the sensorsresponses in eddy current testing of laminated CFRPs. This model accounts naturally for the electric currentand magnetic flux conservations, and allows confining the modelling to the active parts of the modelledsystem. These are discretized separately; the multiscale aspects and movements are thus easily treated. Onthe other hand, given the thin layered structures of the CFRPs, and under certain conditions, this model canbe reduced to a quasi-two-dimensional one, involving only the normal component of the electric vectorpotential, thus reducing considerably the size of the resulting algebraic system and the computing time.In a second step, we proposed an approach for the characterization of the conductivity tensor of a CFRPplate, by using a rotating eddy current sensor of a rectangular shape. We have developed analytical relationsdirectly linking the components of the conductivity tensor of the CFRP plate, to the impedance variations ofthe sensor corresponding to its positions parallel and transverse to fibers. The proposed approach has beenvalidated experimentally., Le travail présenté dans cette thèse constitue une contribution à la modélisation numérique tridimensionnellesimplifiée, de l’interaction d’un champ électromagnétique avec une structure en matériau composite stratifiéà fibres de carbone (CFRPs), avec comme principale application l’évaluation non destructive par courants deFoucault.Dans un premier temps, et dans les limites où les effets capacitifs peuvent être négligés, nous avonsdéveloppé un modèle basé sur une formulation intégro-différentielle, en potentiel vecteur électrique, pour descalculs rapides de la réponse d’un capteur à courants de Foucault et des courants induits dans les CFRPs. Cemodèle tient compte naturellement des conservations du courant électrique et du flux magnétique, et permetde limiter le domaine d’étude aux parties actives du système modélisé. Ces dernières sont discrétiséesséparément ; les aspects multi-échelles et les mouvements sont donc traités plus facilement. D’autre part,compte tenu des structures en couches minces des CFRPs, et sous certaines conditions, ce modèle se réduit àun cas quasi-bidimensionnel n’impliquant que la composante normale du potentiel vecteur électrique,réduisant ainsi considérablement la taille du système à résoudre et le temps de calcul.Dans un second temps, nous avons proposé une approche de caractérisation du tenseur de conductivité desCFRPs, en introduisant une structure de capteur à courant de Foucault tournant de forme rectangulaire. Nousavons développé un modèle analytique liant directement les composantes du tenseur de conductivité d’un plien CFRP aux impédances du capteur rectangulaire tournant, correspondant à ses positions parallèle ettransversale aux fibres. Cette approche a été validée expérimentalement.

This Ph.D. thesis presents two methods: one to identify dynamic electromagnetic sources and another one to size an efficient magnetic shield. Both are based on harmonic expansion solutions of Maxwell's equations. The electromagnetic identification gives from near electromagnetic fields measurements the main characteristics of a dynamic source closed in a conducting media. Electromagnetic field extrapolation of the source and condition monitoring based on near field measurements are the applications of the identification method. It uses Bayesian estimation of the harmonic expansion parameters of a source. It allows the use of prior information. The magnetic shielding method is based on the harmonic expansion of boundary conditions and the distinction between the attenuation effect and the shape effect of the shield on the parameters of an electromagnetic source.; Cette thèse présente une méthode d'identification de sources électromagnétiques dynamiques ainsi qu'une méthode de calcul de dimensionnement de blindage électromagnétique. Elles reposent sur les développements harmoniques solutions des équations de Maxwell. L'identification électromagnétique permet de caractériser une source dynamique dans un milieu conducteur à partir de mesures de champs electromagnétiques proches. Elle permet l'extrapolation des signatures électromagnétiques d'une source et le diagnostic d'installations électriques par mesures de champs proches. Cette identification repose sur l'estimation bayésienne des paramètres du développement harmonique d'une source qui permet l'intervention d'information a priori. Le calcul de blindage repose sur l'écriture harmonique des conditions de passage sur les frontières d'un blindage. Il permet de dimensionner un blindage en distinguant l'effet d'atténuation et l'effet de forme en fonction des matériaux et des couches de ce dernier.

This Ph.D. thesis presents two methods: one to identify dynamic electromagnetic sources and another one to size an efficient magnetic shield. Both are based on harmonic expansion solutions of Maxwell's equations. The electromagnetic identification gives from near electromagnetic fields measurements the main characteristics of a dynamic source closed in a conducting media. Electromagnetic field extrapolation of the source and condition monitoring based on near field measurements are the applications of the identification method. It uses Bayesian estimation of the harmonic expansion parameters of a source. It allows the use of prior information. The magnetic shielding method is based on the harmonic expansion of boundary conditions and the distinction between the attenuation effect and the shape effect of the shield on the parameters of an electromagnetic source.; Cette thèse présente une méthode d'identification de sources électromagnétiques dynamiques ainsi qu'une méthode de calcul de dimensionnement de blindage électromagnétique. Elles reposent sur les développements harmoniques solutions des équations de Maxwell. L'identification électromagnétique permet de caractériser une source dynamique dans un milieu conducteur à partir de mesures de champs electromagnétiques proches. Elle permet l'extrapolation des signatures électromagnétiques d'une source et le diagnostic d'installations électriques par mesures de champs proches. Cette identification repose sur l'estimation bayésienne des paramètres du développement harmonique d'une source qui permet l'intervention d'information a priori. Le calcul de blindage repose sur l'écriture harmonique des conditions de passage sur les frontières d'un blindage. Il permet de dimensionner un blindage en distinguant l'effet d'atténuation et l'effet de forme en fonction des matériaux et des couches de ce dernier.

Following European directives inciting electrical motors manufacturers to replace engines withpoor efficiency in the near future, a high efficiency motor design policy was committed. However,the preliminary evaluation, in Finite Element Method (FEM) simulation, of the efficiency, and inparticular the iron losses in the machine remains a difficult problem nowadays. An iron losses aposteriori calculation module, named « Loss Surface », for the finite element software Flux2D™has been developed since several years. This work proposes several improvements of LSdynamical model. A new magnetic characterization by perform inverter has permitted to increasethe frequency data for the dynamical surface LS. A new formulation of dynamic contributionidentification has also been achieved. Finally, the gains are consistent. Two differentsynchronous permanent magnet motors have been tested to evaluate the LS improvements oncomplex structures. The first machine is used to test the effect of induction level on iron lossesevolution and the second, the frequency impact. Two physical phenomenon are as well asstudied in order to know theirs contributions on magnetic losses : the eddy-current distribution inthe magnet bulk, and the influence of punching stress on magnetic material proprieties.; Suite aux directives européennes incitant les constructeurs de moteurs électriques à supprimerde leur offre, les moteurs à faible rendement, une politique de conception de moteurs à hautrendement est engagée. Toutefois, l'évaluation préalable, en simulation, de ce paramètre, etnotamment des pertes fer de la machine reste aujourd'hui un problème difficile. Dans cetteoptique, depuis quelques années, un modèle, nommé « Loss Surface », de calcul a posteriorides pertes fer sous le logiciel éléments finis Flux2D™ a été développé. Au cours de ce travail,plusieurs améliorations sont apportées à ce modèle LS. Un nouveau banc de caractérisation àpartir d'un onduleur de tension performant a permis de prolonger en fréquence la surfacedynamique LS. Une nouvelle formulation de l'identification de la contribution dynamique, plussimple, a également été réalisée. Au final, les gains apportés sont conséquents. Deux machinessynchrones à aimants aux caractéristiques très différentes ont ensuite été utilisées pour évaluerles améliorations sur des structures complexes. La première machine, nous a permis de testerl'impact du niveau d'induction sur l'évolution des pertes fer, et la seconde machine, l'influencede la fréquence. Deux phénomènes physiques importants ont également été étudiés afin deconnaître leurs contributions aux pertes d'origine magnétique : les pertes par courants induitsdans un matériau massif tel qu'un aimant, et l'effet sur les propriétés magnétiques des contraintes mécaniques induites par le poinçonnage du circuit magnétique.

Following European directives inciting electrical motors manufacturers to replace engines withpoor efficiency in the near future, a high efficiency motor design policy was committed. However,the preliminary evaluation, in Finite Element Method (FEM) simulation, of the efficiency, and inparticular the iron losses in the machine remains a difficult problem nowadays. An iron losses aposteriori calculation module, named « Loss Surface », for the finite element software Flux2D™has been developed since several years. This work proposes several improvements of LSdynamical model. A new magnetic characterization by perform inverter has permitted to increasethe frequency data for the dynamical surface LS. A new formulation of dynamic contributionidentification has also been achieved. Finally, the gains are consistent. Two differentsynchronous permanent magnet motors have been tested to evaluate the LS improvements oncomplex structures. The first machine is used to test the effect of induction level on iron lossesevolution and the second, the frequency impact. Two physical phenomenon are as well asstudied in order to know theirs contributions on magnetic losses : the eddy-current distribution inthe magnet bulk, and the influence of punching stress on magnetic material proprieties., Suite aux directives européennes incitant les constructeurs de moteurs électriques à supprimerde leur offre, les moteurs à faible rendement, une politique de conception de moteurs à hautrendement est engagée. Toutefois, l'évaluation préalable, en simulation, de ce paramètre, etnotamment des pertes fer de la machine reste aujourd'hui un problème difficile. Dans cetteoptique, depuis quelques années, un modèle, nommé « Loss Surface », de calcul a posteriorides pertes fer sous le logiciel éléments finis Flux2D™ a été développé. Au cours de ce travail,plusieurs améliorations sont apportées à ce modèle LS. Un nouveau banc de caractérisation àpartir d'un onduleur de tension performant a permis de prolonger en fréquence la surfacedynamique LS. Une nouvelle formulation de l'identification de la contribution dynamique, plussimple, a également été réalisée. Au final, les gains apportés sont conséquents. Deux machinessynchrones à aimants aux caractéristiques très différentes ont ensuite été utilisées pour évaluerles améliorations sur des structures complexes. La première machine, nous a permis de testerl'impact du niveau d'induction sur l'évolution des pertes fer, et la seconde machine, l'influencede la fréquence. Deux phénomènes physiques importants ont également été étudiés afin deconnaître leurs contributions aux pertes d'origine magnétique : les pertes par courants induitsdans un matériau massif tel qu'un aimant, et l'effet sur les propriétés magnétiques des contraintes mécaniques induites par le poinçonnage du circuit magnétique.

The magnetic properties of Fe-6,5%Si ribbons obtained by a rapid quenching in a controlled atmosphere have been compared with those of grain oriented and non oriented industrial alloys. For frequencies higher than 150 Hz these properties turn out to be better than those of industrial alloys

The magnetic properties of as-cast amorphous ribbon alloys MG 2605 Co are settled over a frequency range 50 Hz-50 kHz and with applied tensile stresses up to 75 daN•mm −2 . The results show that the AC permeability increases with the applied stress σ. The influence of tensile load on the hysteresis loss and the eddy current loss is quite different according to the frequency. So, the results exhibit a reduction in total losses at the lower frequencies produced by the tensile stress and an increase at the higher frequencies. For σ Les proprietes magnetiques de rubans ferromagnetiques amorphes MG 2605 Co, bruts de trempe, sont determinees, en fonction de contraintes de traction allant jusqu'a 75 daN•mm −2 , dans un domaine de frequence compris entre 50 Hz et 50 kHz. Les resultats montrent que la permeabilite d'impedance augmente avec la contrainte σ. En ce qui concerne les pertes, le comportement differe a basse et haute frequence. Cela traduit une evolution differente des pertes par hysteresis et courants de Foucault avec la contrainte exercee. Dans le domaine des faibles contraintes (σ