Virtualisation de la mesure d’exposition du public général au champ magnétique basse fréquence dans le domaine de l’automobile

Virtualization of measurement of the general public exposure to low frequency magnetic field in automotive domain

• Auteur / Autrice : Michael Magued
• Direction : Dominique Lecointe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/03/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Hélier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Pichon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Noël Burais, Moncef Kadi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes de simulation

Méthode de Monte-Carlo

Ondes électromagnétiques

Champs magnétiques -- Effets physiologiques

Mots clés libres

Exposition

Population général

Champ magnétique basse fréquence

Virtualisation de mesure

Validation

Icnirp

Exposure

General population

Low frequency magnetic field

Virtualizing measurement

Validation

Icnirp

Résumé

L’exposition des personnes aux champs électromagnétiques est une problématique majeure de société qui touche le domaine de l’automobile. Le développement de la technologie des véhicules électriques et hybrides nécessite la prise en compte de la problématique d’exposition aux ondes dès la phase même de la conception.Le travail présenté dans ce document s’intéresse principalement à l’exposition aux champs magnétiques basse fréquence (BF) marqués par les effets non thermiques de stimulation électriques. Dans cette gamme fréquentielle, les sources principales des risques d’exposition sont les modules de la chaîne de traction qui sont souvent situés à proximité des passagers. L’objectif principal de cette thèse est de virtualiser la mesure évaluant l’exposition aux champs magnétiques BF, jusqu’ici réalisée par un testeur de niveau d’exposition commercial, afin d’être capable de faire une levée de risque d’exposition, en amont, sans entraîner de surcoût au constructeur. Ceci est réalisé en virtualisant l’instrument de mesure.Nous consacrons d’abord notre étude à la compréhension de la mesure d’évaluation d’exposition et du fonctionnement du champmètre Narda ELT-400 utilisé chez notre constructeur automobile pour mesurer l’indice d’exposition. Ainsi, nous détaillons les différentes définitions et méthodes de calcul de l’indice d’exposition du public général aux champs magnétiques BF. Enfin, nous présentons des applications de l’utilisation du champmètre sur des cas de mesure en statique et en dynamique.La deuxième partie de l’étude traite de la construction du prototype virtuel permettant de modéliser la mesure d’indice d’exposition aux champs magnétiques BF réalisée par le champmètre Narda ELT-400. Pour ce faire, nous développons et optimisons dans un premier temps le modèle de la sonde triaxiale du champmètre sous FEKO permettant de positionner et d’orienter la sonde selon le choix de l’utilisateur. Ensuite le champ magnétique rayonné par la sonde virtuelle est traité pour obtenir une mesure virtuelle de l’induction magnétique détectée par la sonde et de l’indice d’exposition.La troisième partie est consacrée à la validation du modèle complet sur des cas réels de mesures effectuées sur des pinces manuelles de soudage par points en comparant les résultats du prototype virtuel à ceux mesurés. La validation du modèle est réalisée dans trois cas d’étude différents correspondant à des profils de champ différents, des fréquences différentes dans la gamme BF et à des formes de signal différentes.Dans la dernière partie de notre étude, une approche stochastique de simulation est proposée en appliquant la méthode de Monte-Carlo, basée sur un grand nombre de tirages aléatoires. Cette méthode permet d’étudier la dispersion des résultats due à l’imprécision plausible de positionnement et d’orientation commise par l’opérateur de la sonde. Cette méthode est appliquée à différentes distances de sources rayonnantes élémentaires. Les résultats principaux de cette partie portent sur le lien entre l’homogénéité du champ au point investigué et la variabilité de la mesure virtuelle autour de ce point suite à l’imprécision commise.

Exposure to electromagnetic fields is a major issue in society that affects the automotive domain. The development of electric and hybrid vehicles technology requires the consideration of the issue of exposure since the conception stage.The work presented in this paper is mainly concerned with exposure to low-frequency (LF) magnetic fields distinguished with non-thermal electric stimulation effects. In this frequency range, the main sources of exposure risks are the powertrain elements often located close to the passengers.The main objective of this thesis is to virtualize the measurement assessing exposure to LF magnetic fields, hitherto performed by a commercial exposure level tester, to be able to minimize exposure risks, a priori, without incurring additional costs to the manufacturer. This is realized by virtualizing the measuring instrument.We focus first on understanding the exposure evaluation measurement and on the operation of the ELT-400 Narda field meter used at our automobile manufacturer to measure the exposure index. Thus, we show the different definitions and methods of calculating exposure index of the general public to LF magnetic fields. Finally, we present applications of the use of the field meter on measuring cases in statistic and dynamic states.The second part of the study is consecrated to the construction of the virtual prototype to model the measurement of the exposure index to LF magnetic fields performed by Narda field meter ELT-400. To do this, first we develop and optimize the model of the field meter’s triaxial probe in FEKO to position and orient the probe as selected by the user. Then the magnetic field radiated by the virtual probe is processed to obtain a virtual measurement of the magnetic induction detected by the probe and of the exposure index.The third part of the study deals with the validation of the whole model on real cases of measurements done over manual spot welding clamps by comparing the virtual prototype results with those measured. The model validation is performed in three different case studies corresponding to different field profiles, different frequencies in LF domain and different forms of signal.In the last part of our study, a stochastic simulation approach is proposed by applying the Monte-Carlo Method based on a large number of random draws. This method allows studying the dispersion of results due to the plausible imprecise positioning and orientation committed by the operator of the probe. This method is applied at different distances from elementary radiating sources. The main results of this part focus on the link between the field homogeneity at the investigated point and the variability of the virtual measurement around this point due to the inaccuracy committed.