Soutenance mémoire
Généralités sur le blindage électromagnétique
Contexte
Depuis les années 2000, le prix du pétrole a doublé. Parallèlement la pollution atmosphérique a augmenté, ce qui engendre une croissance des émissions de CO2 et une influence négative sur la composition de l’atmosphère. Ceci représente sans doute une contribution aux changements climatiques. Actuellement, environ 25% des émissions totales de CO2 industriel sont produites par les véhicules. Les réservoirs mondiaux de pétrole sont très exploités (avec un pic de l’exploitation en 2010). Une prédiction récente suppose que les réserves seront épuisées dans les prochaines quarante ans [Szu-11]. Il y a donc des raisons et la nécessité de l’électrification du transport routier. Le succès croissant du marché des véhicules hybrides est réalisé avec une partie importante du système de transport électrique vert. En 2020, il est attendu qu’environ 15 % du nombre total des véhicules seront hybrides et électriques (VHEs) sur les routes du monde. Cela signifie que la technologie hybride et l’amélioration permanente de la technologie est nécessaire et doit commencer dès maintenant [Szu-11] [Mes-07] [Cha-02].
L’évolution du domaine automobile dans lequel on cherche de meilleures performances (robustesse, confort,…), est accompagnée par diverses exigences. On trouve celles qui sont liées à la compatibilité électromagnétique (CEM), à la sécurité, à l’environnement, à la santé… [Hal-10] [Kar-10] [Mes-07] [Cha02]. Dans le cas des VHEs des contraintes supplémentaires se sont ajoutées comme l’autonomie de la batterie [Fai-10]. Les niveaux de puissance électrique requis pour un bon fonctionnement et le développement des différentes parties constituant les VEHs font partie des causes qui engendrent des contraintes de CEM et d’exposition aux champs électromagnétique (EM). Par ailleurs, quelle que soit la problématique, on cherche la protection contre les champs électromagnétiques incidents. Généralement, la protection au champ électromagnétique est assurée par des solutions standards : modifications de l’architecture, blindage électromagnétique qui est une solution peu efficace audessous de la dizaine ou centaine de kHz ou par d’autres solutions innovantes. Nous commençons dans ce premier chapitre par expliquer, via une étude bibliographique, les différents mécanismes de blindage magnétique et électrique basse fréquence. Puis, nous présenterons les différentes méthodes analytiques et numériques utilisées pour le calcul de l’efficacité de blindage électromagnétique. À la fin de ce chapitre, Nous mettons en évidence l’utilisation du blindage électromagnétique dans le domaine des VHEs et son intérêt.
Définitions de la CEM
La définition de la CEM telle que définie dans le décret n° 92-587 relatif aux appareils électriques et électroniques est: «L’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique, de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques de nature à créer des troubles graves dans le fonctionnement des appareils ou des systèmes situés dans son environnement».
Blindage électromagnétique
Un blindage électromagnétique est une enveloppe conductrice séparant l’espace en deux régions. Une région qui contient des sources de champs électromagnétiques, alors que la seconde comporte le dispositif à protéger. Le blindage est utilisé pour réduire les perturbations et rendre un dispositif conforme aux normes d’émission et d’immunité rayonnées [Ott-09] [Pau-06] [Rac-05]. L’objectif de cette partie est d’analyser les différents mécanismes de blindage électromagnétique. Cela nous permettra au moins d’une manière simplifiée la compréhension physique du fonctionnement. Cette première étude nous amène à proposer des solutions pour avoir une meilleure performance du blindage et de tester ces solutions dans le cas d’applications VHEs. Généralement, si un dispositif blindé subit une excitation électromagnétique externe, la pénétration du champ électromagnétique peut se faire par différents mécanismes: la diffusion à travers les parois, à travers les ouvertures, ou par le biais d’un conducteur tel qu’un câble de connexion [Elf-10] [Rac-05].
Nous allons voir les différentes expressions de l’efficacité de blindage pour une plaque conductrice supposée infinie, sans aucune ouverture, il s’agit donc de tenir compte du phénomène de diffusion des champs. En second lieu, l’effet de l’ouverture sera présenté.
Mécanismes du blindage électromagnétique
L’efficacité de blindage est le ratio entre le champ incident (Ei , Hi) et le champ transmis (Et , Ht), ou alternativement, le champ avec le blindage et le champ sans blindage en un point donné. Une atténuation de 100 dB traduit une réduction d’un facteur 10⁵ du champ incident. Dans ce cas, le blindage doit être complètement fermé, ce qui est impossible dans la réalité puisque [Pau-06]:
• Si la longueur d’un câble blindé est de λ/4, le câble peut devenir une source de rayonnement.
• Les ouvertures dans le blindage dégradent les performances du blindage. Elles sont considérées comme des antennes de rayonnement dont les dimensions sont identiques à celles de l’ouverture.
Techniques de blindage en champ magnétique basse fréquence
Nous avons vu que pour une source champ lointain, l’efficacité du blindage due aux pertes par réflexions est prédominante en basse fréquence. Tandis que l’efficacité du blindage due aux pertes par absorption est prédominante en fréquences élevées. Pour une source de champ électrique proche, la situation ne change pas. En revanche, pour une source champ proche magnétique la situation est différente : l’efficacité du blindage due aux pertes par absorption tend à dominer dans toute la bande de fréquence. En basse fréquence et en champ proche magnétique, les pertes par réflexions et par absorptions sont faibles. Cela nécessite d’avoir d’autres techniques de blindage contre ce type de source. Deux méthodes pour le blindage ont été proposées dans la littérature:
– Les matériaux magnétiques: l’utilisation des matériaux magnétiques permet de canaliser les lignes des champs magnétiques par contre cette méthode à deux inconvénients : la perméabilité décroit avec l’augmentation de la fréquence et avec l’intensité du champ magnétique. Jusqu’à quelques kHz, les matériaux à haute perméabilité (Mumetal) sont plus efficaces par rapport à d’autres matériaux comme l’acier. En revanche ce dernier devient plus efficace en haute fréquence (au-dessus de 20 kHz). D’un point de vue industriel, les boîtiers d’alimentation en électronique de puissance sont généralement réalisés en acier (20 kHz – 100 kHz). En basse fréquence (60 Hz), le blindage est assuré par les matériaux magnétiques à condition qu’ils ne soient pas saturés.
– La technique du flux opposé (Shurted Turn Method): cette technique permet de réduire le champ magnétique. Une bande de cuivre entoure le dispositif et réduit la fuite du champ magnétique. La surface limitée par la bande est perpendiculaire au flux. Cela engendre le maximum de force électromotrice. Il existe aussi des cas où deux bandes orthogonales sont mises en place.
Effet des ouvertures et des fentes
L’idée d’utiliser une enceinte métallique pour protéger les dispositifs contre les interférences électromagnétiques est très répandue. Des ouvertures sont aménagées dans le blindage pour: la ventilation, la mise en place des appareils de mesure, le branchement des connecteurs d’entrées et de sorties,… . Ces ouvertures diminuent considérablement les performances du blindage à réduire les champs électromagnétiques (EM) incidents. on représente un convertisseur et un moteur d’un véhicule 2004 Toyota Prius [Sta-06]. Nous remarquons bien la présence des ouvertures et des fentes dans cette structure.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE. I GENERALITES SUR LE BLINDAGE ELECTROMAGNETIQUE
I.1 Contexte
I.2 Définitions de la CEM
I.3 Blindage électromagnétique
I.3.1 Mécanismes du blindage électromagnétique
I.3.2 Impédance des ondes électromagnétiques
I.3.2.1 Impédance d’onde pour un dipôle électrique
I.3.2.2 Impédance d’onde pour un dipôle magnétique
I.3.3 Efficacité de blindage en champ lointain
I.3.4 Blindage magnétique en champ proche
I.3.5 Blindage électrique en champ proche
I.3.6 Techniques de blindage en champ magnétique basse fréquence
I.4 Effet des ouvertures et des fentes
I.4.1 Expressions analytiques du blindage avec ouverture en champ lointain
I.4.2 Expressions analytiques du blindage avec ouverture en champ proche
I.5 Méthodes de calcul de SE dans le cas d’un boîtier de dimensions finies
I.5.1 Méthodes numériques
I.5.2 Méthodes analytiques
I.6 Blindage dans le domaine automobile
I.6.1 Introduction
I.6.2 Protection contre les champs magnétiques proches
I.6.2.1 Effets des champs magnétiques sur la santé
I.6.2.2 Normes d’exposition aux champs électromagnétiques
I.6.3 Problématique et aide à la conception
I.6.3.1 Blindage électromagnétique basse fréquence
I.6.3.2 Aide à la conception
I.7 Synthèse des travaux sur la mesure des champs magnétiques dans les VHEs
I.8 Positionnement de nos travaux
I.9 Conclusion
CHAPITRE. II MODELISATION NUMERIQUE EN BASSE FREQUENCE
II.1 Introduction
II.2 Contraintes liées à la modélisation basse fréquence
II.3 Outils de modélisation
II.3.1 CST Studio
II.3.2 Comsol multi-physique
II.3.3 Maxwell 3D
II.3.4 Flux
II.4 Etude comparative entre les logiciels
II.4.1 Structure modélisée
II.4.2 Analyse des résultats
II.5 Conclusion sur les différents outils de modélisation
II.6 Etude de l’efficacité du blindage d’une enceinte métallique avec et sans ouverture
II.6.1 Introduction
II.6.2 Calcul de l’efficacité du blindage
II.6.3 Modélisation
II.6.3.1 Modélisation de la bobine émettrice
II.6.3.2 Modélisation des sondes réceptrices
II.6.3.3 Modélisation du problème
II.6.4 Bancs de mesure
II.6.5 Calibrage de la boucle rayonnante
II.7 Recommandation pour la conception du blindage avec un outil numérique
II.8 Conclusions
CHAPITRE. III EFFICACITE DU BLINDAGE MAGNETIQUE DES FENTES
III.1 Introduction
III.2 Méthode basée sur les moments dipolaires équivalents
III.2.1 Hypothèses de travail
III.2.2 Calcul des moments dipolaires équivalents
III.2.3 Calcul de la polarisabilité électrique et magnétique
III.2.4 Calcul des champs rayonnés par les moments dipolaires équivalents
III.2.5 Calcul de l’efficacité du blindage magnétique
III.2.6 Approche développée
III.3 Application dans le cas d’un plan infini avec fente
III.3.1 Structure modélisée
III.3.2 Modélisation sous CST
III.3.3 Banc de mesure développé
III.3.4 Résultats et analyse
III.3.4.1 Effet de la discrétisation de la fente
III.3.4.2 Influence de l’épaisseur de la fente
III.3.4.3 Influence de la distance source-blindage et configuration de la source
III.3.5 Etudes paramétriques
III.3.5.1 Influence de la longueur et la largeur de la fente
III.3.6 Conclusions
III.4 Application dans le cas d’une enceinte métallique avec fente courte
III.4.1 Résonances des cavités
III.4.2 Méthodologie développée
III.4.3 Efficacité de blindage par la théorie des lignes de transmissions
III.4.4 Exemple illustratif de la méthodologie développée
III.4.5 Validation expérimentale
III.4.6 Limite de la méthodologie développée
III.5 Application dans le cas d’une enceinte avec fente quelconque
III.5.1 Méthodes hybrides
III.5.2 Source de rayonnement à l’extérieur de l’enceinte
III.5.2.1 Méthodologie développée
III.5.2.2 Validation numérique sous Comsol
III.5.2.3 Influence de la bobine émettrice
III.5.3 Source de rayonnement à l’intérieure de l’enceinte
III.5.3.1 Méthodologie développée
III.5.3.2 Validation numérique sous Comsol
III.5.3.3 Rayonnement d’une fente
III.5.3.4 Etude de la sensibilité
III.6 Conclusions
CHAPITRE. IV APPLICATION
IV.1 Introduction
IV.2 Modélisation
IV.2.1 Modèle 3D simple sous forme parallélépipède
IV.2.2 Modèle 3D avec la forme réelle du boîtier
IV.2.2.1 Modélisation numérique
IV.2.2.2 Modélisation analytique
IV.2.3 Calcul de l’efficacité du blindage magnétique
IV.3 Validation expérimentale
IV.3.1 Banc champ proche
IV.3.2 Chaine de mesure
IV.4 Analyse des résultats
IV.5 Paramètres influençant l’efficacité du blindage magnétique
IV.5.1 Bancs de mesures développés
IV.5.2 Influence des ouvertures
IV.5.3 Influence des joints
IV.5.4 Influence des connexions (vis)
IV.6 Outil développé pour le pré dimensionnement de l’efficacité du blindage magnétique
IV.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
