Développement multipolaire en harmoniques sphériques et sphéroïdales appliqué à la modélisation de sources de rayonnement en compatibilité électromagnétique
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Abstract EN:
In the field of electrical energy conversion, many innovations have led to increasing power densities and frequencies in embedded systems, leading to electromagnetic compatibility (EMC) problems.The traditional solutions for modeling these parasitic couplings are limited. The designer is often obliged to take into account the EMC by modifying the prototype, which extends the prototyping period and consequently increases the costs of placing it on the market.This work implements a method to estimate the inductive couplings between subsystems in the design phase of a new device. This is achieved by taking into account the magnetic characteristics and the respective position of each subsystem. To model this coupling, the magnetic field generated by each device is represented in the form of a harmonic expansion with known coefficients: the mutual inductance between each pair of devices can then be deduced as a function of their positions. Finally, introducing these values in an electronic circuit simulation software enables us to predict the intra-system and inter-system couplings.To implement this method, an approach both theoretical and experimental was used. We present a methodology to obtain the harmonic coefficients of the field around a device using numerical simulations and measurements. To deal with the latter, a measurement bench, allowing automatic and reproducible measurement series, was designed at the Laboratoire Ampère. To make this bench fully operational, we studied the impact of sensor positions, radius and noises on the expansion obtained. We also proposed an energetic criterion to assess the optimal choice of expansion type (spherical or spheroidal) and harmonic expansion center. Finally, using a priori information enables us to find a suitable expansion degree which limits the number of measurements to the lowest; as a result, the identification time of the harmonic coefficients of the tested device is optimized.
Abstract FR:
De nombreuses innovations dans le domaine de la conversion d’énergie électrique ont conduit à une élévation des densités de puissance et des fréquences électriques dans les systèmes embarqués, entraînant des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM).Les solutions traditionnelles permettant de modéliser ces couplages parasites trouvent leurs limites. L’industriel en est le plus souvent réduit à prendre en compte la CEM en apportant des modifications curatives des premiers prototypes, ce qui engendre une augmentation du temps de prototypage et par conséquent des coûts de mise sur le marché.Ce travail est une contribution à la prise en compte de la CEM dès la phase de conception d’un nouveau dispositif, via l’estimation des couplages inductifs entre sous-systèmes, prenant en compte leurs caractéristiques magnétiques et leurs positions respectives. Une méthode pour modéliser ce couplage est de représenter le champ magnétique généré par chaque dispositif sous la forme d’un développement harmonique dont on connaît les coefficients : les inductances mutuelles peuvent en être déduites en fonction des positions des différents dispositifs. Il est alors possible de prédire les couplages intra système et inter systèmes, notamment en introduisant ces valeurs dans un logiciel de type circuit. Ce travail s’intéresse à la mise en œuvre de cette méthode, par une approche théorique et expérimentale. Nous présentons une méthodologie permettant d’obtenir les coefficients harmoniques du champ autour d’un dispositif, tant par des simulations numériques que par des mesures. Pour ce dernier cas nous avons contribué à la réalisation au Laboratoire Ampère d’un banc de mesure, qui permet des campagnes de mesure automatiques et reproductibles. Afin de rendre ce banc pleinement opérationnel, nous avons étudié l’impact des positions de mesure, du rayon du capteur et des erreurs de mesure (nombre de mesure insuffisante, bruit de mesure) sur le développement obtenu. Nous avons proposé un critère énergétique qui permet le choix optimal du centre des développements harmoniques utilisé, et du type de développement (sphérique ou sphéroïdal). Enfin l’utilisation d’information a priori permet de choisir l’ordre de troncature adéquat pour les développements, et de limiter ainsi le nombre de mesures au strict nécessaire ; de ce fait le temps d’identification des coefficients harmoniques du dispositif sous test est optimisé.