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L'industrie automobile doit s'adapter à une profonde mutation de la mobilité et des transports individuels : une attente sociétale forte pour des solutions plus respectueuses de l'homme et de son environnement, qui mettent au centre l'énergie décarbonée et la réduction des consommations d'énergie. Dans ce sens, l'étude thermique des machines électriques a toujours été un domaine très attractif. La recherche, réalisée dans cet article, s'inscrivent dans le projet COCTEL (Conception Optimale de Chaînes de Tractions Électriques) financé par l'ADEME, où il s'agit de créer un ensemble de solutions technologiques pour la traction électrique qui soient économiquement viables, et dont les performances soient comparables aux systèmes existants. Dans les machines électriques, l'estimation précise de la distribution des courants de Foucault dans les parties massives conductrices (i.e., aimants, cuivre, aluminium…) a toujours été un défi scientifique. Ces courants de Foucault, générés par une variation de champ magnétique spatio-temporel, impliquent des pertes volumiques et par conséquent des échauffements thermiques. Cela peut engendrer des conséquences irréversibles, tels que la démagnétisation des aimants dans les machines électriques. Un modèle analytique complexe a été conçu dans le but de déterminer de manière exacte la distribution des courants de Foucault, ainsi que des pertes engendrées. À moyen terme, notre objectif est d'évaluer de manière expérimentale l'évolution de la température dans des parties massives conductrices (électrique et thermique) pour estimer les pertes par courants Foucault. Pour cela, un électroaimant à armature plate à entrefer variable, permettant ainsi d'insérer des parties massives conductrices de différentes hauteurs, est utilisé. Le champ magnétique (non-)uniforme spatialement généré est de forme sinusoïdale avec une fréquence de 50 Hz. En l'appliquant sur les parties massives conductrices en aluminium introduites dans l'entrefer, celles-ci vont s'échauffer. L'évolution temporelle de la température dT/dt mesurée expérimentalement permet d'estimer les pertes par courants de Foucault selon : P = C.V.D.(dT/dt) avec C la chaleur massique, V le volume et D la densité spécifique des parties massives conductrices. La mesure de l'augmentation de température des parties massives conductrices se fait à l'aide de différents thermocouples de type E (non sensible aux variations du champ magnétique), qui sont fixés sur le matériau en différents points. Plusieurs mesures permettent obtenir la variation de température de manière plus fortement avérée. L'influence de la segmentation sur l'évolution de la température et donc par conséquent sur les pertes générés par courants de Foucault est étudiée. Il est question de valider la modélisation analytique réalisée, à travers la comparaison des résultats correspondant aux différents cas d'étude.

L'effet magnétocalorique se traduit par une variation de température des matériaux ferromagnétiques lorsqu'ils sont soumis à une variation de champ magnétique. La magnétisation d'un matériau ferromagnétique entraine un alignement des moments magnétiques de ses spins atomiques. Cette nouvelle organisation à l'échelle des atomes provoque une diminution de l'entropie globale et en conséquence une augmentation de température. Cet effet est réversible. En effet si le matériau est retiré du champ magnétique cela va se traduire par une désaimantation qui entraine une diminution de sa température. La première observation d'un phénomène thermomagnétique revient à W. Gilbert en 1600, qui note une réduction de l'aimantation d'un fil de fer quand celui-ci est chauffé. Cependant, la découverte de l'effet magnétocalorique est attribuée à E. Warburg en 1881. La mise en évidence de l'effet magnétocalorique et de sa réversibilité par A. Picard et P. Weiss en 1917 a permis une grande avancée dans le domaine. Par la suite, un intérêt plus important a été porté sur cette technologie. L'effet magnétocalorique a d'abord été utilisé au début du 19ème siècle dans la réfrigération. Ce n'est que depuis quelques décennies que l'on s'intéresse à cette technologie pour des applications fonctionnant à température ambiante. Cependant l'effet magnétocalorique seul est insuffisant pour proposer une alternative aux systèmes de production de chaud et de froid actuels. En effet, le matériau le plus utilisé et performant à température ambiante est le Gd (gadolinium). Or celui-ci présente un effet magnétocalorique ne dépassant pas 3 K/T. Afin de résoudre ce problème clé, il est nécessaire de réaliser des cycles AMRR (Active Magnetic Regenerative Refrigeration). Il s'agit de parcourir des cycles d'aimantation et de désaimantation du matériau, synchronisés avec des phases de circulation fluidique permettant un transfert de chaleur entre matériau magnétocalorique et fluide caloporteur circulant entre deux sources de chaleur. L'objectif est de créer un gradient de température au sein du matériau et in fine d'augmenter l'écart de température entre les sources chaude et froide. Cette technologie présente de nombreux avantages comme en particulier une absence de polluant atmosphérique, de bruit et surtout une efficacité énergétique supérieure à celle de l'effet Peltier ou d'un cycle thermodynamique classique. Le premier prototype basé sur l'effet magnétocalorique à température ambiante a été développé par Brown en 1976. Depuis de nombreux prototypes ont vu le jour proposant un dispositif de remplacement aux systèmes actuels, et présentant des caractéristiques toujours plus performantes. Aujourd'hui, il est donc nécessaire, si l'on souhaite que cette technologie soit commercialisée à grande échelle, de concevoir un dispositif qui répondrait aux problématiques environnementales actuelles tout en proposant une efficacité et un encombrement suffisamment intéressant et compétitif. Dans cet article, les avancés récentes dans la conception de dispositifs magnétocaloriques seront détaillées. Les prototypes les plus pertinents seront présentés et classés en fonction de leurs applications, leurs performances ou encore leur efficacité. Le but final est d'extraire une conception optimale de machine en visant un développement industriel.

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Au cours des vingt dernières années, de nombreuses recherches ont été menées dans le monde pour développer des technologies de réfrigération magnétocalorique prometteuses car plus efficaces et sans émissions de GES. Elles ont permis de bien comprendre les mécanismes de l’effet magnétocalorique (EMC) présentés par de nombreux matériaux, de fabriquer de nouveaux alliages susceptibles d’une utilisation massive pour la réfrigération et la climatisation au cours des prochaines années. Cependant, certains verrous scientifiques et techniques doivent encore être levés avant d’aboutir à des dispositifs magnétocaloriques suffisamment performants pour atteindre le stade industriel et devenir concurrentiels vis-à-vis des technologies classiques de réfrigération à compression de vapeur. Après une synthèse des récents progrès dans l’élaboration des matériaux et la mise au point de prototypes magnétocaloriques, cet article présente les défis scientifiques propres à ces machines et leurs solutions possibles. Il décrit les travaux menés au Dpt Énergie de l’Institut FEMTO-ST pour optimiser la conception des régénérateurs magnétocaloriques au cœur de ces machines. Un de ces axes de recherche porte sur l’intensification des échanges thermiques entre les plaques de matériaux des régénérateurs magnétocaloriques et l’écoulement alterné, à des fréquences plus élevées que celles habituellement utilisées dans les dispositifs actuels. Les calculs analytiques montrent que qu’elle se produit au-delà d’un seuil critique $Re_{\omega c}$ du nombre adimensionnel de Womersley, caractérisant l’apparition de l’effet annulaire induit dans ces écoulements. L’utilisation de régénérateurs magnétocaloriques multicouches à matériaux étagés de températures de Curie croissantes est un autre axe de recherche dont les simulations numériques démontrent l’augmentation de l’écart de température produit aux extrémités lors des cycles actifs de réfrigération magnétique. D’autres travaux en cours (microstructuration, composites) peuvent conduire aux ruptures technologiques recherchées permettant atteindre l’efficacité et les baisses de coûts indispensables à la commercialisation des futures machines magnétocaloriques.

International audience; L’objectif de cette étude est de caractériser les performances thermiques et dynamiques de micro-échangeurs pour régénérateur magnétocalorique conçus au laboratoire, notamment les puissances échangées, les paramètres KSF, NUT, DTML et l’efficacité. Afin de déterminer au mieux ces paramètres, le micro-échangeur testé est équipé à chaque entrée/sortie d’un support permettant de mesurer la tem-pérature et la pression des écoulements par thermocouples de type T et micro-capteurs de pression.Micro-heat exchanger characterization for magnetocaloric regeneratorThis study aims at characterizing the thermal and dynamic performances of micro-heat ex-changers designed in the laboratory for magnetocaloric regenerators, including heat exchange power, KSF, NUT, DTML parameters and efficiency. In order to determine these parameters, the micro-heat exchanger under test is equipped with T-type thermocouples and micro-pressure sensors allowing the temperature and pressure of the flows to be measured.

La mise au point des futures machines de froid et de chauffage magnétocalorique en remplacement des machines actuelles à compression de vapeur condensable repose sur l'optimisation du cycle actif magnétique à régénération (AMR) qu'elles utilisent. L'analyse du cycle AMR pour différentes formes d'onde du champ magnétique et de la vitesse du fluide caloporteur au sein du régénérateur magnétocalorique est un levier essentiel de cette optimisation. La modélisation de l'ensemble des phénomènes physiques qui se produisent lors de l'application et de la suppression du champ magnétique sur un matériau magnétocalorique tel que le gadolinium nécessite un couplage fin des modèles magnétostatique, magnétocalorique et thermo-fluidique du régénérateur actif. Notre modélisation multiphysique prend en compte au maximum les phénomènes se déroulant au sein du matériau actif et les échanges thermiques et dynamiques avec le fluide caloporteur. Dans cet article, nous étudions l'évolution de la température du matériau magnétocalorique lors de l'application de cycles de champ magnétique. Le dispositif expérimental mis en place est composé d'une plaque de gadolinium (45x13x1 mm) utilisé comme matériau actif placée dans l'entrefer d'un électroaimant pouvant générer un champ magnétique de 1 Tesla. L'évolution du champ magnétique est précisément mesurée au cœur de l'entrefer à l'aide d'une micro-sonde à effet Hall. A l'intérieur de cette plaque, sont fixés deux micro-thermocouples spécialement conçus au sein de l'Institut FEMTO-ST. Afin de suivre l'évolution de la température du matériau, nous utilisons également une caméra infrarouge pour mesurer la température de surface du gadolinium au cours des cycles magnétiques. La très bonne concordance entre le modèle théorique et les résultats expérimentaux permet de confirmer la modélisation de l'effet magnétocalorique et de valider le couplage multiphysique des modèles magnétostatique, magnétocalorique et thermique.

International audience; The ENERGY department of the FEMTO-ST Institute has been implementing a vast research program on magnetocaloric refrigeration for several years. It aims at developing high efficiency MC devices using new MC materials with optimized active magnetic regererative(AMR) cycle around ambient temperature. The analysis of the AMR cycle for different waveforms of the magnetic field and velocity is an essential point for designing and building efficient heating and cooling devices based on the magnetocaloric effect. The modelling of the multiphysics phenomena that occur inside the active magnetocaloric regenerators requires the coupling of magnetostatic, magnetocaloric and thermo-fluidic models. In a first step, a new multiphysics model was implemented to simultaneously simulate the internal magnetic field and magnetic flux density (magnetostatic phenomena) in the whole magnetic circuit, the magnetization and magnetocaloric power density (magnetocaloric phenomena) inside the MC material, the heat capacity, temperature and velocities (thermofluidic model) inside the whole regenerator during successive AMR cycles. Different AMR functioning parameters are varied in order to determine the maximum temperature difference between the cold and hot ends of the regenerator using reduced computation time. In a second step, a Finite Volume Model (FVM) was developed with Fluent software in order to obtain a high precision thermo-fluidic simulation of the AMR cycle. A comparison between 2D and 3D simulations was performed, allowing the accuracy to be tested on calculation results, such as the axial temperature profile evolution over AMRR cycles in adiabatic conditions. Very good agreement was found between these numerical simulations and experimental results obtained on our high precision magnetocaloric test bench.Further numerical results were obtained in other functioning mode, such as isothermal modeand refrigeration mode.Another experimental test bench is being assembled to perform an MCM-adapted thermoflashcalorimetric method in magnetic field.

The research carried out in this thesis is part of a desire to eliminate gases that strongly aggravate global warming (greenhouse effect) in refrigeration machines. Active magnetic regenerative refrigeration (AMRR), a still emerging technology, is a possible answer to this challenge.The objective of this thesis work is to propose a global multiphysics modelling of a test bench for magnetocaloric regenerators combining precision and numerical efficiency (calculation time).After a broad bibliographic study of the most recent magnetocaloric models and prototypes, a multiphysics modelling is proposed. For this purpose, three sub-models (magnetostatic, magnetocaloric and thermo-fluidic) are coupled in order to take into account all the phenomena occurring within the magnetocaloric regenerator during the AMRR cycles.Our model is then used to assess the influence of input parameters such as cycle frequency and regenerator sweep rate on the thermal performance of the system. A process of optimization by modulation of these parameters over time is proposed to significantly reduce the time required to reach the steady state of the magnetocaloric regenerator in different situations.The completion, development and validation of the magnetocaloric bench is described in detail to accurately identify and measure the magnetocaloric effect in gadolinium, and then to apply the AMRR cycles to the regenerator.The results of these experiments allow us to validate our multiphysics model with very good accuracy, paving the way for a systematic exploration of the performance of future regenerators designed in the laboratory.; Les recherches menées dans cette thèse s’inscrivent dans une volonté d’éliminer les gaz aggravant fortement le réchauffement climatique (effet de serre) dans les machines de réfrigération. La réfrigération magnétique active à régénérateur (AMRR), une technologie encore émergente est une réponse possible à ce défi.L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une modélisation multiphysique complète d’un banc de tests de régénérateurs magnétocaloriques conciliant les qualités de précision et d’efficacité numérique (temps de calcul).Après une large étude bibliographique des modèles et des prototypes magnétocaloriques les plus récents, une modélisation multiphysique est proposée. Pour cela, trois sous-modèles (magnétostatique, magnétocalorique et thermo-fluidique) sont couplés de manières à prendre en compte l’ensemble des phénomènes se déroulant au sein du régénérateur magnétocalorique pendant les cycles AMRR.Notre modèle est ensuite utilisé pour étudier l’influence des paramètres d’entrée tels que la fréquence des cycles et le taux de balayage du régénérateur sur les performances thermiques du système. Un processus d’optimisation par modulation de ces paramètres au cours du temps est proposé pour diminuer fortement le temps nécessaire pour atteindre le régime stationnaire du régénérateur magnétocalorique dans différentes situations.L’achèvement, la mise au point et la validation du banc magnétocalorique est décrite en détails pour mettre en évidence et mesurer avec précision l’effet magnétocalorique dans le gadolinium, puis pour appliquer les cycles AMRR au régénérateur.Les résultats de ces expériences permettent de valider notre modèle multiphysique avec une très bonne précision, ouvrant la voie à une exploration systématique des performances des futurs régénérateurs conçus au laboratoire.

The research carried out in this thesis is part of a desire to eliminate gases that strongly aggravate global warming (greenhouse effect) in refrigeration machines. Active magnetic regenerative refrigeration (AMRR), a still emerging technology, is a possible answer to this challenge.The objective of this thesis work is to propose a global multiphysics modelling of a test bench for magnetocaloric regenerators combining precision and numerical efficiency (calculation time).After a broad bibliographic study of the most recent magnetocaloric models and prototypes, a multiphysics modelling is proposed. For this purpose, three sub-models (magnetostatic, magnetocaloric and thermo-fluidic) are coupled in order to take into account all the phenomena occurring within the magnetocaloric regenerator during the AMRR cycles.Our model is then used to assess the influence of input parameters such as cycle frequency and regenerator sweep rate on the thermal performance of the system. A process of optimization by modulation of these parameters over time is proposed to significantly reduce the time required to reach the steady state of the magnetocaloric regenerator in different situations.The completion, development and validation of the magnetocaloric bench is described in detail to accurately identify and measure the magnetocaloric effect in gadolinium, and then to apply the AMRR cycles to the regenerator.The results of these experiments allow us to validate our multiphysics model with very good accuracy, paving the way for a systematic exploration of the performance of future regenerators designed in the laboratory.; Les recherches menées dans cette thèse s’inscrivent dans une volonté d’éliminer les gaz aggravant fortement le réchauffement climatique (effet de serre) dans les machines de réfrigération. La réfrigération magnétique active à régénérateur (AMRR), une technologie encore émergente est une réponse possible à ce défi.L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une modélisation multiphysique complète d’un banc de tests de régénérateurs magnétocaloriques conciliant les qualités de précision et d’efficacité numérique (temps de calcul).Après une large étude bibliographique des modèles et des prototypes magnétocaloriques les plus récents, une modélisation multiphysique est proposée. Pour cela, trois sous-modèles (magnétostatique, magnétocalorique et thermo-fluidique) sont couplés de manières à prendre en compte l’ensemble des phénomènes se déroulant au sein du régénérateur magnétocalorique pendant les cycles AMRR.Notre modèle est ensuite utilisé pour étudier l’influence des paramètres d’entrée tels que la fréquence des cycles et le taux de balayage du régénérateur sur les performances thermiques du système. Un processus d’optimisation par modulation de ces paramètres au cours du temps est proposé pour diminuer fortement le temps nécessaire pour atteindre le régime stationnaire du régénérateur magnétocalorique dans différentes situations.L’achèvement, la mise au point et la validation du banc magnétocalorique est décrite en détails pour mettre en évidence et mesurer avec précision l’effet magnétocalorique dans le gadolinium, puis pour appliquer les cycles AMRR au régénérateur.Les résultats de ces expériences permettent de valider notre modèle multiphysique avec une très bonne précision, ouvrant la voie à une exploration systématique des performances des futurs régénérateurs conçus au laboratoire.

International audience; The modeling of the multiphysics phenomena that occur inside the active magnetocaloric regenerators requires the coupling of magnetostatic, magnetocaloric and thermo-fluidic models. The main objective of the contribution presented is to combine the very low resolution time of the multiphysics model with a good accuracy. In this context, a magnetostatic semi-analytical modelling has been developed in order to calculatethe values of the magnetic field and the magnetic flux density at each point of the magnetocaloric regenerator volume. The magnetocaloric model calculates the magnetization and the magnetocaloric power density. A thermo-fluidic model computes the new temperatures in the fluid and inside the active magnetocaloric material. Indeed, the multiphysics model needs much less computation time than FEM and ensures a compatibility with an optimization process. The dependence of fluid displacement ratio and functioning frequency is assessed in order to determine the optimal working point for an imposed set of external conditions.

International audience; L'analyse du cycle de réfrigération magnétique actif pour différentes formes d'onde du champ magnétique et de la vitesse du fluide caloporteur est un défi essentiel pour concevoir et mettre en oeuvre des applications de chauffage et de refroidissement basées sur l’utilisation de l’effet magnétocalorique. L’étude numérique des régénérateurs thermiques passifs et actifs avec écoulements alternés d’un liquide entre plaques parallèles est nécessaire pour simuler les phénomènes thermo-fluidiques se déroulant au sein d’un régénérateur placé dans un entrefer en présence d’un champ magnétique de 1 tesla.

International audience; Banc de test pour la réfrigération magnétique : Prise en compte du comportement non linéaire du gadolinium dans la modélisation multiphysique

International audience; Active magnetic refrigeration cycle analysis for different waveforms both magnetic field and heat transfer fluid velocity is an essential issue to design and implement heating and cooling applications based on magnetocaloric effect. Modelling the multiphysics phenomena that occur inside the magnetocaloric regenerators requires the coupling of magnetostatic, magnetocaloric and thermofluidic models. The global interest of the contribution presented here is to decrease the resolution time of the magnetostatic model. Indeed, the multi-physics model integrating this fast magnetostatic model needs much less computation time and ensures its compatibility with an optimization process. In this context, an analytical modelling of magnetostatic phenomena is developed by taking into account the nonlinear behaviour of the ferromagnetic external circuit as well as the active magnetocaloric material (MCM). The analytical model calculates the values of the magnetic field and the magnetic flux density at each point of the regenerator volume. Moreover, the model considers the dependency of magnetic model B(Hint) with thetemperature in the case of the magnetocaloric material characteristics obtained experimentally.