Modélisation d`un capteur de champ magnétique
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Stage M2R Modélisation d’un capteur de champ magnétique basé sur le couplage de matériaux actifs • Contexte et position du problème : Les matériaux actifs ("smart materials"), tels que les matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs, sont couramment utilisés dans la conception de dispositifs exploitant leurs propriétés respectives. La propriété principale de ces matériaux réside dans le fort couplage entre les comportements magnétique et mécanique (magnétostriction), et entre les comportements électrique et mécanique (piézoélectricité). L’utilisation combinée de ces matériaux permet la réalisation de dispositifs innovants basés sur l’effet magnétoélectrique : l’apparition d’une polarisation électrique induite par un champ magnétique et réciproquement l’apparition d’une magnétisation sous l’action d’un champ électrique. Les applications « support » concernent notamment les dispositifs de stockage/lecture des données (mémoires) et le domaine très varié des transducteurs (capteur de champ magnétique, voir figure ci-dessous). L’étude de ce couplage passe par la caractérisation de ces matériaux, puis par la mise en place de modèles décrivant finement leurs comportements et enfin par le développement d’outils pour la conception. Capteur de champ magnétique : dispositif expérimental [1] et modèle • Objectifs du stage M2R : Le stage concerne la modélisation numérique 3D d’un capteur de champ magnétique basé sur le couplage magnétoélectrique. Plusieurs modèles éléments-finis 2D ont été mis en place au LGEP afin d’obtenir le comportement de composites multicouches. L’objectif principal de ce stage est d’étudier à l’aide de modèles 3D la validité des études menées précédemment. Les résultats de simulation pourront être comparés à des résultats expérimentaux obtenus sur des capteurs développés au laboratoire LMNT de l’Université de Technologie de Hanoi (Vietnam). Les travaux s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre les deux laboratoires. • Mots-Clés : Dispositifs innovants, modélisation numérique, magnétostriction, piézoélectricité. • Personnes à contacter : Xavier Mininger [email protected] Laurent Daniel [email protected] Frédéric Bouillault [email protected] L’étudiant sera accueilli au LGEP au sein du thème « Comportement multiphysique des matériaux » de l’équipe ICHAMS (http://www.lgep.supelec.fr/ichams/) • Remarque : ce stage peut déboucher par la suite sur une thèse. [1] D.T. Huong Giang and N.H.Duc, Magnetoelectric sensor for microtesla magnetic-fields based on (Fe80Co20)78Si12B10/PZT laminates, Sensors and Actuators A 149, 229-232, 2009. LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS Ecole Supérieure d’Electricité - Universités Paris 6 et Paris 11- CNRS Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex. Tel 01.69.85.16.33 DEPARTEMENT “ MODELISATION ET CONCEPTION DE SYSTEMES ELECTROMAGNETIQUES ” Proposition de Stage de Master M2R – Année 2013-2014 "Sciences en énergie et systèmes de puissance" Modélisation, Réalisation et Caractérisation d’actionneurs piézoélectriques de Langevin. Descriptif De plus en plus, l’utilisation de la piézoélectricité fait son apparition dans différents domaines industriels (amortissement de vibration, actionnement, capteurs). Dans ces applications, le matériau piézoélectrique est parfois soumis à des sollicitations mécaniques importantes. Les lois de comportement peuvent alors être modifiées. Les actionneurs de Langevin, constitués d’un matériau piézoélectrique entouré de deux masses métalliques, sont les composants élémentaires de nombreux dispositifs fonctionnant à des fréquences ultrasoniques. L’intérêt d’utiliser ces fréquences repose sur le facteur de qualité Q qui permet d’obtenir des déformations Q fois plus grandes à la résonance mécanique des structures qu’à basse fréquence. Le travail proposé dans ce stage consiste à modéliser ce type d’actionneurs, à en réaliser répondant à un cahier des charges et à tester leur fonctionnement. On s’intéressera notamment à l’influence de la force de serrage. Moyens mis à la disposition du candidat Le stagiaire utilisera la plate-forme de caractérisation des matériaux actifs du LGEP. Il disposera de différents échantillons piézoélectriques et des pièces nécessaires à la réalisation. Déroulement du travail Etude bibliographique Modélisation. Campagne d’essais. Confrontation modèles/expérience. Remarques L’indemnité légale est prévue. Si l’étudiant obtient un financement, ce stage peut déboucher sur une thèse. Lieu du stage : Laboratoire de Génie Electrique de Paris (département MOCOSEM) Personne(s) à contacter Nom: Tel : E-mail : Y. BERNARD 01 69 85 16 61 [email protected] Modélisation multiphysique d’un transformateur sec HTA/BT (électromagnétique-thermique-mécanique des fluides) Problématique : Le principal facteur limitant la charge d'un transformateur est déterminée par la température de la partie la plus chaude de ses enroulements (température du point chaud). La CEI 60076-12:2008 définit la méthode d’estimation de la consommation de la durée de vie d’un transfo sec selon la température du point chaud. Par conséquent, il est nécessaire de connaître cette température et la façon donc elle varie en exploitation afin de pouvoir évaluer d'une part l’état de vieillissement du transformateur et d'autre part sa consommation de la durée de vie. Approche : Seule une approche multi-physique peut donner accès à la température du point chaud d’un transformateur sec. Une telle simulation devrait prendre en compte la distribution du champ électromagnétique et thermique dans le transformateur, la variation des propriétés électriques des matériaux en fonction de la température et de la circulation de l’air de refroidissement. Le travail du stage consistera à créer un modèle numérique réaliste d’un transformateur sec HTA/BT et de son enceinte avec les hypothèses de fonctionnement correspondant aux conditions d’installations dans les centrales nucléaires d’EDF. Ce modèle devrait prendre en compte les propriétés électromagnétique, thermique ainsi que la dynamique de circulation de l’air de refroidissement. Le principe de cette simulation est présenté comme suivant : Personnes à contacter : Xavier Mininger [email protected] , Frédéric Bouillault [email protected] L’étudiant sera accueilli au LGEP au sein du thème « Matériaux fonctionnels » de l’équipe ICHAMS (http://www.lgep.supelec.fr/ichams/) Remarque : ce stage peut déboucher sur une thèse CIFRE. Sujet de stage M2R : Etude et modélisation du couplage magnéto-mécanique : application à la prédiction du bruit et à l’optimisation acoustique des transformateurs Contexte et position du problème : La part de l’énergie électrique est en constante augmentation à bord des aéronefs compte tenu du nombre croissant des équipements électriques. Ils ont pour fonction de générer, transformer ou encore simplement consommer de l’énergie électrique. Cette montée en puissance de l’électricité ne doit pas se faire au détriment de la consommation en carburant, l’énergie électrique étant prélevée au niveau des propulseurs. Un des leviers utilisés afin de réduire la consommation électrique consiste à élaborer de nouveaux matériaux magnétiques à rendement accru. L’étude proposée s’inscrit dans le cadre de cette évolution. L’objectif à moyen terme est un accroissement significatif du rendement et de la qualité de fonctionnement des équipements électriques à bord des avions du futur. La réduction du bruit émis par les transformateurs de puissance est un objectif connexe : ce bruit est le résultat de l’effet cumulé de la magnétostriction et des forces électromagnétiques agissant sur tôles magnétiques constitutives du transformateur. Objectifs : Ce stage M2R vise à réaliser l’étude numérique des vibrations des transformateurs de puissance. On s’intéressera en particulier aux effets de la magnétostriction et des forces magnétiques. L’étude concerne de nouvelles nuances de tôles permettant de réduire la magnétostriction (alliage texturé au fer-cobalt en remplacement du Fe-3%Si). Les lois de comportement ont déjà été identifiées dans une précédente étude à partir de mesures de magnétostriction réalisées dans différentes directions de la tôle de fer-cobalt texturée. L’intégration des lois de comportement ainsi obtenues dans un code numérique éléments-finis doit maintenant servir de base pour l’étude et l’optimisation de la géométrie du circuit magnétique permettant de minimiser les efforts électromagnétiques. Des maquettes expérimentales et numériques pourront ensuite être réalisées afin de comparé le niveau d’émission vibratoire mesuré aux niveaux prédits grâce au modèle. Contacts : Ce stage est proposée en collaboration entre le Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) et le LMT-Cachan. Le stagiaire sera donc accueilli dans ces deux laboratoires. http://www.lgep.supelec.fr/ichams http://www.lmt.ens-cachan.fr Frédéric Bouillault : Olivier Hubert : Xavier Mininger : [email protected] [email protected] [email protected] LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS SUPELEC - CNRS UMR 8507 Université Pierre et Marie Curie - Université Paris-Sud 11 rue Joliot Curie Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex Tél. 01 69 85 16 33 Fax 01 69 41 83 18 Conception optimisée de machines électriques pour application automobile • Contexte : Ce stage s’inscrit dans le cadre de travaux de recherche menés au sein du Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) en étroite collaboration avec le groupe PSA Peugeot Citroën. L’objectif est de proposer des conceptions optimisées de machines électriques pour les chaînes de tractions hybrides qui garantiront le minimum de consommation en carburant fossile d’un véhicule (HEV). Une pré-étude a été réalisée au sein du laboratoire afin d’identifier les spécifications techniques (sollicitations, encombrement,…) qui conditionnent le cadrage de la conception fortement contrainte par des objectifs de coût de fabrication. Elle oriente les travaux de recherche sur différentes architectures de machines qui seront à étudier et à optimiser. L’étude complète de ces machines implique de tenir compte de plusieurs phénomènes physiques qui peuvent être d’origines magnétique, mécanique ou thermique. Ces phénomènes sont étroitement liés et ils nécessitent parfois une modélisation fine en 3 dimensions par éléments finis. • Description du stage et principaux objectifs : Le but du stage est de proposer des ensembles moteurs+onduleurs aptes à répondre à un cahier des charges automobile. Sur la base de modèles de machines existants, le travail consistera à identifier les voies d’optimisation et à les valider par calcul pour produire des cartographies de rendement et de pertes. Ces cartographies seront réinjectées dans un modèle de véhicule hybride permettant d’estimer sa consommation sur cycle automobile. Les étapes du travail sont les suivantes : • Etude bibliographique sur la prise en compte des phénomènes magnétiques, mécaniques et thermiques pour la conception des machines électriques. • Modélisations multiphysiques analytique ou en éléments finis 2D voire 3D sur des exemples simples pour prendre en main les codes de calculs existants. • Modélisations multiphysiques des machines par étapes successives liées respectivement à chacun des phénomènes physiques mis en jeu et proposition de conceptions optimales. • Détermination des cartographies de pertes machine + onduleur et estimation des consommations véhicules. • Mots clefs : Application automobile - Chaîne de traction hybride - Conception optimisée - Machines électriques • Contacts : Guillaume Krebs [email protected] Claude Marchand [email protected] Francis Roy [email protected] Florence Ossart [email protected] L’étudiant sera accueilli au sein du Département MOCOSEM du Laboratoire de Génie Electrique (LGEP) (http://www.lgep.supelec.fr/mocosem/) 1/1 TITRE DU SUJET DE STAGE : Homogénéisation du comportement de blindage CEM de plaques composites ENCADRANTS : Romain Corcolle : [email protected] Laurent Daniel : [email protected] ÉQUIPE D’ACCUEIL : LGEP, équipe ICHAMS, CNRS UMR 8507 DESCRIPTIF DU STAGE : Les matériaux composites sont par définition des matériaux hétérogènes. Leur intérêt réside dans le fait de tirer profit des propriétés de chaque constituant pour obtenir des performances optimales. Les matériaux composites constitués de fibres de carbone noyées dans une matrice polymère sont très utilisés en aéronautique. L’intérêt pour de tels matériaux s'explique par leurs performances massiques très intéressantes en comparaison des matériaux homogènes correspondants, comme l'aluminium. Déjà largement utilisés pour leur performances mécaniques, on cherche désormais à exploiter les matériaux composites pour d'autres fonctions, et notamment celle de blindage électromagnétique pour protéger les équipements des rayonnements électromagnétiques extérieurs. Afin de dimensionner ces dispositifs de Compatibilité ElectroMagnétique (CEM), il est nécessaire d’avoir à disposition des outils de modélisation prédictifs du comportement CEM des matériaux composites. Comme il n'est en général pas raisonnable de modéliser les hétérogénéités du matériaux, on cherche, dans les outils de simulation numérique, à remplacer les matériaux composites par des Matériaux Homogènes Equivalents (MHE). Il s'agit de matériaux fictifs dont le comportement moyen est identique à celui du matériau composite étudié. On parle alors de propriétés effectives. La discipline consistant à définir les propriétés effectives des matériaux hétérogènes à partir de l'étude de leurs constituants s'appelle l'homogénéisation. Le LGEP a développé un modèle d’homogénéisation permettant de prédire les propriétés effectives de blindage CEM : conductivité, permittivité et perméabilité effectives des matériaux composites. Ce modèle a permis d’améliorer la compréhension des mécanismes de blindage dans les matériaux composites. Cependant, ce modèle est pour l'instant limité à des microstructures 2D, et à de faibles contrastes entre perméabilités des constituants. De plus, ses performances prédictives se dégradent lorsque la proportion de fibres de carbone devient élevée. L'objectif de ce stage est de mettre en œuvre différentes techniques pour lever ces verrous. Plusieurs cas seront traités afin d’améliorer le modèle existant. Les résultats d'homogénéisation seront comparés à ceux provenant d'un calcul Eléments Finis à mettre en œuvre sous COMSOL ou FreeFEM++. REMARQUES : Les stages au LGEP sont indemnisés à hauteur de 400€ par mois. Une prolongation en thèse, sur un sujet traitant du comportement effectif de matériaux composites pour le blindage sera envisagée (financement par Fond Unique Interministériel en relation avec Sagem Défense Sécurité dans le cadre d'un projet en cours de montage). LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS CNRS (UMR 8507) - Supelec – UPMC - Univ Paris Sud 11 11 rue Joliot Curie Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex DEPARTEMENT MODELISATION ET CONTROLE DE SYSTEMES ELECTROMAGNETIQUES Proposition de stage de Master 2 : Modélisation d’un microsystème bobiné dédié à la manipulation et à la détection de nanoparticules magnétiques circulant dans un canal microfluidique DESCRIPTIF DU TRAVAIL : Contexte : Les microtechnologies rendent possibles la fabrication de laboratoires sur puces permettant de réaliser des systèmes d’analyse biologique compacts et complets. Certains de ces systèmes visent à détecter un type de cellule biologique spécifique circulant dans un canal microfluidique en déterminant une concentration de nanoparticules magnétiques associées au type recherché. Dans ce contexte, on doit contrôler le mouvement des nanoparticules dans un milieu liquide et assurer leur détection. Ces deux fonctions peuvent être réalisées au moyen d’un système à base de microbobines. Bobine (mesure de champ) Couche de nanoparticules Bobine (génération de champ) Canal microfluidique Nanoparticules Actionnement de nanoparticules magnétiques Détection de nanoparticules magnétiques Sujet du stage : Le stage proposé se situe dans le cadre d’un projet LABEX entre le LGEP et l’IEF visant à concevoir et réaliser un système de diagnostic biologique reposant sur l’utilisation de nanoparticules magnétiques fonctionnalisées. L’objectif du stage est ainsi l’étude d’un dispositif d’actionnement et de détection magnétique à base de microbobines (bobines réalisées par microgravure de dimension de l’ordre du mm) au moyen de la modélisation électromagnétique (méthode des éléments finis en utilisant le logiciel COMSOL). Le dispositif devra être étudié selon différents critères (résolution spatiale, force d’actionnement, seuil de détection …). Différents agencements de bobines seront notamment évalués (ex : élément inducteur et/ou de mesure à fonctionnement absolu ou différentiel). Le travail devra déboucher sur une étude de l’influence des différents paramètres du dispositif et sur l’optimisation de celui-ci. MOTS-CLEFS : Capteur, actionneur, électromagnétisme, simulation, logiciel COMSOL. CONTACT : Yann Le Bihan 01 69 85 16 61 [email protected] LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS CNRS (UMR 8507) - Supelec – UPMC - Univ Paris Sud 11 11 rue Joliot Curie Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex Proposition de stage de Master 2 : Etude d’un procédé de caractérisation électromagnétique sans contact de semiconducteurs pour applications photovoltaïques DESCRIPTIF DU TRAVAIL : Contexte : Le LGEP développe une thématique de recherche portant sur l'étude des propriétés de semiconducteurs en couches minces et des filières photovoltaïques afférentes. Le rendement est un point critique du développement des cellules photovoltaïques et compte tenu de la difficulté les mettre au point il importe de pouvoir choisir avec soin les matériaux absorbeurs. Une fois un matériau sélectionné et préparé, l’idéal serait de pouvoir mesurer directement, sans besoin de mise en forme ni de prise de contacts, les propriétés optoélectroniques permettant de prédire le rendement qu’il serait possible d’obtenir dans un dispositif complet optimisé. Sujet du stage : L’objectif du stage est l’évaluation des potentialités d’une méthode innovante de mesure sans contact des propriétés photoélectriques d’un semiconducteur basée sur l’induction électromagnétique. Son principe repose sur la création de courants de Foucault au sein du semiconducteur par une source de champ magnétique variable suivie de la détection du champ induit. Le travail impliquera : - La définition et la mise en œuvre d’un banc d’instrumentation permettant de réaliser la mesure par induction électromagnétique sous éclairement et sur une large bande de fréquence. Son élément de base sera constitué d’un capteur inductif à optimiser. Différentes contraintes seront prises en compte : éclairement, gamme d’épaisseur, de taille et de conductivité des échantillons… ; - La caractérisation de couches semiconductrices par mise en œuvre de l’instrumentation précédente et en établissant une procédure inverse d’analyse des observations. Cette inversion impliquera la mise en œuvre d’un modèle analytique de l’interaction entre champ électromagnétique et milieu semiconducteur. MOTS-CLEFS : Courants de Foucault, caractérisation large bande, capteur inductif, instrumentation, analyse des données. CONTACTS : Yann LE BIHAN, [email protected] Florent LOETE, [email protected] Denis MENCARAGLIA, [email protected] LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS Ecole Supérieure d’Electricité - Universités Paris VI et Paris 11- CNRS Plateau de Moulon 91192 Gif-sur Yvette Cédex Tél 01.69.85.16.33 PROPOSITION DE STAGE de MASTER M2 Diagnostic filaire : Impact de défauts non-francs sur les signaux de réflectométrie Au cours de la dernière décennie, l’utilisation de systèmes électroniques embarqués dans l’automobile et l’aéronautique ont connus une croissance exponentielle et ont permis des gains de performance et de sécurité sans précédent. Ces systèmes embarqués sont désormais équipés de fonctions intégrées permettant un diagnostic rapide et ciblé. Le réseau d’interconnexion filaire est maintenant regardé comme un système critique, mais son diagnostic n’est pas considéré. Les longueurs cumulées de câbles augmentent (4 kilomètres dans une voiture moderne et jusqu'à 400 kilomètres dans un avion de transport civil) et les faisceaux de câbles sont maintenant reconnus comme étant à l’origine de nombreuses pannes de plus en plus complexes et coûteuses à réparer. Le diagnostic du réseau est donc essentiel pour détecter et localiser les défauts. La technique la plus souvent mise en œuvre pour la détection est basée sur la réflectométrie qui consiste, tel un radar, à analyser les échos d’une impulsion électromagnétique injectée dans un câble afin d’identifier les défauts qu’il présente. Les défauts sont généralement classifiés en deux catégories : les défauts francs (court-circuits ou circuits ouverts) qui conduisent à une altération significative du signal de réflectométrie le long de la ligne et les défauts non francs, qui apparaissent mineurs (rupture de brins pour un câble multibrin, usure localisée de l’isolant, percement du blindage) où l’énergie réfléchie est très faible. La conséquence de ces défauts est souvent sous estimée alors qu’ils sont souvent les signes avant-coureurs très ténus de problèmes plus fâcheux d’où l’importance de leur détection précoce. L’objectif recherché dans ce travail est la compréhension de la forme des signaux de réflectométrie observés en présence de défaut non francs. Les cas étudiés seront inspirés de cas concrets fréquemment rencontrés en pratique (endommagement de l’isolant, écrasement d’un conducteur…). Pour ce faire, le stagiaire devra savoir évoluer entre un volet calcul numérique et un volet expérimental. La partie modélisation numérique consistera à exploiter/adapter des codes de calculs basés sur une méthode de Galerkin-Discontinu 3D, de façon à déterminer l’impédance caractéristique de défauts non francs sur une ligne de transmission simple (co-axiale ou bifilaire). La partie expérimentale devra permettre de reproduire physiquement ces défauts et de les caractériser. Enfin, on cherchera à comprendre l’influence des paramètres relatifs à un défaut sur la forme du signal de réflectométrie. Mot clé : Diagnostic de câbles, instrumentation, modélisation éléments finis discontinus, Matlab, Labview Remarque : Ce stage pourra déboucher sur une thèse de doctorat. Lieu du stage : Laboratoire de Génie Electrique de Paris Contact : Lionel PICHON Florent LOETE Abelin KAMENI Tel : 01 69 85 16 58 [email protected] Tel : 01 69 85 16 77 [email protected] Tel : 01 69 85 16 66 [email protected] LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE DE PARIS SUPELEC - CNRS UMR 8507 Université Pierre et Marie Curie - Université Paris-Sud 11 rue Joliot Curie Plateau de Moulon 91192 Gif-sur-Yvette Cedex Tél. 01 69 85 16 33 Fax 01 69 41 83 18 Stages portant l’étude et la caractérisation de machines électriques sur banc • Contexte: Le Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) mène actuellement des travaux de recherche sur les groupes motopropulseurs (GMP) pour véhicules hybride et électrique. Ces travaux ont notamment trait à la conception, à l'établissement des lois de pilotage et et à la commande des machines électriques. Divers prototypes de machines sont actuellement disponibles au laboratoire. Deux machines à réluctance variable (MRV), montées sur banc, instrumentées et pilotées par l’ensemble Matlab-DSpace existent. Le LGEP dispose également d’un GMP (machine synchrone, électronique de puissance et réducteur) de véhicule électrique. • Description du stage et principaux objectifs : Deux stages a priori orientés « parcours professionnel » sont proposés. Le premier concerne les machines à réluctance variable. Le travail consiste d’abord à prendre en main les bancs via une compréhension du principe de fonctionnement et la commande des MRV. Il s’agira ensuite d’étudier les lois de commande implantées sous Matlab-DSpace. Dans une seconde partie, des lois de commande originales visant à satisfaire des critères énergétique ou d'agrément seront implantées. Elles seront caractérisées par la réalisation de cartographies (rendement, ondulations de couple, vibrations…) et comparées aux commandes déjà implantées. L’objectif du second stage est la mise en place d’un banc d’essai incluant le GMP pour véhicule électrique. Directement issu d’un véhicule, ce GMP inclue l’électronique de puissance, le module de commande, la machine électrique et un réducteur. La première partie de ce stage consiste à caractériser les différents éléments du GMP, un synoptique complet pourra alors en être déduit.Pour se faire, des discussions avec le constructeur seront mises à profit. Durant la seconde partie du stage, un banc d’essai autour du GMP sera conçu et dimensionné en vue d'une réalisation au laboratoire. Durant le stage il est prévu que des essais de caractérisation soient réalisés. • Mots clefs : Application automobile - Chaîne de traction - Machines électriques • Contacts: Guillaume Krebs [email protected] Claude Marchand [email protected] Xavier Rain [email protected] L’étudiant sera accueilli au sein du Département MOCOSEM du Laboratoire de Génie Electrique (LGEP) (http://www.lgep.supelec.fr/mocosem/) 1/1 Caractérisation et Modélisation d’un banc de test de composants de puissance Le laboratoire SATIE a développé un banc de caractérisation dédié à l’étude CEM des composants de puissance grand GAP (Figure 1). L’objectif de cette maquette est de renseigner les éléments de modèles génériques fréquentiels et temporels de composant de puissance développés pour améliorer la pertinence des simulations en reproduisant finement les commutations quel que soit le point de fonctionnement. Ce banc de caractérisation a été développé avec le souci de figer l’environnement électrique et électromagnétique des interrupteurs sous test. Figure 1 : maquette de caractérisation 1) Modélisation Exhaustive (boîte blanche) Le premier objectif de ce stage est d’établir un modèle équivalent de la structure pour déterminer avec précision l’impact propre aux interrupteurs en commutation sur les émissions conduites. Ce modèle devra être compatible avec les simulateurs temporels (Simplorer, Pspice, LTSpice…). Il devra permettre une exploitation directe des modèles de composants développés sous Simplorer sur une plage de fréquence importante (DC → 100MHz). L’approche proposée se veut « exhaustive » en caractérisant directement par la mesure ou la simulation numérique les principaux chemins de propagation. Les divers composants passifs du circuit de puissance seront également caractérisés par impédancemétrie et modélisé soit par circuit équivalent soit par fonctions de transfert. 2) Modélisation EBEM – CE (boîte noire) Le second objectif de ce stage et de proposer un modèle de type boîte noire permettant de reproduire le niveau des émissions conduites vu à l’entrée de la maquette. Ce modèle purement comportemental, appelé EBEM-CE (Electronic Board Emission Model – Conducted Emission), permet de retranscrire les émissions conduites de mode commun et de mode différentiel d’un convertisseur de puissance à ses bornes d’alimentation (Figure 2). Un protocole d’indentification déjà élaboré au laboratoire basé sur des mesures directes en fonctionnement et d’impédance devra être appliqué pour cette maquette de test. Le/La stagiaire pourra également retrouver de façon théorique ce modèle en utilisant le modèle exhaustif. Après une étude bibliographique précise sur les principales techniques de modélisation l’étudiant(e) devra i1 Z1M effectuer, sur la maquette développée, les mesures nécessaires et établir les modèles retenus. Les protocoles iMC M Z12 v1 mis à place devront être testés pour plusieurs point de Z2M fonctionnement de la maquette. i2 v2 Figure 2 : Modèle équivalent EBEM-CE Personnes à contacter : Nom Bertrand Revol François Costa Ce travail se basera sur les connaissances déjà développées au sein du Groupe EPI. En plus des considérations théoriques de modélisation, une attention particulière devra être portée sur les aspects expérimentaux de mise en œuvre. Statut Maître de Conférences (ENS Cachan) Professeur des universités (IUFM de Créteil) e-mail [email protected] [email protected] Laboratoire : SATIE, Ecole Normale Supérieure de Cachan, Groupe EPI – Pôle CSEE Proposition de stage Master SATIE et LGEP Modélisation par homogénéisation de matériaux de type complexe Al+Fe en vue d’applications machines spéciales, validation sur une machine asynchrone discoïde. Le SATIE a développé des matériaux de type complexe architecturé composés d’un assemblage d’aluminium et de fer (appelé « Aluarmé », breveté). Les applications potentielles concernent le blindage CEM et les machines électriques asynchrones du fait que ce nouveau matériau possède à la fois une excellente résistivité électrique et des propriétés magnétiques. L’objectif de ce stage est de caractériser et de modéliser l’Aluarmé en vue d’une des applications pré citées. Un banc de test a été défini pour caractériser le matériau Aluarmé, (tôle épaisseur de 1mm et « tissus » pour épaisseur < 200 microns). Une machine tournante discoide sera utilisée pour valider le modèle en application machine asynchrone. Le travail à réaliser consiste en : ‐ Au SATIE, mise en place et adaptation d’un banc d’essai existant pour le produit Aluarmé Tôle al/Fe/Al attirant un aimant. ‐ Au SATIE caractérisation d’échantillons Aluarmé sur une large Réalisée en colaminage de 2 feuilles Al 0,8mm et 1 grille Fe 0,8mm. gamme de fréquence Epaisseur finale 1mm. ‐ Au LGEP/SATIE modélisation par homogénéisation, intégration des lois de comportement dans un code éléments‐finis, et calage du modèle avec les essais réalisés.. ‐ Au SATIE, essai sur une machine discoïde, comparaison avec la modélisation. Les travaux se dérouleront donc au SATIE et au LGEP en relation avec les autres partenaires du projet global « Aluarmé » financé par l’ANR du programme émergence. Le projet ALUARMé se déroule en partenariat entre le Centre des matériaux de l’école des Mines de Paris, l’organisme de valorisation FIST SA, le SATIE et le LGEP). Contacts : Laurent PREVOND ‐ SATIE : [email protected] 01 40 27 24 18 Lionel VIDO ‐ SATIE : lionel.vido@u‐cergy.fr 01 34 25 68 97 Xavier MININGER ‐ LGEP : [email protected] 01 69 85 16 56 Romain CORCOLLE ‐ LGEP : [email protected] 01 69 85 16 66 Formulaire Fiche Stage ≥ 3 mois ! "# $%"& % '( )##*+ ,,, % '( (%""-.( %"/).0 12%" "# $%"/%#/'-(0 #1-2/%2/ #%(2 2 % + (Bac + 4, Bac + 5) + Grenoble 3*# %(41 % 5- + DRT DACLE/LGECA %6 + 7" 2" %"* %"8 /////////////////////////////////////////////////////////////// 0*.# #1-2 -0 9 (32-0 :% 12$321%.( (%"*-2" 5 % + PILLONNET Gaël 3 7 )1''(%"8 + 0438780215 -0 :. )%' :% 5-( #-1(% + 1 + [email protected] 3 + ROBINET Stéphanie 0438780240 Conception d’un circuit électronique de récupération d’énergie solaire pour l’alimentation de capteur autonome subcentimétrique .;%# -2'13 . "# $1 1(% -5;% #1'" :. "# $% 7".$$%"#1-2 + ;-.#%( %" 1%2" <%5" 4%(" % 5-( #-1(% %# * $% *%("-22% % :. #.#%.(8 Résumé L'objectif du stage est de contribuer à la conception d'un circuit intégré pour la récupération de l'énergie solaire dans le cadre d'un programme de recherche pluridisciplinaire sur la viticulture de précision. Cette proposition est dédiée aux étudiants recherchant un stage au contenu technique ambitieux et désirant acquérir une expérience dans la recherche technologique en lien avec l'industrie. Le stage donne l'opportunité à l'étudiant d'acquérir une expertise sur l'ensemble de la conception de circuits intégrés analogique et mixte, de l'étude système jusqu'à la fabrication du prototype. L'étudiant aura également une vision de la gestion de projet en prenant part à un programme national sur le développement durable en agriculture. Enfin, il découvrira les différentes missions d'un chercheur tout en gardant un environnement de transfert industriel et un cadre applicatif. Cadre du stage Laboratoire du CEA (Commissariat à l'Energie Atomique), le LETI (Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information) est aujourd'hui l'un des plus importants laboratoires de R&D en Europe dans le domaine de l'électronique, de la micro-électronique et plus généralement des micro-technologies. Le LETI s'est développé autour de deux activités principales : les futures technologies pour l'industrie des semi-conducteurs, et la conception de systèmes électroniques avancés. Il a pour vocation d'aider les entreprises industrielles à accroître leur compétitivité à travers l'innovation technique et le transfert de son savoir-faire technologique. Le stage se déroulera au sein département de conception DACLE, qui regroupe plus de 150 concepteurs, et dans le Laboratoire Gestion d'Energie Capteurs et Actionneurs LGECA. Le LGECA développe des solutions innovantes en circuits intégrés, pour l'interface et la gestion d'énergie dans les systèmes et microsystèmes, pour diverses applications telles que l'aéronautique, l'automobile, le suivi d'environnement, et la santé. Le candidat bénéficiera d'une intégration au sein de l'équipe où il participera pleinement à la vie du laboratoire. Il sera acteur d'un programme de recherche pluridisciplinaire à l'échelle national pour le développement d'un réseau de capteur pour la viticulture de précision. Il évaluera la faisabilité d'un prototype à partir d'un cahier des charges. Il bénéficiera de l'environnement de haute-technologie (logiciel et matériel) du CEA-LETI sur le campus Minatec. L'étudiant aura l'opportunité d'utiliser le flot de conception les outils de conception fonctionnels (Matlab) et électronique (Eldo, Electronique -0 12% :%de "*3microsystèmes, 1 1#3 (%=.1" + incluant .#(%" :-0 12%" :% "*3 1 1#3"> 0-#" 3" + Micro-électronique, Micro-systèmes - %2" 01" %2 ?.4(% 7%6*3(1%2 %"> 03#)-:%" : 2 "%"> .#(%" 8 - %2" 12'-(0 #1=.%" 01" %2 ?.4(% + 2$ $%" + -$1 1% " + Ingénieur/Master Bac + 4/5 6 mois ! " #$ % ✔ AS % .(% . :%" # $%" :% -2$.% .(3% %2 2#(%*(1"% 7 %" # $%" ≥ @ 0-1" %" "# $%" -((%"*-2:%2# A :%" 3 B4%" 8 2# .2 + 9 214% . ! &' + "# $% : 12$321%.( %2 '12 :% :%.61B0% 223% -. :35.# :% #(-1"1B0% 223%> .2% 223% %2 %2#(%*(1"% 12#%((-0* 2# % % : 12$321%.( %# %''% #.3% 4 2# :%(21B(% 223% : 3 - % 7 223% :% C 3".(% D8> 9 214% . ! &( + "# $% : 12$321%.(> *(-;%# :% '12 : 3#.:%"> *(-;%# 12:."#(1% > 01 (- #)B"%> "#%(> 9 1* E0% :% % )%( )% % )2- -$1=.% %F + 9 (% .%1 % .*(B" :%" .21#3" :. %" 5%"-12" %6*(103" "-." 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" %"# 10*-(# 2# *-.( % ".141 :%" "# $%" %# 01"% A ;-.( :. "1#% 2#%(2%# .(%2 % %"*-2" 5 % :. F OFFRE DE STAGE OU PFE SNCF DIMENSIONNEMENT, EVALUATION ET COMPARAISON DES SYSTEMES DE STOCKAGE D’ELECTRICITE POUR LES APPLICATIONS FERROVIAIRES. DUREE ET DATE DE DEBUT : Durée de 6 mois minimum et début dès que possible à partir de Janvier 2014. PUBLIC CONCERNE : Étudiant(e) ingénieure ou universitaire dans le domaine du génie électrique en 5ème année pour un stage ou un projet de fin d’étude. COMPETENCES REQUISES : Connaissances des systèmes de stockage d’énergie électriques et de leur dimensionnement. Approche systémique, de préférence des connaissances sur les techniques de traitement du signal Connaissance des industriels en stockage d’énergie électrique pour recherche d’informations et construction d’une base de données. Maitrise de l’outil MATLAB pour programmation et d’Excel. MOTS CLES : Énergie – Modélisation – Stockage – Génie électrique – Dimensionnement -Ferroviaire DESCRIPTION DU SUJET : • Dans un premier temps, un travail sur la méthodologie d’approche à appliquer pour comparer les systèmes de stockage d’électricité sera demandé. L’étudiant devra proposer des améliorations et des modifications à la première approche déjà développée en interne. Il devra être force de proposition sur la méthodologie à appliquer. L’objectif est de déterminer le moyen d’identifier le système de stockage d’électricité le plus approprié en fonction de l’application ferroviaire choisie. • Dans un deuxième temps, il conviendra de programmer la méthodologie de comparaison et d’évaluation identifiée précédemment. Un algorithme de dimensionnement automatique de chacun des systèmes de stockage sera nécessaire pour déterminer le coût global de chaque solution. Le programme sera sous MATLAB ou Excel selon la complexité de la méthode. • Dans un troisième temps, la base de données des systèmes de stockage d’électricité sera enrichie et améliorée. L’objectif sera la construction d’une base de données dynamique capable d’être mise à jour automatiquement et/ou facilement manuellement, notamment grâce à un référencement rigoureux des sources d’informations. La fiabilité des données sera prise en compte dans la méthode d’évaluation et de comparaison. • La méthodologie sera testée, éprouvée et validée sur des cas d’applications types. • Finalement, l’ensemble de la méthodologie avec la base de données associée sera mis en forme sous un programme du type .exe (ou tableau Excel dynamique) afin de pourvoir être utilisée par l’ensemble des collaborateurs de l’entreprise. Des séances de présentation et de communication sur l’outil mis en œuvre au travers du stage seront réalisées par le stagiaire. INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES : Le stage se déroulera dans les locaux de la direction de l’innovation et de la recherche de la SNCF à Paris. Le stagiaire sera suivi par le chef de projet en énergétique de l’équipe « Énergétique et Techniques pour la Maintenance. CONTACT : INNOVATION & RECHERCHE RIFFONNEAU Yann 40, avenue des Terroirs de France 75611 PARIS Cedex 12 [email protected] SOCIETE NATIONALE DES CHEMINS DE FER FRANÇAIS - RCS Paris B 552 049 447 Sujet de stage de Master Recherche : Conception et réalisation de filtre CEM actif de mode commun. SATIE UMR 8029 Contexte de l’étude : Dans les systèmes complexes qui nous entourent, notamment dans le domaine des transports plus électriques, plusieurs sous-systèmes ou équipements sont associés et fonctionnent en complémentarité. Les convertisseurs statiques associés constituent alors autant de sources d’énergie. Le fonctionnement de ces structures de conversion de puissance est basé sur la commutation des composants actifs plus ou moins performants, associés à des composants passifs qui occupent une part importante du volume global de cette chaine. Afin d’optimiser ces structures (masse, volume …), une commutation à haute fréquence (HF) est toujours recherchée. La tendance actuelle est d’utiliser des composants semiconducteurs à large bande interdite (SiC-GaN). Ainsi, les variations toujours plus rapides des courants et tensions lors de ces commutations (dV/dt, dI/dt) donnent naissance à des signaux parasites dépendants de la structure des convertisseurs et des composants utilisés. Ces signaux, appelés ‘‘perturbations électromagnétiques (EM)’’, peuvent être transmis par conduction ou rayonnement pour créer des dysfonctionnements dans les appareils sensibles. Afin de protéger le réseau et la charge de ces émissions, un filtre CEM est impérativement nécessaire. Il est généralement composé de deux parties, l’une filtrant les composantes de mode commun (MC) et l’autre celles de mode différentiel (MD). Une méthode de filtrage actif existe afin de filtrer les perturbations conduites radiofréquences [9kHz-30MHz]. Elle consiste à injecter un signal identique au parasite en opposition de phase sur la ligne. Toutefois, les filtres actifs présentent des limitations de performances à partir des quelques centaines de kHz à cause des comportements parasites de leurs composants et de la non-linéarité des matériaux utilisés. (a) Pour atténuer les perturbations de MD générées par un convertisseur DC-DC, nous avons conçu et réalisé un filtre actif de MD (BF) (voir figure 1). En nous basant sur un modèle équivalent de la source de perturbation, nous avons choisi une compensation série via un transformateur intégré dans le PCB. D’autres convertisseurs génèrent des perturbations de MC de niveaux importants en BF et en HF, ce qui nous dirige vers une étude du filtrage actif de MC. (b) (c) Figure 1 : a- Circuit équivalent du filtre actif de MD, bTransformateur d’injection intégré, c- Cellule de compensation. Objectif du stage : Ce stage consistera à concevoir et réaliser un filtre CEM actif pour atténuer des niveaux importants des perturbations de MC sans affecter le MD. Afin de déterminer les meilleurs choix en terme d’architecture et de solution de réduction des émissions, nous proposons au travers ce stage de : • • • Commencer par un bilan bibliographique des travaux menés sur les filtres CEM, en évoquant les avantages et les limitations de performances de chaque architecture de filtrage actif. D’étudier par la simulation plusieurs choix d’architecture pré identifiés pour retenir les plus intéressantes en se basant sur le modèle CEM équivalent du convertisseur. Réaliser la structure du filtre actif simulé afin de valider l’étude et le choix d’architecture par mesures directes à l’entrée du convertisseur sous test. Les travaux qui font l’objet de ce stage seront réalisés au laboratoire SATIE de l’ENS de Cachan, dans le groupe EPI. Personnes à contacter Nom Marwan ALI Eric LABOURÉ François COSTA Statut Post-doctorant Professeur des universités Professeur des universités Email [email protected] [email protected] [email protected] Sujet de stage de Master Recherche : Étude d’assemblage des matériaux « MagnétostrictifsPiézoélectriques ». Application : inductance variable. SATIE UMR 8029 Contexte de l’étude : L’électronique de conversion d’énergie joue un rôle moteur primordial dans l’évolution technologique actuelle. L'utilisation quotidienne de cette technologie dans plusieurs domaines : transport, communication,... nécessite toutefois une amélioration globale des dispositifs. Les avancées et les ruptures technologiques passent par la maîtrise des propriétés des matériaux qui jouent un rôle considérable dans le développement des composants et des systèmes de conversion d’énergie. La connaissance des phénomènes physiques dans ces matériaux fournit des indications précieuses pour améliorer leurs performances en agissant sur les procédés Figure 1 : Représentation systématique de la présence des composants d’élaboration et/ou d’assemblage. inductifs dans les convertisseurs statiques des systèmes. Systématiquement utilisés dans les convertisseurs de puissance, les composants inductifs discrets permettent de stocker et restituer l’énergie fournie par la source (voir figure 1). Dans le but de faire évoluer ces dispositifs, nous sommes les premiers à intégrer des architectures innovantes en élaborant des nouveaux procédés d’assemblage dans le PCB. Pour optimiser ces composants inductifs (valeur nécessaire dans un volume optimal), il est nécessaire d’utiliser un matériau magnétique à haute perméabilité réelle (µ s’) et à haut niveau de saturation. Certains matériaux magnétiques présentent un effet magnétostrictif qui se caractérise par la modification de ses caractéristiques (perméabilité, induction de saturation, …) en présence de contraintes mécaniques dans le matériau. Ce phénomène limite les domaines d’utilisation de ces matériaux dans certaines applications en raison de l’obtention de composants à fortes incertitudes de valeur. Cependant, il peut présenter l’avantage d’être maîtrisé en appliquant des contraintes mécaniques connues. Dans ce cas, l’utilisation du matériau piézoélectrique (PZT) semble être prometteuse afin d’effectuer des déformations commandées par une polarisation électrique. Par conséquent, la variation de la tension aux bornes du PZT permet de faire varier la valeur de l’inductance. Un composant inductif variable pour le stockage d’énergie serait donc intéressant pour adapter le mode de fonctionnement d’un convertisseur réversible, mais aussi pour ajouter un facteur supplémentaire permettant de varier la puissance du système Figure 2 : Représentation systématique de l’assemblage multide conversion. matériaux constituant une inductance variable. Objectif du stage : Ce stage est focalisé sur la conception et la réalisation d'une inductance variable commandée par une tension. Ce composant présentera un assemblage des matériaux magnétostrictif, piézoélectrique, isolant et conducteur (voir figure 2). Le stagiaire commencera par une étude bibliographique sur les travaux menés sur les phénomènes magnétostrictifs et piézoélectriques. Ensuite, il choisira des matériaux commercialisés et leurs géométries afin d’avoir un couplage important entre ces deux phénomènes. Des prototypes, éventuellement intégrés dans un PCB, seront réalisés afin de tester la capacité de varier la valeur d’inductance utilisant des niveaux de tension modestes aux bornes du PZT. Les travaux qui font l’objet de ce stage seront réalisées au laboratoire SATIE de l’ENS de Cachan dans le pôle CSEE, groupes EPI/MME. Personnes à contacter Nom Marwan ALI Dejan VASIC Vincent LOYAU François COSTA Statut Post-doctorant Maitre de conférences Maitre de conférences Professeur des universités Email [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Sujet de stage de Master Recherche : Optimisation du dimensionnement et du comportement EM des filtres CEM hybrides intégrés. SATIE UMR 8029 Contexte de l’étude : Dans les systèmes complexes qui nous entourent, notamment dans le domaine des transports plus électriques, plusieurs sous-systèmes ou équipements sont associés et fonctionnent en complémentarité. Les convertisseurs statiques associés constituent alors autant de sources d’énergie. Le fonctionnement de ces structures de conversion de puissance est basé sur la commutation des composants actifs plus ou moins performants, associés à des composants passifs qui occupent une part importante du volume global de cette chaine. Afin d’optimiser ces structures (masse, volume …), une commutation haute fréquence est toujours recherchée. La tendance actuelle est d’utiliser des composants semiconducteurs à large bande interdite (SiC-GaN). Ainsi, les variations toujours plus rapides des courants et tensions lors de ces commutations (dV/dt, dI/dt) donnent naissance à des signaux parasites dépendants de la structure des convertisseurs et des composants utilisés. Ces signaux, appelés ‘‘perturbations électromagnétiques (EM)’’, peuvent être transmis par conduction ou rayonnement pour créer des dysfonctionnements dans les appareils sensibles. Afin de protéger le réseau et la charge de ces émissions, un filtre CEM est impérativement nécessaire. Il est généralement composé de deux parties, l’une filtrant les composantes de mode commun et l’autre celles de mode différentiel. Pour filtrer les perturbations conduites radiofréquences [9kHz-30MHz] deux techniques existent : • Injecter un signal identique au parasite en opposition de phase sur la ligne ; c’est la méthode de compensation. Ce filtrage actif présente des limitations de performances à partir des quelques centaines de kHz. • Désadapter les impédances de propagation du signal parasite ; c’est le rôle de tout filtre passif. Une forte atténuation en basse fréquence nécessite inévitablement l’utilisation d’inductances de fortes valeurs donc volumineuses. Figure 1 : Représentation systématique du filtre hybride composé d’un filtre passif intégré dans le PCB et un filtre actif optimisé Pour étendre la performance de filtrage CEM sur un nombre de décades fréquentielles suffisant, nous proposons d’associer un filtre actif BF et un filtre passif HF intégré (voir figure 1). Ce filtrage hybride (passif + actif) combine l’avantage du faible volume et la préservation des performances sur une large plage de fréquence. L’intégration des parties passives du filtre dans le PCB, rend disponible les surfaces externes qui peuvent accueillir les composants actifs accroissant, de fait, la densité volumique de l’ensemble de la fonction de filtrage. Objectif du stage : Ce stage consistera à optimiser en volume et masse, un filtre CEM hybride intégré (association du filtre actif et passif intégré) et s’articulera autour de deux phases : • • Dans une première phase, le stagiaire réalisera un état de l’art sur les filtres CEM et plus particulièrement sur les points suivants : les topologies, les méthodologies de dimensionnement, les méthodologies d’optimisation et les choix des matériaux intégrables dans le PCB Dans une deuxième phase, le stagiaire dimensionnera un filtre CEM hybride optimisé. Les performances EM du filtre CEM optimisé seront évaluées par le biais de simulations et comparées à celles obtenues avec un filtre CEM hybride non optimisé pré-existant à l’entrée du convertisseur servant de support à l’étude Les travaux qui font l’objet de ce stage seront réalisés au laboratoire SATIE de l’ENS de Cachan, dans le groupe EPI. Personnes à contacter Nom Marwan ALI Eric LABOURÉ François COSTA Statut Post-doctorant Professeur des universités Professeur des universités Email [email protected] [email protected] [email protected] Proposition de Stage M2R 2013/2014 Commande rapprochée fortement intégrée pour transistor de puissance avec isolation galvanique réalisée par transformateur piézoélectrique La tendance actuelle en électronique de puissance est d’intégrer les composants sur un support unique pour réduire le volume des équipements. La contrainte d’isolement galvanique pour les commandes de bras d’onduleur devient alors très forte. L’utilisation des transformateurs électromagnétiques classiques pour réaliser cette isolation demande non seulement un bobinage spécifique des enroulements, ce qui augmente le prix, mais aussi limite l’automatisation du processus de fabrication. Cette problématique a engendré des efforts de recherche qui se sont récemment concrétisés au laboratoire SATIE par la réalisation d’une commande rapprochée intégrée utilisant des transformateurs piézoélectriques. Entre autre, il a été montré que ce type de composant se prête bien à de telles contraintes d’intégration (structure monobloc) et présente un certain nombre d’avantage : forte isolation galvanique (tension de claquage de plusieurs kV/mm), faible coût, réduction des émissions électromagnétiques. Afin d’évaluer la possibilité d’une intégration encore plus poussée des transformateurs piézoélectriques dans une application de commande rapprochée des transistors de puissance, nous nous proposons de développer une maquette expérimentale intégrant des transformateurs dans l’épaisseur d’un substrat de type PCB. Le travail consiste d’abord à modéliser le transformateur piézoélectrique, puis de le simuler avec l’électronique associée à l’aide du logiciel PSIM, puis de le mettre en œuvre. L’étudiant devra mener une réflexion sur une intégration la plus aboutie possible. De plus, ce travail se basera sur les connaissances déjà développées dans l’équipe sur la synthèse de structures de conversion statique, sur la modélisation et la mise en œuvre de dispositifs piézoélectriques. En plus des considérations théoriques de modélisation, une attention particulière devra être portée sur les aspects expérimentaux de mise en œuvre. Possibilité de poursuite en thèse si financement. Personnes à contacter : Nom Statut e-mail Marwan Ali Dejan Vasic François Costa Post-Doctorant Maître de Conférences HDR Professeur [email protected] [email protected] [email protected] Laboratoire : SATIE, Ecole Normale Supérieure de Cachan, équipe IPE Stage de Master Recherche 2013 – 2014 NMR A BASE D'AIMANTS POUR L'ANALYSE CHIMIQUE Mots Clés : IRM, modélisation, aimants permanents, thermique, contraintes mécaniques. C ON TE X TE Les dispositifs à base de résonance magnétique (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) ont changé ces cinquante dernières années la chimie et la médecine (IRM). Néanmoins ces dispositifs sont coûteux et de mise en œuvre difficile. En effet, ils sont basés sur des aimants cryogéniques à base de supraconducteurs nécessitant une alimentation permanente en hélium liquide, les réservant de fait uniquement aux industries les plus riches. Notre projet consiste, en utilisant les avancées récentes sur les aimants permanents à base de terre rare, à créer un aimant statique fonctionnant à température ambiante. Ces recherches peuvent à terme permettre de réaliser des dispositifs NMR à faible coût, entraîner une rupture technologique dans le domaine et lancer de nouvelles applications. L'objectif final est la réalisation d'un démonstrateur permettant de valider le concept de NMR à base d'aimants statiques et ayant pour perspective la réalisation d'un appareil de NMR à faible coût et transportable. Ce démonstrateur sera construit autour du cahier des charges suivant : • Un champ statique (B0) au niveau de l'entrefer uniforme et sans compensation électrique d'au minimum 1 T à 0,1 % près. Le volume pris en compte sera un cylindre de rayon 5 mm et hauteur 15 mm. • Une possibilité d'adjoindre à ce prototype un dispositif de compensation actif à base de boucle électrique permettant d'améliorer d'au minimum deux ordres de grandeurs cette précision. • Une dimension maximale du dispositif inscrite dans un cube de 200 mm d'arête. Les différents points scientifiques bloquants qui devront être résolus sont : • • • • Le contrôle de l'uniformité du champ magnétique et l'éventuelle correction active. Le contrôle en température des aimants. La prise en compte et la neutralisation des effets liés aux séquences NMR sur l'aimantation des aimants. La prise en compte des effets des déformations mécaniques et leur compensation. Le candidat sera chargé des tâches suivantes : • • • • Recherche bibliographique (couplage de méthodes) ; Modélisation thermique et magnétique (sous ANSYS) et comparaison avec un modèle analytique simplifié ; Calcul des forces et ingénierie du dispositif mécanique retenant les aimants ; Etude paramétrique des performances par rapport au comportement thermique. C ON TA C T S • • Bastien ROUCARIES, [email protected] Lionel VIDO, [email protected] Lieu du stage : le (la) stagiaire sera pourra effectuer son stage sur le site de Cachan de SATIE (61, avenue du Président Wilson, 94 235 Cachan cedex) ou sur le site de Neuville de SATIE (5, mail Gay Lussac, 95031, Cergy-Pontoise Cedex). Gratification : 435,06 €/mois (gratification en vigueur au moment de la rédaction du sujet) durant la globalité de la période du stage. Ce travail pourra, selon les qualités du stagiaire être poursuivi en thèse, pour laquelle un financement devra être recherché. R EF ER EN C ES 1. 2. 3. G. Moresi, R. Magin (2003). Miniature permanent magnet for table-top NMR Concepts Magn. Reson. B, 19B C. Bauer, H. Raich, G. Jeschke, P. Blümler, (2009) Design of a permanent magnet with a mechanical sweep suitable for variable-temperature continuous-wave and pulsed EPR spectroscopy, Journal of Magnetic Resonance, Volume 198, Issue 2, June 2009, Pages 222–227 Ernesto Danieli, Jörg Mauler, Juan Perlo, Bernhard Blümich, Federico Casanova, (2009) Mobile sensor for high resolution NMR spectroscopy and imaging, Journal of Magnetic Resonance, Volume 198, Issue 1, May 2009, Pages 80–87 Stage de Master Recherche 2013 – 2014 MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE D’UNE COMMANDE DE MACHINE SYNCHRONE À DOUBLE EXCITATION DANS UN GÉNÉRATEUR ÉOLIEN Mots Clés : Machine Synchrone à Double Excitation, Éolien, Générateur, Simulation, Expérimentation. C ON TE X TE Les générateurs éoliens se basent généralement sur des structures utilisant des machines électriques asynchrone ou synchrone à aimants permanents ou à rotor bobiné. L’objectif de ce stage est d’évaluer l’intérêt et l’apport des Machines Synchrones à Double Excitation (MSDE) pour l’application génération de l’énergie électrique à partir de l’énergie éolienne. Les machines synchrones à double excitation ont la particularité de posséder deux sources d’excitation pour la création du flux d’excitation : des aimants permanents pour améliorer la compacité et les performances de la machine et des bobines d’excitation permettant de contrôler le flux d’excitation. Nous souhaitons profiter de cette souplesse afin de créer une architecture simple de générateur destinés à alimenter des réseaux continus. FIGURE 1. ARCHITECTURE DE GÉNÉRATEUR ÉOLIEN Les tâches à effectuer pour le stage seront les suivantes : • • • Etude bibliographique (Energie éolienne, Systèmes Eoliens à vitesse variable) Modélisation et commande du générateur en vue de son intégration dans un système éolien à vitesse variable : Développer une stratégie de commande de la MSDE permettant de profiter de ses avantages pour cette application • • • Simulation de l’ensemble dans un environnement MATLAB-SIMULINK Caractérisation de la MSDE : identification des paramètres de la machine Implantation numérique de la commande dans un environnement dSPACE C ON TA C T S • • Lionel VIDO, [email protected] Sandrine LE BALLOIS, [email protected] Lieu du stage : le (la) stagiaire sera pourra effectuer son stage sur le site de Neuville de SATIE (5, mail Gay Lussac, 95031, CergyPontoise Cedex) ou sur le site de Cachan de SATIE (61, avenue du Président Wilson, 94 235 Cachan cedex). Gratification : 435,06 €/mois (gratification en vigueur au moment de la rédaction du sujet) durant la globalité de la période du stage. Il n’y a pas de financement prévu sur le sujet proposé pour une poursuite en thèse. Toutefois, en fonction des qualités du stagiaire, un financement pourra être recherché. R ÉF ÉR EN C ES 1. A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines. Chen, Zhe, Guerrero, J.M. et Blaabjerg, F. 8, s.l. : Power Electronics, IEEE Transactions on, 2009, Vol. 24, pp. 1859-1875. 10.1109/TPEL.2009.2017082. 2. Control of a Hybrid Excitation Synchronous Generator for a wind energy. Ben Sedrine, E., Vido L. , Slama-Belkhodja I., Gabsi M. Birmingham : EPE, 2011. 3. Power electronics applications in wind energy conversion system: A review . Shukla, R.D., Tripathi, R.K. et Gupta, S. s.l. : Power, Control and Embedded Systems (ICPCES), 2010 International Conference on , 2010, pp. 1-6. 10.1109/ICPCES.2010.5698663 . SATIE UMR 8029 SUJET DE STAGE MASTER 2 « MISE EN ŒUVRE DE BOBINES DÉDIÉES AUX LIENS INDUCTIFS NÉCESSAIRES AUX DISPOSITIFS MÉDICAUX IMPLANTABLES » La dernière décennie a connu une poussée dans l’utilisation des systèmes électroniques implantables tels que les capteurs biomédicaux intégrés. Ces systèmes trouvent un champ d’application très vaste et leur utilisation est en pleine expansion. Afin d’obtenir un système implantable portable et autonome, les circuits électroniques de l’implant doivent être de taille réduite et consommer peu de puissance. L’alimentation en énergie des implants est donc l’aspect le plus déterminant dans la conception des implants électroniques dans le domaine biomédical. La transmission de l’énergie sans fil, ou encore par lien inductif paraît alors la meilleure solution qui répond à ce défit. Cette méthode ainsi proposée écarte tout risque d’infection au niveau de la peau grâce à la présence de fil métallique, ainsi que la nécessité de chirurgie pour un changement de pile. De plus, cette méthode permet d’obtenir un lien de communication avec le monde extérieur. En effet, un lien inductif peut être utilisé à la fois pour transmettre l’énergie nécessaire à l’alimentation et les données simultanément. La transmission de type inductif (cf. figure 1) utilise comme interfaces entre les ondes électromagnétiques et les circuits de conversion des bobines dont les dimensions varient selon la fréquence et la distance sur laquelle s’effectue le transfert. Cette technologie fait appel au principe selon lequel deux objets résonants à la même fréquence tendent à se coupler s’ils interagissent dans un environnement qui n’a pas la même fréquence de résonance qu’eux. Le couplage inductif permet donc le transfert de l’énergie en utilisant les ondes en champ proche. OBJECTIF DU STAGE PROPOSÉ : Le stagiaire devra dans un premier temps s’initier au principe de transfert d’énergie par couplage inductif. Il s’agira ensuite de se former à l’utilisation du logiciel COMSOL en vue de la modélisation et la conception de systèmes de transfert d’énergie. Le gros du travail consistera à développer et optimiser des dispositifs médicaux implantables utilisant plusieurs émetteurs sous forme d’une matrice d’excitation et plusieurs récepteurs. L’évaluation de l’impact du mouvement d’un récepteur implémenté sur le coefficient du couplage ainsi que le transfert d’énergie peut être abordé. MOTS-CLÉS : Transfert d’énergie, couplage magnétique, modélisation électromagnétique, COMSOL & MATLAB, simulation en 3D, dispositifs médicaux implantables, électronique analogique et numérique. Figure1 : Principe du transfert d’énergie par couplage inductif CO-DIRECTIONS ET CONTACTS : Nom et Prénom Statut BETTAIEB Laroussi Post-doctorant COSTA François Professeur des universités E-mail [email protected] [email protected] Sujet de stage Bac + 5 Année 2013 - 2014 Méthodes et moyens d’amélioration de la compatibilité électromagnétique de câbles électriques des chaînes de traction électriques L’intégration des chaînes de traction électrique devient un sujet majeur dans le domaine de l’automobile, aussi bien pour les véhicules électriques que pour les véhicules hybrides. Ces chaînes de traction comprennent des convertisseurs DC/DC et des onduleurs triphasés de fortes puissances qui produisent des émissions électriques et électromagnétiques dans un spectre de fréquences jusqu’à une centaine de MHz. Lorsqu’un tel système de traction n’est pas correctement conçu du point de vue de la compatibilité électromagnétique (CEM), ces émissions peuvent conduire à des parasitages de la réception radio dans les bandes AM, FM et DAB, des brouillages de communication des liaisons hertziennes de certaines fonctions, voir des perturbations de signaux électriques en provenance de capteurs. Il est donc primordial de pouvoir prédire ces risques de CEM en avance de phase par la modélisation et la simulation numérique. Le sujet de stage consiste à étudier les niveaux de rayonnement électromagnétique de différentes solutions de câbles électriques de nouvelle technologie. Pour ce faire, dans un premier temps, il conviendra d’évaluer les performances de chaque solution à l’aide d’un outil de modélisation et de simulation électromagnétique (FEKO). Dans un second temps, il sera nécessaire de valider l’ensemble de ces résultats par des mesures physiques sur des échantillons et un démonstrateur qui sera à définir et à réaliser. Qualités requises : Bonnes connaissances en électricité / électromagnétisme. Attirance pour la simulation numérique. Sens pratique. Durée : 5 à 6 mois. Lieu : PSA Peugeot-Citroën Centre Technique de Vélizy DRD / DRIA / DSTF / SIEP Case VV215 2, route de Gisy 78 943 Velizy-Villacoublay Cedex Responsable de stage : Marco KLINGLER Tél : 01 57 59 43 02 e-mail : [email protected] Merci de transmettre votre CV et une lettre de motivation par e-mail à Marco KLINGLER Sujet de stage de M2 Implantation sur cible FPGA-SoC-Zynq d’une commande à haut niveau d’intégration d’un système d’entrainement électromécanique embarqué. 1- Contexte La commande des systèmes d’entrainement électromécaniques embarqués demeure une thématique de recherche très actuelle. C’est notamment le cas dans le secteur aéronautique et automobile (avion dit « plus électrique » pour le premier, véhicule électrique et véhicule hybride pour le second) où le principal enjeu est de développer des systèmes électriques embarqués, assurant une conversion optimale de l’énergie électrique. Cet enjeu s’accompagne d’un besoin accru de haut niveau de performances, de fiabilité et de robustesse tout en faisant face aux contraintes environnementales de plus en plus sévères (haute température, volumes/poids, pression, humidité …). En ce sens, ces systèmes ont subi d’importantes évolutions sur plusieurs plans. Le premier est lié à leur structure (dispositif de stockage de l’énergie électrique, structure de l’électronique de puissance et celle de la machine électrique utilisée). Il en est de même sur le plan des théories de contrôle utilisées. En effet, la montée en puissance des outils logiciels de simulation et de développement ont contribué à repousser les frontières des théories de contrôle de ces systèmes en dépit de leur complexité algorithmique toujours croissante. Outre ces évolutions algorithmiques, les technologies d’implantation temps-réel ont connu un progrès considérable. Ainsi, un large éventail de composants numériques garantissant de hauts niveaux de puissance de calculs sont disponibles. L’objectif dans le contexte de la commande est d’assurer un haut niveau de performance, une large bande passante de contrôle (liée à la rapidité de calcul) et un haut niveau d’intégration. C’est donc autour de ce contexte d’implantation qu’est articulé le sujet de stage proposé. L’objectif principal est de développer et implanter la commande d’un système d’entrainement électromécanique à haut niveau d’intégration. La chaine d’énergie de ce système sera composée d’une machine synchrone triphasée à aimant permanent, d’un redresseur/onduleur triphasé assurant son alimentation et d’une charge mécanique. La chaine de commande sera principalement composée d’une cible FPGA-SoC Zynq (Xilinx). Il s’agit d’un nouveau composant (mis sur le marché début 2013) ayant la particularité d’intégrer sur une même puce une partie matérielle basée sur cellules FPGA (Programmable Logic), une partie logicielle basée sur processeur pré-câblé ARM Cortex-A9 et une partie analogique/numérique basée sur deux dispositifs de conversion analogique/numérique. Ces différentes fonctionnalités seront donc mises en œuvre dans le but d’avoir une chaine de commande à haut niveau d’intégration. Quant à l’algorithme de commande, deux boucles de régulation (vitesse et couple) seront implantées. Sachant que le capteur de position du rotor sera de type Resolver, un traitement supplémentaire sera déployé pour extraire des mesures, la position et la vitesse de rotation. Parallèlement à ce travail de développement, une étude algorithmique approfondie sera menée afin de répartir, en se basant sur des critères d’optimisation, le traitement à implanter sur la partie logicielle (processeur) et sur la partir matérielle (PL). 2- Modalités du stage Le stage se déroulera à l’antenne de Cergy du laboratoire SATIE (Systèmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Energie). 3- Encadrement / contacts Lahoucine IDKHAJINE, SATIE/UCP, email : lahoucine.idkhajine@ u-cergy.fr Eric MONMASSON, SATIE/UCP, email : eric.monmasson@ u-cergy.fr Proposition de sujet de stage M2 Commande sans capteur mécanique d’un système d’entrainement électromécanique en vue d’améliorer sa fiabilité 1- Problématique Dans le contexte du véhicule électrique, la fiabilité du système d’entraînement électromécanique joue un rôle très important. Pour garantir la sécurité et la continuité de service en cas de défaut de fonctionnement (défauts de capteurs, défauts de la carte de contrôle, défaillance du convertisseur statique, problèmes de batterie …), il est indispensable de prévoir des redondances et un système de surveillance capable de gérer ces défauts. En contrepartie, établir une stratégie de redondance du système implique des contraintes liées au volume et au coût global. L’un des maillons faibles de la chaîne de commande du système d’entraînement est le capteur de position du rotor du moteur utilisé. Outre son coût financier et son volume (donc redondance ou duplication contraignante), ce capteur est une source de problèmes de différentes natures tels que : sa résolution limitée et conditionnée par le coût, la nécessité de le protéger contre les poussières et chocs et des problèmes liés au couplage mécanique avec le moteur. Donc, pour assurer la fiabilité du système tout en optimisant le coût et le volume, il est intéressant d’établir une redondance purement numérique. Cela nécessite l’emploi de deux commandes redondantes (avec et sans capteur mécanique) et un algorithme de gestion permettant de commuter d’une commande à l’autre. En ce qui concerne la commande sans capteur, deux méthodes d’estimation de la position et de la vitesse du moteur seront déployées : une basée sur filtre de Kalman pour le fonctionnement basse et haute vitesse et la méthode d’injection de signaux haute fréquence pour le fonctionnement très basse vitesse et arrêt. Le premier objectif de ce stage est donc de développer l’algorithme permettant de détecter le défaut capteur, d’assurer la transition des grandeurs mécaniques mesurées vers celles estimées tout en garantissant la transition entre grandeurs estimées par les deux méthodes. Ces transitions doivent être les plus souples et les plus linéaires possible pour éviter les décrochages. Le second objectif est de mettre en place un algorithme permettant, dans un contexte de réduction de coût, l’interpolation de la position issue du capteur. Par utilisation d’un moyen algorithmique (e.g. filtrage de Kalman) il est possible d’améliorer la précision de la position issue d’un capteur. Ainsi, il serait envisageable d’utiliser un capteur de position à moindre coût. 1- Modalités du stage Le stage se déroulera à l’antenne de Cergy du laboratoire SATIE (Systèmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Energie). La durée prévue est de 6 mois. 2- Encadrement / contacts Lahoucine IDKHAJINE, SATIE/UCP, email : lahoucine.idkhajine@ u-cergy.fr Eric MONMASSON, SATIE/UCP, email : eric.monmasson@ u-cergy.fr SUJET MASTER 2 RECHERCHE Etude et modélisation de la tension des roulements d’une machine asynchrone alimentée par un onduleur de tension à modulation de largeur d’impulsion Au sein du pôle CSEE du la o atoi e SATIE de l’ENS de Cacha , ous ous i t esso s à l’ tude et la od lisatio des ph o es le t o ag ti ues HF jus u’à uel ues MHz da s les a hi es électriques soumises à des fronts de tension raides tels que ceux produits par les onduleurs de tension MLI. Ces fronts de tensions conduisent à l'apparition d'une tension de mode commun non nulle entre les enroulements (les différentes phases de la machine) et la masse. D'un point de vue électrostatique, cette tension se répartie à travers les différents couplages capacitifs du moteur (Figure 1) et induit, en fonction de l'état électrique des roulements, une différence de potentiel entre la bague interne et la bague externe de chaque roulement. Cette tension de roulements conduit à l'apparition des phénomènes de claquages de l'huile de lubrification des roulements et contribue à leur usure prématurée et à la diminution de leur durée de vie (Figure 2). Figure 1 : schéma descriptif des coulages capacitifs dans un moteur asynchrone à cage d'écureuil Figure 2 : Vue au microscope optique de la surface interne de la bague externe d'un roulement pour une durée de fonctionnement de 12750 h Dans le cadre de ce stage de Maste 2, ous ous i t esso s à l’ide tifi atio exp i e tale des différents couplages capacitifs existants dans la machine asynchrone à cage (i.e. Rotor/Stator ; Enroulements/Rotor ; Enroulement/Stator et . afi d’ ta li u od le o po te e tal de la te sio des roulements. Cette tude ous pe ett a gale e t d’ tudie la contribution des têtes de bobines à ces phénomènes. Contacts : François COSTA [email protected] 01 47 40 29 83 Sami HLIOUI [email protected] 01 47 40 21 10 Bertrand REVOL [email protected] 01 47 40 74 05 1/1 Laboratoire des Technologies Nouvelles Sujet : Evaluer de nouvelles méthodes de mesure de la température des composants à semiconducteur de puissance dans les conditions d’usage des convertisseurs de puissance. Localisation du stage : Établissement IFSTTAR, Laboratoire des Technologies Nouvelles (LTN), 25 allée des Marronniers ,78000 VERSAILLES Satory Correspondant IFSTTAR-LTN : Laurent Dupont [email protected] Dans le cadre du déploiement des solutions ui utilise t de l’é e gie éle t i ue, le convertisseur à semi-conducteurs de puissance se place au sein d'un système de plus en plus complexe (réglementations, architecture de conversion, sou es ultiples…). D’aut e pa t, les contraintes applicatives de plus en plus sévères notamment pour la mobilité (environnementales, fonctionnelles, é o o i ues…) conduisent à une optimisation difficile de la chaine de conversion pou s’assu e d’u e o e effi a ité é e géti ue tout e garantissant la disponibilité et la fiabilité du système. Or, la spécificité de l'électronique de puissance (coûts, durée de vie objectivée, complexité des p ofils de issio suppo tés, uptu es te h ologi ues atte dues…) e d très complexe le t a sfe t de l’e pe tise basée sur les lois statistiques pour quantifier la fiabilité des systèmes. Les recherches menées sur ce thème nécessitent alors la ise e œuv e de a pag es de vieillissement accélérées de plusieu s ois afi d’évaluer les contributions physiques qui induisent les mécanismes d’e do age e t. En ces termes, la connaissance de la température du composant semi-conducteur est un paramètre essentiel [1]. Mais, la mesure directe de cette température est souvent difficile en raison de la complexité du comportement électrothermique du module de puissance et de sa forte intégration fonctionnelle. Dès lors, des indicateurs électriques thermosensibles (tension de seuil, tension de jonction, courant de satu atio …) sont privilégiés malgré leurs limitations [2]. L’o je tif de ce stage, porté par la nécessité d'accéder à des moyens de diagnostic, est d'améliorer la compréhension et l'usage des paramètres électriques thermosensibles des composants à semi-conducteurs de puissance. Ce stage propose d’évalue de ouveau indicateurs électriques thermosensibles, adaptés à une intégration fonctionnelle, à travers une compréhension théorique de leurs performances et de leurs limitations. Une confrontation expérimentale, s’appu a t su des o e s tels ue la esu e i f a ouge et u banc de caractérisation électrothermique, permettra de valider la pertinence des indicateurs identifiés. Ce projet complète de façon pertinente des travaux déjà initiés au LTN et ceux qui seront supportés dès 2014 da s le ad e d’un projet de recherche ANR (IFSTTAR-LTN, G2Elab, CEA-LETI) qui prévoit le fi a e e t d’u e th se o u e entre le LTN et le laboratoire G2ELab à Grenoble. Les points développés porteront sur : L’étude bibliographique des indicateurs électriques thermosensibles. L’étude permettant de faire un choix du/des solutions les mieux adaptées à la mesure de la température du composant lors du fonctionnement du convertisseur. La réalisation et l’e ploitatio de ésultats e pé i e tau pe etta t d’évalue la sensibilité et la robustesse de ces ouvelles éthodes d’esti atio de la température des composants à semi-conducteurs. [ ] M. Ciappa, Lifeti e odelling of thermo mechanics-related failure mechanisms in high power IGBT odules fo t a tio appli atio s , IEEE 15th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, Cambridge, UK, pp. 295–298, 2003. [2] L. Dupont, Y. Avenas, P-O Jannin, Co pa iso of ju tio te pe atu e evaluatio s i a po e IGBT odule usi g a IR a e a a d th ee thermo-se sitive ele t i al pa a ete s , IEEE T a sa tio s o I dust Appli atio s, Jul , Vol. 9, Issue , pp. 99-1608. LD_2013 – Sujet stage M2 - Page 1 sur 1 Proposition de stage Master SATIE groupe EPI Développement de Modèle de vieillissement pour Smart power -applications automobiles L’utilisation de l’électronique de puissance dans les transports routiers se doit de répondre à des exigences de fiabilité et de sécurité propres à ce domaine. Le fournisseur et le concepteur doivent assurer d’une part que des fonctions de sécurité (éclairage par exemple) seront disponibles pendant toute la durée de vie du véhicule et que d’autre part les défaillances potentielles des interrupteurs de puissance les contrôlant n’apportent pas de risques en termes de sécurité (incendie par exemple) pour les personnes et les biens. Dans ce cadre particulièrement contraignant il est nécessaire de parfaitement connaître les limites de fonctionnement et la fiabilité des composants utilisés, notamment les composants à semi-conducteur de puissance, dans un environnement et pour des profils de mission spécifiques. Les objectifs visés par cette proposition sont : d’une part la connaissance et la maîtrise des modes de dégradation et d’autre part le développement d’une méthodologie permettant de faire le diagnostic de l’état des Smart power tout au long de leur vie. Ces travaux conduiront à établir des modèles de vieillissement dont le but est d’évaluer l’aptitude d’un Smart Power à assurer la fonction qui lui est assignée. Cet « état » devra être quantifié de manière à autoriser une prise de décision quant aux impératifs de maintenance, de disponibilité ou de sécurité de l’application. Un banc d’essai générique a été développé au laboratoire. Ce banc de cyclage permet le vieillissement accéléré de plusieurs transistors en augmentant volontairement les pertes dans les composants testés et donc les excursions de température au sein des puces. Le travail à réaliser consiste en : - Etude bibliographique sur les modes de dégradation des composants de puissance et les lois de vieillissement associées - Exploitation et interprétation des résultats issus des tests expérimentaux de vieillissement accéléré, - Compréhension des mécanismes de dégradation - Proposition d’un modèle de vieillissement Les travaux se dérouleront au SATIE à CACHAN, en partenariat avec l’entreprise Freescale et en collaboration avec le LGEP. Selon les résultats obtenus, une poursuite en thèse est envisageable. Contacts SATIE groupe EPI : Gilles Rostaing : [email protected] 0140272418 Mounira Berkani : [email protected] 01 47 40 23 11 Contacts LGEP : Demba Diallo : [email protected] Intégration en Electronique de Puissance : Commande isolée à récupération d’énergie pour les composants grand-gap Les nouveaux composants de puissance à base de Nitrure de Gallium (GaN) permettent de travailler à des fréquences de découpage de plus en plus élevées (au-delà du MHz). L’utilisation des commandes classiques dédiées aux transistors de puissance IGBT ou MosFET Silicium n’est pas adaptée ni optimisée. L’objectif de ce travail est de comparer différentes solutions de commandes rapprochées, avec isolations galvanique, et adaptées aux composants GAN afin d’évaluer les points forts et points faibles en termes de rendement, d’intégration et de comportement CEM. Une première partie consistera à étudier les commandes basées sur les transformateurs d’impulsion, avec transmission simultanée de l’alimentation et de la commande. Dans une seconde partie, l’intérêt d’une commande à récupération d’énergie dans un bras de pont GAN sera étudié. En effet, ces transistors nécessitent des charges de grille très faible et la complexité supplémentaire du circuit pour la récupération doit être justifiée. Après une étude bibliographique précise sur les commandes rapprochées, l’étude du comportement des différentes topologies de commande sera faite en utilisant un logiciel de simulation circuit. Pour chaque topologie intéressante identifiée, une étude de l’encombrement, de la consommation, de l’intégrabilité et des aspects CEM sera menée afin de dresser un tableau récapitulatif et de sélectionner une de ces solutions pour la mise en Principe de commande d’un bras de pont [1] œuvre L’étude pratique de la solution choisie consistera alors dans un premier temps par le dimensionnement précis des différents composants de la commande rapprochée et dans un second temps par la réalisation d’un montage de test pour valider le fonctionnement de cette solution. L’étude des possibilités d’intégration de cette solution sera abordée en même temps. Ce travail se basera sur les connaissances déjà développées dans l’équipe. En plus des considérations théoriques de modélisation, une attention particulière devra être portée sur les aspects expérimentaux de mise en œuvre. Bibliographie : [1] S. LEFEBVRE and B. MULTON, « MOSFET et IGBT: circuits de commande. » Techniques de l’ingénieur. [2] The Van NGUYEN, « Circuit générique de commandes rapprochées pour l’électronique de puissance. » Thèse LEG, Grenoble. [3] Bo Yang, « Topology investigation of front end DC/DC converter for distributed power system. » Thèse Virginia Tech. Personnes à contacter : Cyrille Gautier Stéphane Lefebvre [email protected] [email protected] Laboratoire d’accueil: SATIE, Ecole Normale Supérieure de Cachan, groupe EPI Stage Master2 Recherche proposé à l’IFSTTAR LTN: Architecture de convertisseurs multicellulaires avancés pour la montée en puissance des nouvelles générations de pile à combustible (PAC) avec fiabilité renforcée. ----------------------------------------------------L’IFSTTAR (I stitut f a çais des s ie es et te h ologies des t a spo ts, de l’a é age e t et des réseaux) LTN (Laboratoire des Technologies Nouvelles) conduit des études finalisées contractuelles sur les véhi ules éle t i ues et l’utilisatio de gé é ateu s pile à o usti le e a ués pou la fou itu e de tout ou pa tie de l’é e gie de t a tio du véhicule. Les systèmes à piles à combustible de ouvelle gé é atio doive t fai e fa e aujou d’hui au e igences de montée en puissance, et de fiabilité renforcée. Ces études accompagnent un réel besoin industriel des filières de développement des systèmes piles à combustible et intègrent les préoccupations des constructeurs automobiles autour de la ise e œuvre opérationnelle des technologies innovantes embarquées. L’IFSTTAR - LTN situé à Versailles mène des recherches sur les systèmes pile à combustible (PAC) de puissance et les interfaces électroniques associées pour la montée en puissance dédiée aux applications de traction et/ou d’aide à la traction. Les générateurs pile à combustible ont également évolué vers des systèmes génériques modulaires ou segmentés pour lesquels il est impératif d’asso ie u e i te fa e d’éle t o i ue de puissa e ava ée et fiable. Le stage étudiera par simulation numérique basée Matlab/Simulink des topologies d’éle t o i ue de puissance alimentées e ou a t, isolées et/ou etta t e œuv e un dipôle résonant, ces structures so t des a didats ais pou les uels il est é essai e d’e visage des asse lages ulti ellulai es pou épa ti l’effo t de puissa e et auto ise par exemple une gestion électronique localisée des défauts sur les éléments de pile à combustible. L’e se le gé é ateu PAC et so convertisseur associé devant avoir une fiabilité accrue dans des applications de puissance traction, il i po te a d’étudie en particulier la problé ati ue d’u e défailla e d’u e (ou plusieurs) cellule(s) du convertisseur sur la gestion énergétique de la pile et la continuité de fourniture de puissance à marche dégradée. U p otot pe de o ve tisseu de puissa e fe a l’o jet d’u di e sio e e t et d’u e p é-réalisation au laboratoire. Le stagiaire aura de solides connaissances et compétences en électronique de puissance, structures de conversion d’énergie et contrôle-commande associé. Outils de simulation numérique système. Le stage bénéficie a d’u fi a e e t a adé i ue. Probabilité de poursuite en thèse de doctorat. Lieu du stage : IFSTTAR LTN 78000 Versailles Contact IFSTTAR LTN : Alexandre De Bernardinis, Chargé de recherche en génie électrique à l’IFSTTAR [email protected], Tél : 01 30 84 39 75 Sujet de stage de Master Recherche : Intégration PCB de composants grand gap pour le développement d’un convertisseur d’électronique de puissance à forte densité. SATIE UMR 8029 Contexte de l’étude : Dans de très nombreuses applications, la tendance est à l’électrification des fonctionnalités. Le domaine le plus concerné est celui des transports avec le passage à la traction hybride et électrique pour l’automobile et l’ambition de « l’avion tout électrique » pour l’aéronautique. Les convertisseurs d'électronique de puissance ont un rôle central à jouer puisqu'ils servent à la gestion de l'énergie en amont des actionneurs et des motorisations, mais également aux interfaces à la fois pour les systèmes de génération (générateurs, piles à combustible,…) et pour les systèmes de stockage d'énergie (batteries, supercondensateurs, …). Les industries qui utilisent ces convertisseurs exigent des dispositifs peu couteux, compacts, à fort rendement énergétique avec une fiabilité maîtrisée. Le volume occupé par les composants passifs (qui représente une part non négligeable du volume global du convertisseur) peut être diminué à condition d’augmenter de manière significative la fréquence de découpage des convertisseurs. L’utilisation des composants grands gaps (GaN et SiC) devrait favoriser cette approche. Toutefois, l’utilisation à haute fréquence de découpage de ces composants nécessite de repenser complètement les technologies d’interconnexions électriques Association de 2 puces GaN, 200 V, 10 A afin de limiter fortement les inductances de maille de commutation, de mettre en œuvre des composants magnétiques adaptés à ces fréquences de découpage et enfin d’assurer des mesures de courant n’ajoutant pas d’inductance parasite pour le contrôle du convertisseur sur une très large bande de fréquence. Un gain supplémentaire sur le volume du convertisseur peut être apporté en intégrant au PCB les fonctions passives (condensateurs et inductances). Des travaux de ce type ont déjà été entrepris au laboratoire SATIE où un filtre CEM hybride a été intégré dans un PCB: les composants passifs ont été intégrés dans le PCB (deux inductances couplées + condensateurs) laissant libre la surface supérieure sur laquelle ont été implantées les parties actives. Filtre CEM Hybride Objectif final : L’objectif final de ces travaux consiste à intégrer un convertisseur complet d’électronique de puissance intégré dans un PCB. Ce convertisseur intégrera les fonctions passives (capacitives et inductives), les composants semiconducteurs mais aussi les éléments qui permettent le contrôle de la structure (commande rapprochée des semi-conducteurs, capteurs…). La démarche permettant d’atteindre cet objectif consiste à valider les briques de base technologiques nécessaires à la mise en œuvre d’un démonstrateur complet. Représentation schématique d’un convertisseur complet intégré Objectif du stage : Les travaux menés au cours de ce stage se focalisent sur l’intégration des composants semiconducteurs au sein du PCB. L’objectif est de concevoir une cellule de commutation compacte, limitant au maximum l’inductance de la maille de commutation. Pour cela, des puces nues de semi-conducteurs (telles que les puces EPC ou autre) seront mises en œuvre. Un premier travail sur l’interconnexion de ces puces sera nécessaire. Des solutions novatrices de report de puces seront mises en œuvres telles que brasure haute température, frittage, contacts pressés… L’aspect thermique devra également être pris en compte pour assurer le refroidissement des puces. Pour cela, un travail de modélisation et de simulation électrothermique sera mené. L’agencement, le report et le refroidissement des puces sont trois critères imbriqués qu’il faudra traiter en même temps pour arriver à une solution optimale. Une étude bibliographique permettra de recenser les derniers travaux en matière d’intégration de composants dans un PCB. L’expertise de l’équipe sur l’intégration PCB de composants passifs consistera une base de départ à l’intégration des actifs. Personnes à contacter : Nom Marwan ALI Denis LABROUSSE Mickaël PETIT Stéphane LEFEBVRE Statut Post-doctorant (SATIE) Maitre de conférences (Cnam) Maitre de conférences (Cnam) Professeur des universités (Cnam) email [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] PROPOSITION DE STAGE DE MASTER RECHERCHE Caractérisation et Modélisation du comportement électrothermique de transistors GaN Contexte: L'utilisation d'une électronique de puissance dans des ambiances hautes températures est aujourd'hui un enjeu stratégique majeur dans le domaine des transports. Le besoin de l'utilisation de composant semiconducteurs "grands gaps" s'est d'abord fait sentir dans le domaine avionique dans le cadre du développement de l’avion « plus électrique » mais c’est aussi le cas dans le domaine automobile. Le silicium est physiquement limité dans ses applications pour des températures de l'ordre de 200°C avec des limitations en fréquence de commutation. Les matériaux "grands gaps" (SiC, GaN et diamant) présentent l'avantage de pouvoir dépasser ces limites en permettant à la fois des composants de puissance hautes tensions, hautes températures, forte densité de courant et hautes fréquences. Parmi les matériaux "grands gaps", le nitrure de galium (GaN) est un matériau semi-conducteur à forte potentialité pour les transports mais également pour des applications de conversion photovoltaïques. De nombreux travaux doivent encore être menés pour valider des technologies de composants et surtout d’assemblage qui soient adaptés aux contraintes transports, et plus généralement pour des applications à haute température de fonctionnement. Il s’agira de mener des caractérisations électriques sur des dispositifs obtenus dans le cadre d’un projet (MeGaN) avec le CEA. Des travaux de modélisation de leur comportement électrique devront également être réalisés. Travail demandé : • Bibliographie sur les composants semi-conducteurs GaN concernant leur caractérisation ainsi que leur modélisation. • Mise en œuvre d'un banc de caractérisations électriques et thermique des composants pour des températures d'environnements allant de -20°C jusqu'aux hautes températures (200°C). • Elaborer des modèles couplés électro-thermiques des composants GaN. Les outils qui seront utilisés sont MATLAB et SIMPLORER (équivalent à PSPICE). Mots Clefs : Caractérisations, Modélisation, Semi-conducteur, Composants de puissance, GaN Informations complémentaires : • L’étude s’effectuera avec une collaboration avec le SATIE de l’ENS-Cachan • Une poursuite en thèse est possible • Le stage est rémunéré. Laboratoire d'Accueil : Laboratoire des Technologies Nouvelles (LTN) de l’IFSTTAR (Versailles) Contact : Zoubir Khatir : [email protected] (Tél : 01.30.84.39.76) LTN – Laboratoire des Technologies Nouvelles UMR 8029 (ENS-CACHAN) PROPOSITION DE STAGE DE MASTER RECHERCHE Caractérisation électrique et étude de la robustesse de composants semi-conducteurs de puissance MOSFET-SiC Laboratoire d'Accueil : SATIE / ENS de Cachan en collaboration avec Thales Contacts : Mounira Berkani : [email protected] Ali Ibrahim : [email protected] Stéphane Lefebvre : [email protected] (Tél : 01 47 40 21 08) Contexte: L'utilisation d'une électronique de puissance dans des ambiances très hautes températures est aujourd'hui un enjeu stratégique majeur dans le domaine des transports. Le besoin de l'utilisation de composant semiconducteurs "grands gaps" s'est d'abord fait sentir par nécessité dans le domaine avionique dans le cadre du développement de l’avion « plus électrique » où les convertisseurs d’énergie peuvent être placés dans la nacelle du réacteur avec une température ambiante de l’ordre de 200°C mais également dans le domaine ferroviaire et automobile. Le silicium est physiquement limité dans ses applications pour des températures de l'ordre de 200°C avec des limitations en fréquence de commutation. Les matériaux "grands gaps" (SiC, GaN et diamant) présentent l'avantage de pouvoir dépasser ces limites en permettant à la fois des composants de puissance hautes tensions (>20 kV), hautes températures (jusqu'à au moins 300°C), forte densité de courant (>1000A/cm2) et hautes fréquences (>200kHz). Parmi les matériaux "grands gaps", le carbure de silicium (SiC) est le seul matériau semi-conducteur aujourd’hui disponible pouvant être utilisé pour des tensions de claquage supérieures à 600V. On peut aujourd’hui se procurer des diodes Schottky SiC 600V et 1200V, ainsi que des transistors JFET 1200V et 1700V et des transistors MOSFET 1200V sous forme d’échantillons seulement pour ces derniers. De nombreux travaux doivent encore être menés pour valider les performances et la robustesse de ces composants pour des applications à haute température de fonctionnement. Travail demandé : Le travail demandé est principalement expérimental. Bibliographie sur les composants semi-conducteurs SiC (caractérisation, performances). Mise en œuvre d'un banc de caractérisations électriques et thermique des composants pour des températures d'environnements allant de -50°C jusqu'aux hautes températures : 200°C. Caractérisations électriques en régime de commutation, vitesse de commutation, pertes, fonction de la température de jonction et des caractéristiques des circuits de commande rapprochée. Caractérisation de la robustesse de transistors MOSFET SiC principalement en régime de court-circuit et d’avalanche Mots Clefs : Expérimentation, Caractérisations, Robustesse, Composants de puissance, SiC ETUDE COMPARATIVE DES ACTIONNEURS A ENTRAINEMENT DIRECT Stage pour l’année 2013/2014 dans l’entreprise Moving Magnet Technologies située à Besançon. Présentation de l’entreprise Basée à Besançon, MOVING MAGNET TECHNOLOGIES est une société d’ingénierie et de recherche et développement de 38 personnes spécialisée dans l’électromagnétisme appliqué aux domaines des actionneurs à entraînement direct, des capteurs de position et des moteurs électriques. L’essentiel de notre activité est voué au domaine automobile via les constructeurs en direct ou leurs équipementiers. Nous proposons nos services à nos clients sous la forme de prestation d’ingénierie sur des projets de développements avancés (constructeurs automobiles) mais le plus souvent sous la forme de cession de licences de fabrication (équipementiers automobiles) par valorisation de notre propre portefeuille de brevets. Sujet Actionneur rotatif à aimant mobile sur vanne EGR MMT est spécialisée, entre autres, dans l’étude des actionneurs à entrainement direct ou « Direct-Drive Actuator » (DDA) innovants. De tels actionneurs, caractérisés par un déplacement linéaire ou rotatif limité et en prise directe avec un organe à déplacer, sont notamment proposés à nos clients pour des domaines exigeants et variés (automobile, spatial, soins à la personne…) et nécessitant une grande dynamique (parcours typique en quelques millisecondes). Il existe une diversité de ces actionneurs que l’on retrouve souvent sous les dénominations suivantes, en lien avec leur principe électromagnétique d’actionnement : -Electroaimant ou solénoïde (réluctance variable), -A bobine mobile ou Voice-coil (force de Laplace), -A aimant mobile -A induction -… Chacune de ces familles, en fonction de la topologie de l’actionneur, bénéficie d’avantages et d’inconvénients les destinant en priorité pour des applications soit particulièrement dynamiques, nécessitant une bande passante élevée, soit statiques, nécessitant une forte densité de force/couple. Le facteur de forme imposé à ces DDA (volume/taille/masse), ainsi que les propriétés des matériaux magnétiques (doux et dur), imposent les performances de chacune des solutions. L’objet du stage est donc de proposer un outil d’aide à la décision quant à la faisabilité et au choix du DDA en fonction d’un cahier des charges industriel imposant les performances (dynamique, effort,…). A titre indicatif, il sera demandé au stagiaire de réaliser l’étude articulée selon le plan suivant : -Etude théorique des différents principes électromagnétiques permettant de réaliser des DDA. -Sélection des topologies concrètes qui seront étudiées. -Proposition d’un plan d’expérience permettant de balayer différents facteurs de forme. -Proposition d’une classification (par exemple sous une forme graphique, d’abaque,…) permettant de déterminer rapidement les performances d’un actionneur en fonction d’un cahier des charges (matériaux, bande-passante, travail mécanique, course…). MMT – GL Page 1 sur 2 AOUT 2013 Compétences requises Le candidat stagiaire a idéalement une formation en électromagnétisme, des compétences en modélisation des systèmes magnétiques (utilisation de Flux2D-3D à prévoir / formation interne possible) et en optimisation. Durée souhaitée du stage : 4 à 6 mois Contact : MMT – 1 rue Christiaan Huygens – F-25000 Besançon – ℡ +33 (0)3.81.41.42.00 M. Guillaume LOUSSERT – [email protected] M. Michaël DELBAERE – [email protected] MMT – GL Page 2 sur 2 AOUT 2013 Stage Master 2 Analyse des modes et mécanismes de défaillance des composants de puissance dans des convertisseurs industriels. Contexte du stage : L’augmentation de la consommation d’énergie et le besoin de réduction des émissions de CO2 nécessitent une meilleure sécurisation et gestion de l’énergie électrique. Dans ce contexte, des équipements électriques qui permettent de sécuriser, de réduire la consommation de l’énergie ou bien de produire de l’énergie à partir des sources non fossiles trouvent de très larges utilisations dans l’industrie ou dans des bâtiments tertiaires ou résidentiels. Parmi ces équipements on trouve des produits tels que les variateurs de vitesse, les onduleurs solaires ou les alimentations sécurisées. Afin de répondre aux besoins de nos clients, ces produits sont soumis aux exigences sévères de durée de vie de plusieurs années de fonctionnement sans interruption sous différentes contraintes environnementales et cycles de fonctionnement. Cela nécessite que les composants constituant ces équipements soient fiables et robustes. Parmi les composants électroniques, au cœur des convertisseurs se trouvent les composants de puissance tels que les IGBT, diodes et MOSFETs. Lors du fonctionnement, ces derniers sont exposés à différentes contraintes environnementales et fonctionnelles (température ambiante, cyclage thermique, vibrations, choc, altitude, humidité...). Or, tous ces facteurs impactent la durée de vie des composants électroniques et par conséquent la fiabilité et durée de vie des produits. Objectifs du stage : La première étape de l’étude consistera à recenser pour les 3 types de produits cités ci-dessous, les différents cas de mise-hors service des produits dus à la défaillance des semi-conducteurs de puissance et leurs encapsulations. Cette étape sera réalisée en collaboration étroite avec les business unit, au sein de Schneider Electric, qui développent et commercialisent ces produits. Dans une deuxième étape, l’étude se focalisera sur un ou deux cas de défaillances typiques dus aux composants de puissance. Le but sera d’analyser les causes et les mécanismes de défaillances de ces composants qui peuvent être dus aux procédés de fabrication ou aux cycles de fonctionnement des produits. Cette étude sera réalisée à l’aide des outils et méthodes d’analyses disponibles au sein de Schneider Electrique ou au Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'IFSTTAR. Travail demandé : 1. Etude bibliographique sur les modes de défaillance des composants de puissance 2. Recensement des cas de défaillance des variateurs de vitesse, onduleur solaire ou alimentations sécurisées auprès des BUs 2. Analyse des cas de défaillance recensés et choix d’un ou deux cas d’études 3. Analyse des composants défaillants à l’aide des outils et des méthodes d’analyses disponibles (rayons-X, micro section, acoustiques, caractérisation électrique,…) 4. Mise en place de moyens de caractérisations expérimentales et/ou de simulation permettant d’identifier les causes et les mécanismes de défaillances des composants semi-conducteurs de puissance 5. Rédaction de rapport de synthèse des résultats Ce stage est susceptible de déboucher sur des travaux plus approfondis dans le cadre d’une thèse CIFRE financée par Schneider Electric en 2014. Localisation du stage : Le stage se déroulera au sein du département Technology Innovation de Schneider Electric à Grenoble et/ou au sein du Laboratoire de Technologie Nouvelle de l'IFSTTAR à Versailles: Contacts Schneider Electric, Site 38TEC – Technopole, 37 Quai Paul Louis Merlin, 38050 Grenoble Miao-Xin Wang, [email protected], tél: +33 4 76 57 92 49 Radoslava MITOVA, [email protected], tél: +33 4 76 57 98 55 ou Laboratoire des Technologies Nouvelles, IFSTTAR, 25 allée des marronniers, 78000 Versailles Zoubir Khatir, [email protected], tel: 01 30 84 39 76 Ali Ibrahim, [email protected], tel: 01 30 84 39 90 -1-
