Transmission d’énergie par induction électromagnétique en plastronique 3D

Wireless power transfer using 3D molded interconnect devices technology

• Auteur / Autrice : Sergkei Kamotesov
• Direction : Vincent Semet, Michel Cabrera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique.Électrotechnique. Automatique
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône) - Ampère, Département Energie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Catherine Journet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Semet, Michel Cabrera, Christian Martin, Darine Kaddour, Nadège Reverdy-Bruas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Benech, Philippe Passeraub

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inductance

Résonance magnétique

Transfert d'énergie

Mots clés libres

Transmission d'énergie à distance

TEDIM

Structuration laser direct

Induction électromagnétique

Résonance

Inductance 3D

Omnidirectionnel

Métallisation autocatalytique

Wireless power transfer

WPT

3D molded interconnect devices

3D-MID

Laser direct structuring

LDS

3D inductor

Omnidirectional

Résumé

L’objectif de la thèse est d’évaluer l’intérêt de la plastronique 3D dans le domaine de la transmission d’énergie à distance par induction électromagnétique (TEDIM). En effet, la TEDIM est actuellement basée sur des inductances planes, qui n’autorisent un transfert d’énergie entre émetteur et récepteur que sur une courte à moyenne distance, à condition de plus qu’elles soient alignées. Dans ce manuscrit est étudié le cas particulier de récepteurs de forme 3D disposés à l’intérieur d’une boite émettrice de 50 cm de côté comportant 4 inductances émettrices. Différents récepteurs avec des inductances plastroniques ont été étudiés en abordant les questions suivantes : résonance des inductances plastroniques à 6,78 MHz, dimensionnement et forme en 3D. Ainsi, un récepteur en plastronique de forme quasi-sphérique (Ø 8 cm) a été fabriqué par impression 3D, structuration laser directe, métallisation autocatalytique et électrodéposition. Celui-ci a été doté de 3 inductances réceptrices solénoïdes en plastronique et disposées orthogonalement sur les équateurs ayant chacune un facteur de qualité supérieur à 129 ±10. Les résultats expérimentaux sont les suivants : (1) le récepteur reçoit jusqu'à 4,33 W avec un rendement de 15,8 % au centre de la boite, et (2) lorsque l’on fait varier la position et l’orientation du récepteur dans la boite, la disposition des inductances permet, dans une large mesure, de moyenner la puissance reçue. En conclusion, la plastronique permet d’intégrer, relativement aisément, des inductances autorisant une TEDIM, dans les habillages d’appareils électroniques, à la manière des antennes électromagnétiques intégrées par plastronique dans les téléphones intelligents. Ces inductances peuvent épouser la forme 3D de ces habillages, ce qui permet de concevoir des récepteurs et émetteurs omnidirectionnels

The objective of this thesis is to evaluate the interest of 3D molded interconnect devices technologies 3D-MID for wireless power transfer (WPT) through electromagnetic induction. WPT systems mostly uses planar coils that allows transfer between receiver and emitter at low and mid-range distance, at the condition that they are well aligned. We studied a specific case with a 3D receiver enclosed in a half meter box with 4 emitting inductors on 4 sides. Three questions were examined: the magnetic resonance of 3D-MID inductors at 6.78 MHz, their dimensions and their 3D shape. The nearly spherical shape 3D-MID receiver (Ø 8 cm) was 3D printed, activated with laser direct structuring (LDS), autocatalytic metallization and electroplating. It has 3 solenoid receiving inductors, each with quality factor above 129 ±10, placed orthogonally on the equators. The experimental results show: (1) the receiver is able to receive 4.33 W at 15.8 % efficiency in the middle of the box and (2) that we can change position and orientation of the receiver in the box, the placement of the inductors allows, in a widely meaning, to mean the received power. In conclusion 3D-MID allows to integrate, relatively easily, inductors for WPT, in the casing of electronics devices, in the same way as for 3D-MID electromagnetic antennas in smartphones. These inductors can 3D-shape the casing, which will allow the design of omnidirectional receivers