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Antenne basse frรฉquence
Les communications รฉlectromagnรฉtiques ร basses frรฉquences sont de plus en plus utilisรฉes dans lโidentification par radiofrรฉquence (RFID). Dans les systรจmes de surveillance de la pression des pneumatiques, une communication RFID est utilisรฉe pour mettre en marche les capteurs de la pression et de la tempรฉrature. Les informations sont alors transmises en temps rรฉel au conducteur comme le montre la figure (Fig. I.3) [4]. Cette communication sans fil (RFID) est composรฉe dโun รฉmetteur et dโun rรฉcepteur, le composant principal de ce dernier รฉtant une antenne basse frรฉquence (ABF) ou low frequency (LFA) en englais qui fonctionne ร 125 kHz. Cette antenne est gรฉnรฉralement constituรฉedโune bobine multi tours enroulรฉe autour dโun noyau de ferrite. Un des principaux dรฉfis des fabricants est dโobtenir une puissance trรจs faible. Une des solutions pour rรฉsoudre cette difficultรฉ est dโavoir un modรจle qui peut rapidement prรฉdire les caractรฉristiques du champ magnรฉtique de lโABF [5] [6].
Dans [7] est prรฉsentรฉ une premiรจre รฉtape vers cet objectifavec la simulation dโune antenne du noyau du barre cylindrique de ferrite. En utilisant la symรฉtrie axiale, une procรฉdure numรฉrique 2D est dรฉveloppรฉe afin de calculer le champ magnรฉtique ร courte et grande distance. Un autre modรจle est prรฉsentรฉ dans8[], il est composรฉ dโune bobine enroulรฉe sur une partie112 du noyau et le noyau aimantรฉ est remplacรฉ par une distribution dโaimantation induite.
PPS-Flex
Un satellite orbite en gรฉnรฉral entre 450 km et 3600 km dโaltitude. Il se dรฉplace naturellement sous lโeffet de la gravitation. Toutefois, des forces ou couples perturbateurs peuvent lโรฉcarter de son orbite et agissent sur son attitude (orientation). Cโest pourquoi, le systรจme propulsif est essentiel pour compenser ces perturbations. Dโautres manลuvres orbitales tels que le passage dโune orbite ร une au tre (transfert dโorbite) ou la dรฉsorbitation pour un satellite en fin de vie opรฉrationnelle sontรฉgalement assurรฉes par le systรจme propulsif.
Le propulseur ร Effet Hall (dit HET pour ยซ Hall Eff ect Thruster ยป) est un moteur plasmique sans grille parmi la famille de propulseurs รฉlectriques. Sa relativement faible poussรฉe (100 mN) et sa forte impulsion spรฉcifique (vitesse des ions รฉjectรฉs de 20 km/s) le rendent bien adaptรฉ aux tรขches de maintien sur orbite des satellites ou de petits transferts dโorbite.
[9] prรฉsente un outil efficace pour expรฉrimenter de ouvellesn configurations du champ magnรฉtique trรจs diffรฉrentes de celles existantes dans un HET classique [10]. Le prototype final a รฉtรฉ construite en tenant compte des spรฉcifications qui ont รฉtรฉ รฉtablis ร partir dโune grand quantitรฉ de donnรฉes recueillies auprรจs HET existantes [10]. Un quart du circuit magnรฉtique du PPS-Flex apparaรฎt sur la figure (Fig. I.5). Le champ magnรฉtique est un des paramรจtres importants conditionnant le fonctionnement de propulseur, il permet de confiner les รฉlectrons dโun plasma20formรฉ entre deux cylindres coaxiaux diรฉlectriques. Le champ magnรฉtique est obtenu par bobines et canalisรฉ par un circuit magnรฉtique.
Les รฉtudes rรฉalisรฉes dans 11[] poussent ร envisager un problรจme au niveau de la retranscription en un modรจle 2D dโune structure non parfaitement axisymรฉtrique au moyen dโhypothรจses simplificatrices. En effet, le circuit magnรฉtique 3D prรฉsente un effet non pris en compte dans la modรฉlisation 2D actuelle. Cependant,une simulation 3D permet de vรฉrifier la prรฉsence dโรฉventuels phรฉnomรจnes non pris en compteet de valider les rรฉsultats obtenus.
Dans un premier temps, un modรจle 3D a รฉtรฉ utilisรฉarp la mรฉthode des รฉlรฉments finis MEF. Comme le PPS-Flex est constituรฉ des plaques ferromagnรฉtiques ayant des dimensions gรฉomรฉtriques trรจs hรฉtรฉrogรจnes (ร รฉpaisseur faiblear rapport ร la largeur et/ou ร la longueur par exemple (voir (Fig. I.5)), trรจs difficile ร mailler. Aussi, un nombre important dโรฉlรฉments sera utilisรฉ pour la discrรฉtisation du volume de lโair environnant, car certains entrefers entre les piรจces ferromagnรฉtiques sont trรจs grands (voir(Fig. I.5)).
Lโรฉtude dans ces travaux de thรจse porte sur un modรจle 3D qui est extrรชmement couteux en temps de calcul, il est donc nรฉcessaire de trouverune mรฉthode adaptรฉe pour calculer le champ magnรฉtique ร nโimporte quelle distance de ces dispositifs avec une certaine prรฉcision.
Mรฉthode des รฉlรฉments finis : solution usuelle
La mรฉthode des รฉlรฉments finis (MEF) est la mรฉthodela plus connue et la plus utilisรฉe dans le domaine de la simulation numรฉrique. En รฉlectromagnรฉtisme, cette mรฉthode est trรจs employรฉe dans le domaine des basses frรฉquences. Elle est basรฉe sur la formulation variationelle des รฉquations de Maxwell dans laquelle les champs sont discrรฉtisรฉs dans tout lโespace.
Le principe de la mรฉthode des รฉlรฉments finis consiste ร restreindre la dรฉtermination de ce champ ร un nombre fini de points du milieu, appelรฉs ยซ nลuds ยป comme le montre la figure (Fig. I.6) [12].
Le processus de passage du champ continu aux valeurs nodales est appelรฉ ยซ discrรฉtisation ยป. La discrรฉtisation du domaine de calcul se fait grรขce ร des รฉlรฉments gรฉomรฉtriques adaptรฉs : รฉlรฉments linรฉiques (ร une dimension)13[], รฉlรฉments plans (2D) 14[] ou รฉlรฉments volumiques (3D) comme les montrent respectivement les figures (Fig. I.7), (Fig. I.8) et (Fig. I.9). La rรฉsolution du systรจme est ainsi effectuรฉe dans le utb de dรฉterminer les valeurs du champ en ces nลuds, cโest ce quโon appelle ยซ valeurs nodales ยป. Pour lโinstant, le champ reste inconnu dans le domaine entre les nลuds. La solution consis te naturellement ร dรฉfinir le champ approchรฉ (et continu) par interpolation des valeurs nodales. Pour cela, nous utilisons les fonctions de forme pour lโinterpolation ร lโintรฉrieur de chaque maille joignant un groupe de nลuds. La structure finale est ainsi reconstituรฉe e n considรฉrant toutes les mailles du systรจme.
Mรฉthodes Alternatives
Une solution alternative consiste ร utiliser des fo rmulations intรฉgrales bien connues soit de type intรฉgrale de frontiรจre ou de type intรฉgrale volumique [18], [19], [20], [21]. Leur avantage essentiel rรฉside รฉvidemment dans lโabsence de maillage de lโair environnant les dispositifs. Il est รฉgalement possible de les coupler avec les รฉlรฉments finis afin de concilier les points forts de chaque mรฉthode [22] [23] [24]. Dans cette section, nous allons prรฉsenter ces mรฉthodes.
Mรฉthode des รฉlรฉments finis de frontiรจre
La mรฉthode des รฉlรฉments finis de frontiรจre (en anglais ย ยป BEM : Boundary Element Method ยซย ) permet de rรฉsoudre un systรจme dโรฉquationsaux dรฉrivรฉes partielles dans un domaine infini en ne maillant que la frontiรจre du domaine ร distance finie. Nous nโavons donc pas besoin de mailler lโair environnant les dispositifs. Ceci reprรฉsente un gain considรฉrable en nombre de variables ร calculer [ 25] [26].
Nous verrons dans le chapitre suivant quโil est possible de remplacer les matรฉriaux magnรฉtiques par un milieu amagnรฉtique auquel on ajoute des sources magnรฉtiques induites appelรฉes distributions de charges รฉquivalentes. Dans le cas linรฉaire (la permรฉabilitรฉ du matรฉriau est constante) ces matรฉriaux peuvent รชtremplacรฉ par des charges surfaciques [25]. Ainsi la mรฉthode des รฉlรฉments finis de frontiรจre vientde plus efficace que la mรฉthode des รฉlรฉments finis car la taille des systรจmes est pluspetite et le temps de calcul est relativement rรฉduit. Les inconvรฉnients de cette mรฉthode dus ร utilisationlโ des mรฉthodes intรฉgrales sont liรฉs principalement au calcul dโintรฉgrales singuliรจres รฉcessitant un traitement particulier et un systรจme dโรฉquations plein et non symรฉtrique. Ainsilorsque lโaire de la surface devient importante, lโoccupation mรฉmoire du systรจme croรฎt plus rapidement que celle des รฉlรฉments qui conduisent ร une matrice creuse [ 25].
Par ailleurs ces mรฉthodes ne sont pas adaptรฉes pourtraiter des matรฉriaux non linรฉaires puisque le domaine qui nโest pas maillรฉ doit รชtre omogรจneh. Les matรฉriaux doivent รชtre remplacรฉs par des charges surfaciques et volumiques [27] et lโon se ramรจne alors ร une formulation de type volumique dans la formulation intรฉgrale ce qui implique un effort supplรฉmentaire de discrรฉtisation du volume.
Ainsi, lโavantage majeur de la formulation intรฉgrale de frontiรจre, (discrรฉtisation de la surface de lโobjet seulement) est alors rรฉduit. En outre, le temps de calcul nรฉcessaire pourrait รชtre prohibitif ร cause de lโaugmentation de lโoccupation de la mรฉmoire [27] [28].
Mรฉthodes intรฉgrales volumiques
Cette mรฉthode ne nรฉcessite pas de mailler lโespacelibre et peut facilement prendre en compte le comportement non linรฉaire des matรฉriaux magnรฉtiques. Ses avantages ne sont pas limitรฉs ร des problรจmes non linรฉaires. Aujourdโhui,la mรฉthode des moments peut รชtre une alternative intรฉressante ร la mรฉthode des รฉlรฉmentsfinis classique pour calculer le champ lointain produit par un circuit magnรฉtique avec une gรฉomรฉtrie complexe dans le cas non linรฉaire. Comme notre choix sโest portรฉ sur cette mรฉthode, nous lui consacrons la section suivante.
Mรฉthodes hybrides รฉlรฉments finis โ รฉquationsintรฉgrales
Dans la littรฉrature, lโutilisation des mรฉthodes intรฉgrales de frontiรจre se limitent donc ร des problรจmes linรฉaires, Nous avons รฉgalement constatรฉquโune difficultรฉ liรฉe ร lโutilisation de la mรฉthode des รฉlรฉments finis, lorsque la structure udiรฉeรฉt est en interaction avec un domaine infini [29]. Pour traiter convenablement les problรจmes comportant des frontiรจres ร lโinfini, lโutilisation dโรฉlรฉments discrets ย ยป infinis ย ยป est maintenant souvent dรฉlaissรฉe au profit de la mรฉthode des รฉlรฉments de frontiรจre. La mise en ลuvredu couplage entre la mรฉthode des รฉlรฉments finis et la mรฉthode des รฉlรฉments de frontiรจre apparaรฎt donc comme particuliรจrement intรฉressante [22] [23] [24], car elle permet de traiter les problรจmes non linรฉaires par la mรฉthode des รฉlรฉments finis tout en permettant de prรฉsenterre les domaines infinis ร lโaide de la mรฉthode des รฉlรฉments de frontiรจre.
Mรฉthode des moments magnรฉtostatiques : principe et historique
Discrรฉtisation de la structure magnรฉtique
Les structures que nous allons รฉtudier dans cette thรจse seront composรฉes de matรฉriaux ferromagnรฉtiques. Le matรฉriau ferromagnรฉtique subitune aimantation lorsque quโil est magnรฉtiques est une soumis ร un champ magnรฉtique extรฉrieur. La mรฉthodedes moments 112 formulation qui consiste ร calculer cette aimantati on 112 , puis ร en dรฉduire le champ dans nโimporte quel point de lโespace.
La modรฉlisation par la mรฉthode des moments impliquele dรฉcoupage de la structure en sous-domaines appelรฉes ย ยป รฉlรฉments ยซย . Ils peuvent reรชtvolumiques (hexaรจdre ou tรฉtraรจdre30[]) et dans ce cas chaque รฉlรฉment possรจde trois inconnues. Donc, les formulations spรฉcifiรฉes ร cette mรฉthode sont de type intรฉgrale volumique.Pour certaines gรฉomรฉtries particuliรจres,la direction de lโaimantation dans le dispositif peut รชtre connue. Ainsi la formulation volumique de la mรฉthode MoM peut รชtre simplifiรฉe en transformant lโintรฉgrale volumique en une intรฉgrale surfacique ou intรฉgrale linรฉaire 30[] [31]. Le nombre dโinconnues est alors considรฉrablement rรฉduit.
En consรฉquence, il faut garder ร lโesprit le fait que le nombre dโinconnues est relatif ร lโรฉlรฉment utilisรฉ. A titre dโexemple : un รฉlรฉment dbarre possรจde une inconnue [8], alors quโun รฉlรฉment surfacique a deux inconnues 32[] et un รฉlรฉment de volume en a trois 30[].
La technique de la mรฉthode des moments MoM, appliquรฉe ร des problรจmes dans la thรฉorie รฉlectromagnรฉtique, a รฉtรฉ prรฉsentรฉe par Harrington 1967e [33] pour modรฉliser des rรฉgions volumiques. Ensuite, cette mรฉthode a รฉtรฉ dรฉveloppรฉepar Chadebec pour prendre en compte des rรฉgions surfaciques et linรฉiques.
Application de la mรฉthode des moments
La premiรจre application de la mรฉthode des รฉquationsintรฉgrales remonte au dรฉbut des annรฉes 1970, lorsque le code de GFUN a รฉtรฉ dรฉvelopp [39]. Ensuite plusieurs codes acadรฉmiques comme CALMAG3D [40], RADIA [35] [41] et LOCAPI [30] ont dรฉjร montrรฉ la fiabilitรฉ de lโapproche : lโaimantation est constante au barycentre de chaque รฉlรฉment. Ces codes ont appliquรฉ la mรฉthode des moments magnรฉtostatiques pour rรฉsoudre deux genres des problรจmes :
Problรจme direct
Dans le problรจme direct, nous dรฉterminons des sources (aimantation ) dโabord, ensuite nous calculons de lโeffet (le champ magnรฉtique [8], la force [30] [42],โฆ).
Durant la thรจse, nous allons utiliser la mรฉthode de MoM pour calculer le champ magnรฉtique et lโรฉnergie magnรฉtostatique ร partir dela connaissance de lโaimantation. Comme nos problรจmes sont portรฉs sur ce genre des problรจmes, nous lui consacrons une grande section de la thรจse dรฉtaillรฉe plus tardChapitre( . III).
Problรจme inverse
Bien que, nous allons appliquer la mรฉthode de MoM durant la thรจse pour rรฉsoudre des problรจmes directs, il ne faut pas renier les applications intรฉressantes de la mรฉthode de MoM pour rรฉsoudre le problรจme inverse comme par exemple: une plaque placรฉe dans un champ extรฉrieur [30] [43] et lโidentification de lโaimantation totale du nav ire [44] [45]. Dans ces applications lโaimantation a รฉtรฉ dรฉterminรฉe en connaissant le champ magnรฉtique mesurรฉ sur un nombre limitรฉ de capteurs placรฉs autour de esc dispositifs. Les applications de cette mรฉthode ont donnรฉ des rรฉsultats encourageants dansla rรฉsolution de problรจme inverse magnรฉtostatique. Ils ajoutent un autre avantage de la mรฉthode de MoM par rapport ร la mรฉthode de MEF : elle est permet de faire la modรฉlisation numรฉrique inverse de faรงon plus facile quโavec la mรฉthode traditionnelle MEF.
Avantages de la mรฉthode des moments par rapport aux รฉlรฉments finis
Dans cette section, nous rรฉsumons les avantages de la mรฉthode de MoM. Grรขce ร ses avantages, cette mรฉthode peut รชtre une alternativeintรฉressante ร la mรฉthode des รฉlรฉments finis classique MEF, citons :
– Seuls les matรฉriaux actifs et les bobines ont besoin dโรชtre maillรฉs ce qui simplifie grandement la description des gรฉomรฉtries et plus particuliรจrement leur discrรฉtisation. Les systรจmes matriciels obtenus comportent donc moins dโinconnues que leurs homologues issus des รฉlรฉments finis classiques. Cepoint peut conduire ร des gains notables en temps de calcul si les gรฉomรฉtries restent simples.
– Il nโy a pas besoin de borner le domaine dโรฉtude par une frontiรจre artificielle pour imposer les conditions aux limites ce qui permet une plus grande prรฉcision numรฉrique des calculs.
– les opรฉrations algรฉbriques peuvent รชtre appliquรฉs systรจmea linรฉaire obtenu telle que la multiplication et lโaddition. Cette propriรฉtรฉ rend cette mรฉthode est plus pratique dans les problรจmes qui requiรจrent le calcul dโune partition du champ total dans le problรจme, par exemple les champs de courants de Foucault, de sources de fer induits et de courant prรฉsentรฉs peuvent รชtre tous calculรฉs indรฉpendamment [46].
– La discrรฉtisation nโa pas nรฉcessairement besoin dโรชtre ยซconformeยป comme le montre la figure (Fig. I.11. a), ce qui signifie que nโimporte quelle paire dโรฉlรฉments adjacents ne doit pas partager un nลud, une arรชte ou une face comme le montre la figure (Fig. I.11. b) [47]. En principe des maillages non conformes ou mรชme des maillages hybrides rรฉalisรฉs par lโassemblage des รฉlรฉments detypes diffรฉrents (tรฉtraรจdres, prismes triangulaires, des briques, des hexaรจdres, etc.) peuvent รชtre utilisรฉs comme le montre la figure (Fig. I.11. b) [30].
– Dans certaines mรฉthodes de rรฉsolution des problรจmesnon-linรฉaires comme la mรฉthode du point fixe, la matrice de coefficient ne change pas au cours de la procรฉdure de rรฉsolution itรฉrative et nโa pas besoin dโรชtre recalculรฉe ร chaque itรฉration.
– Cette mรฉthode est plus facile ร parallรฉliser 47[].
– Elle est plus facile ร appliquer pour la rรฉsolution du problรจme inverse que la mรฉthode de MEF.
Inconvรฉnients de la mรฉthode des moments
La mรฉthode de MoM prรฉsente moins dโintรฉrรชt dans certain cas :
– matรฉriaux linรฉaires (la permรฉabilitรฉ du matรฉriau indรฉpendantees du champ).
– les surfaces du domaine dโรฉtude sont petites par rapport au volume de ce domaine.
Dans ce cas, le calcul de lโintรฉgrale dans le domaine se rรฉduit ร un calcul de lโintรฉgrale sur la surface du domaine. Donc, la mรฉthode des รฉlรฉments finis de frontiรจre peut รชtre utilisรฉe, ce qui simplifie le maillage et diminue considรฉrablement le coรปt.
La mรฉthode MoM, comme cโest le cas pour toutes les autres mรฉthodes intรฉgrales, conduit ร la rรฉsolution dโun systรจme linรฉaire plein (ร coefficients tous non nuls). En effet, la mรฉthode des moments est une mรฉthode ร interactions totales, chaque รฉlรฉment du maillage interagit avec tous les autres et sur lui-mรชme. La rรฉsolutionde tels systรจmes est trรจs coรปteuse en temps de calcul et difficile ร stocker dans la mรฉmoire vive de lโordinateur. Par exemple [ 47], un PC standard en est รฉquipรฉ dโune quantitรฉ de mรฉmoire vive de lโordre de Go, ce qui limite de degrรฉs de libertรฉ dโun problรจme ร (matrice pleine en double prรฉcision). ce qui nรฉcessiterait alors une centaine de Go de mรฉmoire vive. Pour cette 100.000
Les mรฉthodes intรฉgrales sont donc incapables en lโรฉtat de rรฉsoudre un problรจme de complexitรฉ 30.000 industrielle qui comporte gรฉnรฉralement un nombre dedegrรฉs de libertรฉ de lโordre de , raison, la communautรฉ basses frรฉquences sโest รฉloignรฉe de la รฉthodem de MoM dans les annรฉes 80-90 au profit des mรฉthodes par รฉlรฉments finis malgrรฉ maillagele de lโair.
Rรฉcemment, des techniques ont รฉtรฉ dรฉveloppรฉes pour aborder ce problรจme qui limite leur utilisation ร des gรฉomรฉtries trรจs simples.Ces techniques sont prรฉsentรฉes dans la section suivante.
Mรฉthodes de compression de matrice
Le principe de base de la plupart des mรฉthodes de compression consiste ร dissocier les interactions proches des interactions lointaines. Les interactions lointaines peuvent รชtre approximรฉes sans introduire dโerreurs significatives [48] [49]. Nous citons par exemple :
– Mรฉthode multipolaire rapide (MMR) : elle procรจde ร lโexpansion de la fonction de Green du systรจme par une expansion multipolaire, le groupement des sources voisines permettant de les traiter comme une source unique. En traitant les interactions diffรฉrentement par la MMR, il nโest pas nรฉcessairede stocker les รฉlรฉments de matrices correspondants, ce qui rรฉduit beaucoup la quantitรฉde mรฉmoire nรฉcessaire. Si la MMR est appliquรฉe de maniรจre hiรฉrarchique, elle rรฉduitla complexitรฉ des[ Yproduits\ [ Yde matrices[ Y logetdeY vecteursY dans un solveur itรฉratif enla faisant passer deร ouoรนle nombre des inconues. Cet outil a รฉlargi le domaine dโapplication de la mรฉthode des moments ร de plus grands problรจmes quโauparavant.
Son algorithme est lโun des dix meilleurs algorithmes du รจ]^ siรจcle [50]. Elle a รฉtรฉ utilisรฉe pour rรฉsoudre des problรจmes magnรฉtostatiques non linรฉaires [51] , [52]. Par ailleurs, cette mรฉthode prรฉsente certaines difficultรฉs en ce qui concerne la parallรฉlisation de lโalgorithme et le prรฉconditionnement du solveur. Cโest une mรฉthode est trรจs utilisรฉe dans beaucoup de domaines tels que le domaine dโhautes frรฉquences et le domaine dโhyperfrรฉquences [53].
– ACA (Adaptive Cross Approximation) : elle compresse les blocs dโinteractions lointaines en les reprรฉsentant par un produit de deux matrices de rangs infรฉrieurs [54]. Elle a รฉtรฉ appliquรฉe avec succรจs aussi bien aux mรฉthodes intรฉgrales surfaciques [55], [56] que volumiques [57]. Cette approche est moins intrusive dans le code source, plus facilement parallรฉlisable et permet en outre de construire en mรชme temps un prรฉconditioneur [58] [59].
Influence du nombre de points dโintรฉgration de Gauss
Pour une approche choisie, la prรฉcision sur les calculs dรฉpend de plusieurs paramรจtres.
Cโest ainsi que pour la MoM qui fait lโobjet de nos travaux, les paramรจtres influents sont : la taille des mailles du systรจme discret et le nombre de points de Gauss Oรต et aussi de la distance ยดยฏยฒ (qui sรฉpare les mailles e et i).
Dans ce qui suit nous analyserons lโeffet de la valeur de Oรต sur la prรฉcision du champ calculรฉ selon trois types de maillages : un maillage grossier (42 รฉlรฉments), moyen (336 รฉlรฉments) et fin (2688 รฉlรฉments). Enfin les rรฉsultats obtenus seront comparรฉs avec ceux trouvรฉ directement avec les expressions analytiques (( III.32), ( III.33)).
Avant tout une des prรฉoccupations en analyse est le temps CPU (et aussi souvent la mรฉmoire de stockage). Cโest ainsi que nous proposerons des techniques utilisant la MoM avec des choix judicieux des paramรจtres prรฉcรฉdents pour une bonne prรฉcision des calculs avec un temps CPU raisonnable.
Rappelons que nous avons deux types de formulations pour calculer les coefficients de la matrice dโinteraction รฉlรฉmentaires pour nโimporte quelle forme dโรฉlรฉment utilisรฉ dans le maillage. La premiรจre formulation est de type intรฉgrale surfacique ( III.37) pour รฉviter la singularitรฉ dans le cas (e = i), la deuxiรจme formulation est de type volumique (( III.10) et ( III.11)) utilisรฉ dans le cas (e ยณ i). La difficultรฉ principale dans la mรฉthode des moments paraรฎt lorsquโon applique la mรฉthode de Gauss ร ces formulations pour calculer les coefficients tรร ยฏยฒ et tรร
ยฏยฏ (voir les paragraphes ( III.5) et III.6)). Plus Oรต est รฉlevรฉ, plus la prรฉcision des rรฉsolutions numรฉrique est meilleure mais en parallรจle le temps de calcul plus augmente. Dโoรน lโidรฉe dโavoir un bon compromis dans de telle situation cโest ร dire obtenir une bonne qualitรฉ des rรฉsultats numรฉriques (dans le sens de lโexactitude des valeurs calculรฉes) avec le plus petit Oรต si possible. Il faut noter que Oรต diffรจre dโun calcul ร un autre selon quโon a un intรฉgral surfacique ou volumique.
Calcul de termes diagonaux (partie singuliรจre)
En ce qui concerne le cas des intรฉgrales surfaciques, une รฉtude plus dรฉtaillรฉe se trouve dans [30]. Dans cette รฉtude les auteurs analysent lโerreur commise entre solution numรฉrique par la MoM et celle donnรฉe par les expressions analytique [35]. Cette รฉtude a montrรฉ quโun nombre de points de Gauss Oรต รฉgal ร 16 est suffisant pour assurer une erreur infรฉrieure ร 0.5% par rapport ร la solution analytique.
Dans des applications qui ont gรฉnรฉralement des configurations gรฉomรฉtriques rรฉguliรจres comme lโantenne basse frรฉquence, il est facile de les discrรฉtiser en mailles de mรชme taille (voir la figure (IV.9)). Dans ce cas, lโintรฉgrale de surface nโest faite quโune seule fois et ce nombre de points dโintรฉgration Oรต = 16 relativement รฉlevรฉ affecte trรจs peu le temps de calcul total. Par contre dans les applications ร gรฉomรฉtries complexes oรน les รฉlรฉments du maillage ont des tailles diffรฉrentes, la valeur du calcul de lโexpression tรร
ยฏยฏ diffรจre dโun รฉlรฉment ร lโautre. Autrement dit, il faut calculer lโintรฉgrale surfacique pour chaque รฉlรฉment du maillage avec le nombre Oรต = 16. Ce nombre va alors consommer un temps de calcul important surtout dans les maillages denses. Une expression analytique devient toujours nรฉcessaire comme [76] qui prend en compte le cas irrรฉgulier et qui est difficile ร implรฉmenter.
Dans lโantenne basse frรฉquence oรน les รฉlรฉments sont de forme hexaรฉdrique rรฉgulier, lโapplication de la solution analytique prรฉsentรฉe par les relations (III.32) et (III.33) est simple et le calcul des coefficients tรร
ยฏยฏ par lโintรฉgrale surfacique est plus rapide que la solution numรฉrique avec Oรต = 16.
Calcul des termes hors diagonaux
Concernant les formulations prรฉsentรฉes par lโintรฉgrale volumique pour calculer les coefficients tรร
ยฏยฒ, le mรชme nombre de points dโintรฉgration Oรต = 16 peut รชtre pris pour les calculer. Mais, ce nombre Oรต = 16 conduit ร une augmentation drastique du temps de calcul.
En remarquant les relations ( III.10) et ( III.11), nous trouvons รฉvidement que la prรฉcision du calcul des coefficients tรร
ยฏยฒ dรฉpend de la taille de ยยฒ et aussi de la distance ยดยฏยฒ entre le centre de la maille ยยฏ et les points de Gauss localisรฉs dans le maille ยยฒ comme le montre la figure (Fig. IV.9). Si ce centre est proche du volume ยยฏ, un grand nombre de points dโintรฉgration doit รชtre utilisรฉ et sโil est assez loin, un faible nombre de points dโintรฉgration sera suffisant en gardant la mรชme prรฉcision. Ainsi, un รฉlรฉment de grande taille a รฉvidemment besoin de nombre dโintรฉgration plus รฉlevรฉ que la taille petite.
Afin dโatteindre ร cet objectif, une รฉtude sera proposรฉe dans la suite.
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Table des matiรจres
Introduction gรฉnรฉrale
Chapitre. I ETAT DE LโART
I.1) Introduction
I.2) Problรฉmatique
I.2.1) Antenne basse frรฉquence
I.2.2) PPS-Flex
I.3) Mรฉthode des รฉlรฉments finis : solution usuelle
I.4) Mรฉthodes Alternatives
I.4.1) Mรฉthode des รฉlรฉments finis de frontiรจre
I.4.2) Mรฉthodes intรฉgrales volumiques
I.4.3) Mรฉthodes hybrides รฉlรฉments finis โ รฉquations intรฉgrales
I.5) Mรฉthode des moments magnรฉtostatiques : principe et historique
I.5.1) Discrรฉtisation de la structure magnรฉtique
I.5.2) Principe de la mรฉthode des moments magnรฉtiques
I.5.3) Application de la mรฉthode des moments
I.5.4) Avantages de la mรฉthode des moments par rapport aux รฉlรฉments finis
I.5.5) Inconvรฉnients de la mรฉthode des moments
I.5.6) Mรฉthodes de compression de matrice
I.6) Conclusion
Chapitre. II FORMULATION DES EQUATIONS DU CHAMP MAGNETOSTATIQUE EN VUE DE LA MODELISATION NUMERIQUE
II.1) Introduction
II.2) Domaine dโรฉtude
II.3) Equations du champ magnรฉtostatique
II.4) Formulation en potentiel dans les problรจmes magnรฉtostatiques
II.4.1) Formulation en potentiel vecteur magnรฉtique
II.4.1.1) Approche classique
II.4.1.2) Approche par la mรฉthode des courants รฉquivalents
II.4.2) Formulation en potentiel scalaire magnรฉtique
II.4.2.1) Approche classique
II.4.2.2) Approche par la mรฉthode des charges รฉquivalentes
II.5) Conclusion
Chapitre. III FORMULATION MATRICIELLE DE LA METHODE DES MOMENTS
III.1) Introduction
III.2) Discrรฉtisation du milieu magnรฉtique
III.3) Champ dโexcitation magnรฉtique au centre dโune maille
III.4) Dรฉcomposition sur une base orthonormรฉe
III.5) Intรฉgrale volumique sous forme matricielle
III.6) Intรฉgrale surfacique sous forme matricielle
III.7) Forme gรฉnรฉrale de la matrice
III.8) Identification de lโaimantation de matรฉriaux ferromagnรฉtiques linรฉaires
III.8.1) Matรฉriaux ferromagnรฉtiques linรฉaires
III.8.2) Matรฉriaux ferromagnรฉtiques non linรฉaires
III.9) Calcul du champ magnรฉtique
III.10) Calcul de lโรฉnergie magnรฉtostatique
III.11) Conclusion
Chapitre. IV MODELISATION D’UNE ANTENNE BASSE FREQUENCE
IV.1) Introduction
IV.2) Antenne basse frรฉquence (rรฉel)
IV.3) Composants magnรฉtiques pour la modรฉlisation
IV.4) Calcul du champ source par Biot et Savart
IV.5) Analyse par la mรฉthode des รฉlรฉments finis
IV.6) Etudes paramรฉtriques
IV.6.1) Influence du nombre de points dโintรฉgration de Gauss
IV.6.1.1) Calcul de termes diagonaux (partie singuliรจre)
IV.6.1.2) Calcul des termes hors diagonaux
IV.6.2) Influence du nombre de mailles
IV.6.2.1) Calcul du champ ร lโintรฉrieur du noyau
IV.6.2.2) Calcul du champ ร lโextรฉrieur du noyau
IV.6.3) Influence de la permรฉabilitรฉ
IV.7) Rรฉsultats numรฉriques
IV.8) Calcul de lโรฉnergie magnรฉtostatique
IV.9) Conclusion
Chapitre. V MODELISATION DU PPS-FLEX
V.1) Introduction
V.2) PPS-Flex
V.3) Symรฉtries
V.3.1) Dรฉfinitions gรฉnรฉrales des grandeurs polaires et axiales
V.3.2) Propriรฉtรฉs de symรฉtrie
V.3.3) Comportement du champ magnรฉtique et de la densitรฉ du courant dans les opรฉrations de symรฉtrie
V.3.4) Application des propriรฉtรฉs de symรฉtrie dans le PPS-Flex
V.3.5) Calcul du champ source par Biot et Savart
V.3.6) Illustration de lโintรฉrรชt de prendre en compte les symรฉtries
V.4) Rรฉsultats numรฉriques
V.4.1) Vรฉrification de la prise en compte des symรฉtries
V.4.2) Comparaison avec la mรฉthode des รฉlรฉments finis
V.4.3) Comparaison avec la mesure
V.4.4) Dรฉtail des temps de calculs
V.5) Conclusion
Conclusion gรฉnรฉrale
Annexes
Bibliographies
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