sur la réalisation de moteurs tout aimant

157 Pages·2010·4.57 MB·French

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CONTRIBUTION A` L’IDENTIFICATION DES NON-LINE´ARITE´S DES
MOTEURS DE HAUT-PARLEURS E´LECTRODYNAMIQUES
S ´
UR LA REALISATION DE MOTEURS TOUT AIMANT
Benoit Merit
Th`ese de Doctorat en Acoustique
Universit´e du Maine, Le Mans, France, 2010

Acad´emie de Nantes
E´COLE DOCTORALE SCIENCES POUR L’INGE´NIEUR, GE´OSCIENCES,
ARCHITECTURE
UNIVERSITE´ DU MAINE, LE MANS, FRANCE
THE`SE DE DOCTORAT
Sp´ecialit´e : ACOUSTIQUE
pr´esent´ee par
Benoit MERIT
pour obtenir le titre de Docteur d’Universit´e
CONTRIBUTION A` L’IDENTIFICATION DES NON-LINE´ARITE´S DES MOTEURS
DE HAUT-PARLEURS E´LECTRODYNAMIQUES
-
SUR LA RE´ALISATION DE MOTEURS TOUT AIMANT
Th`ese pr´epar´ee au Laboratoire d’Acoustique de l’Universit´e du Maine
soutenue le 21 septembre 2010
devant le jury compos´e de :
B. MULTON Professeur, ENS Cachan, Bruz Pr´esident du jury
C. GLAIZE Professeur, Universit´e de Montpellier Rapporteur
J. DELAMARE Professeur, INP Grenoble Rapporteur
V. LEMARQUAND Professeur, LAUM, Universit´e de Toulouse Examinateur
C. DEPOLLIER Professeur, LAUM, Universit´e du Maine Examinateur
B. NEMOFF PDG Orkidia Audio SARL, Bidart Invit´e
G. LEMARQUAND Professeur, LAUM, Universit´e du Maine Directeur de th`ese

Remerciements
Jetiens`aremerciermondirecteurdeth`eseGuyLemarquandpourm’avoirdonn´el’acc`es`acetteth`ese
fort enrichissante d’un point de vue de mon autonomie autant que de mon apprentissage, de ma culture
du haut-parleur et de mes connaissances dans le domaine du magn´etisme : mission accomplie.
Au mˆeme titre, je remercie Bernard Nemoff, g´erant de l’entreprise Orkidia Audio (Bidart, 64) et
porteur de ce projet de th`ese, pour sa sympathie, son ´ecoute, et pour la confiance et la libert´e qu’il m’a
accord´ees durant ces longues ann´ees. Merci pour avoir fait le pari de monter l’entreprise Orkidia Audio
surceprojetdeth`ese,engardantunemotivationcertaine`alemener`asonterme,end´epitdesnombreux
d´eboires que nous avons pu rencontrer.
Jeremercieparavancelesmembresdujurypourl’int´erˆetqu’ilspourrontporter`acetravail:Christian
Glaize et J´erome Delamare, qui ont accept´e d’en ˆetre les rapporteurs, Bernard Multon, qui a accept´e de
pr´esiderlasoutenancedeth`ese,etVal´erieLemarquandetClaudeDepollierquiont´egalementaccept´ede
faire partie du jury.
Je me dois ´egalement de remercier les acteurs `a temps plein de cette th`ese, que sont Eric E´gon, sans
quijeseraiscertainementaujourd’huiencore`amepincerlesdoigtsentredeuxaimants,etAntoninNovak,
qui a su se rendre disponible `a de nombreuses reprises et me faire profiter de sa rigueur scientifique. Je
remercie ´egalement Mathias R´emy, James Blondeau, Emmanuel Brasseur, St´ephane Lebon et Olivier
Doutres pour leur soutien amical ou technique, pour leur aide continue et les gouttes de sueur qu’ils ont
pu y laisser.
Je remercie Michel Bruneau, Claude Depollier, Jean-Michel Geneveau, Najat Tahani, Herv´e Mezi`ere,
NicolasDauchez,Val´erieLemarquand,LaurentSimon,PierrickLotton,PhilippeB´equin,VitalyGusevet
Vincent Tournat pour leurs conseils, pour les quelques minutes, pour certains, ou heures, pour d’autres,
qu’ils ont su m’accorder pour des conseils ou des s´eances de travail parfois improvis´ees.
Je remercie mes coll`egues de bureau Marcos Pinho, Wemping Bi, Matthieu Guedra, Mathias Remy
parfoisetOlivierDoutresanciennement,pourl’ambianceagr´eable,studieusemaisd´etenduedanslaquelle
ils m’ont laiss´e, ainsi que ceux des bureaux voisins Tony Valier-Brasier, Simon Felix, Bertrand Lihoreau,
Jacques Cuenca, Cyril Desjouy, Adrien Pelat, Mathias Remy parfois, et l’ensemble des doctorants pour
les discussions fructueuses que nous avons pu avoir. Merci´egalement `a Anne-Marie Brul´e, France Traor´e
et Cora-Line Liegard pour leur aide administrative pr´ecieuse.
De mani`ere g´en´erale, je remercie l’ensemble des membres du LAUM, et les membres de l’Universit´e
du Maine que j’ai pu cottoyer, tant ils ont contribu´e `a une ambiance de travail aussi bonne que musicale,
sportiveetfestive.JenediraisjamaisassezmerciaupersonnelduLAUMimpliqu´edanslaformationdes
Remerciements
plus jeunes dont j’ai fait partie, un personnel qui m’a construit et qui continue `a construire ses´etudiants
avec toujours autant d’envie que de talent et une facult´e certaine `a transmettre sa passion si diversifi´ee.
Enfin, je remercie tous ceux qui se sont int´eress´es de pr`es ou de loin `a ce travail de th`ese, tous ceux
qui ont contribu´e, ´eventuellement malgr´e eux, `a sa r´eussite, parmi lesquels les doctorants du LAUM et
non moins amis, mes amis de Vend´ee et ceux que j’ai pu rencontrer au cours dema vie deManceau, sans
oublier bien suˆr ma famille et Claire qui m’auront soutenu (support´e?) jusqu’au bout. J’´evite au lecteur
non int´eress´e une longue liste de noms et pr´enoms... je sais que le lecteur concern´e, franc¸ais, tch`eque,
br´esilien, espagnol, portugais, allemand ou chinois, saura se reconnaitre.
vi
Table des mati`eres
Table des mati`eres vii
Introduction 1
I Identification des non-lin´earit´es d’un moteur de haut-parleur 5
Avant-propos 7
1 Equations fondamentales du moteur d’un haut-parleur 9
1.1 Fondamentaux du moteur d’un haut-parleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1 Terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 La conversion ´electro-dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Approximation de la g´eom´etrie de la bobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Vers le mod`ele de Thiele et Small . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 D´ependance des param`etres bloqu´es avec le courant : la courbe d’aimantation des
mat´eriaux ferromagn´etiques 21
2.1 La courbe B-H d’un mat´eriau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 La courbe B-H prise en compte dans les haut-parleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Effets de la non-lin´earit´e de la courbe B-H sur les param`etres du haut-parleur . . . . . . . 26
2.4 Non-lin´earit´e des mat´eriaux ferromagn´etiques doux dans un haut-parleur : bilan . . . . . 29
3 D´ependance des param`etres bloqu´es avec la fr´equence : les courants de Foucault -
D´eveloppement d’un nouveau mod`ele 31
3.1 Les courants de Foucault dans les haut-parleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Historique des diff´erents mod`eles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 Les limites des mod`eles existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 D´eveloppement du mod`ele 2LI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1 Prise en compte de l’air dans la mod´elisation des courants de Foucault . . . . . . . 37
3.2.2 R´epartition du champ magn´etique cr´e´e par la bobine dans le noyau : premi`ere
interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.3 Interaction fer-air : deuxi`eme interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
vii
3.3 V´erification du mod`ele 2LI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Avenir du mod`ele 2LI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 D´ependance des param`etres avec le d´eplacement de la bobine 51
4.1 Le facteur de force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 L’imp´edance bloqu´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.1 Variations de la r´esistance et de l’inductance apparentes . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.2 Bilan ´energ´etique : la force de r´eluctance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.3 Effets de la variation de l’imp´edance bloqu´ee avec le d´eplacement . . . . . . . . . . 55
4.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
II Sur la r´ealisation de haut-parleurs `a moteurs tout aimant 61
Avant-propos 63
5 Le moteur : vers une structure magn´etique tout aimant 65
5.1 Pourquoi une structure tout aimant? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Calcul de structures tout aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.1 Vers un calcul adapt´e au cas du haut-parleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.2 Champ cr´e´e par un aimant hexa´edrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.3 Int´erˆet et limites du calcul pour une surface plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.4 Processus d’optimisation de structures `a aimants permanents . . . . . . . . . . . . 73
5.3 Etude de chaque structure tout aimant connue `a ce jour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.1 Analyse de la structure A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.2 Analyse de la structure B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.3 Analyse de la structure C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4 Structures retenues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.1 Structure HI : High Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4.2 Structure CCI : Compact with Constant Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.5 Dimensionnement de la bobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5.1 Bobine courte vs. Bobine longue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5.2 Masse id´eale de conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.6 Contraintes sous-jacentes `a la r´ealisation de structures tout aimant . . . . . . . . . . . . . 86
5.7 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Conception de haut-parleurs tout aimant 89
6.1 E´valuation du concept de moteur tout aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.1.1 Choix du circuit magn´etique de remplacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.1.2 Mesures en bobine bloqu´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1.3 Mesure en bobine libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2 Sur la r´ealisation compl`ete d’un haut-parleur tout aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.1 De l’´equipage mobile... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.2 ... au moteur tout aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.3 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Conclusion 111
Bibliographie 117
A Courbe B-H d’un mat´eriau et point de fonctionnement 127
A.1 La courbe B-H d’un mat´eriau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.2 Point de fonctionnement de l’aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
A.3 Point de fonctionnement d’un aimant et sa variation en pr´esence d’un courant . . . . . . . 132
B Harmoniques g´en´er´es une relation du type ´equation de Rayleigh 135
C Caract´eristiques du haut-parleur 21M20 137
D Champ magn´etique cr´e´e par la face d’un aimant fictivement charg´ee 139
E Propagation des champs ´electromagn´etiques : les ´equations de Maxwell 141
F Expression de la fem aux bornes de la bobine due `a la variation du flux fer 143