Fabrication, caractérisation et application des capteurs de courant sans contact à base de matériaux magnétoélectriques composites.

Fabrication, characterization and applications of contactless current sensors based on magnetoelectric composites

• Auteur / Autrice : Raphaël Filâtre
• Direction : Frederic Mazaleyrat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MME - Matériaux Magnétiques pour l'Energie
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)

Mots clés

Mots clés libres

Magnétoélectrique

Capteur de courant

Bande passante

Electrodéposition

Modélisation

Magnetoelectric

Current sensor

Bandwith

Electrodeposition

Model

Résumé

Depuis le début des années 2000 il y a une forte activité de recherches autour des matériaux magnétoélectriques car ils permettent de nombreuses applications innovantes. L'effet magnétoélectrique directe dans un matériau est défini par la modification de sa polarisation électrique grâce à l'application d'un champ magnétique. Étant donné que peu de matériaux présentent ce phénomène, nous nous focaliseront ici sur les matériaux magnétoélectriques composites obtenus par associations de matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs optimisés et mécaniquement couplés entre eux. Dans ces composites, les couplages magnétoélectriques sont forts, ce qui permet des applications de ces matériaux dans le domaine de l'électronique et de l'électrotechnique. En particulier, il est possible de concevoir des capteurs passifs de champ magnétique (et par conséquent des capteurs passif de courant) où le matériau converti directement le champ magnétique en une tension électrique image de ce champ. Les travaux déjà menés au SATIE ont permis d'optimiser ces composites magnétoélectriques, et nous avons fabriqué quelques prototypes comme preuve de concept. Dans cette thèse nous souhaitons concevoir et fabriquer des capteurs de courant à base de composites magnétoélectriques pour les insérer dans des dispositifs électrotechniques réels (moteurs électriques pour la traction automobile, convertisseurs statiques, etc…). Cependant, de nombreux défis sont encore à relever en termes d'optimisation de ces capteurs pour pouvoir les implanter dans des dispositifs réels. En premier lieu, il sera nécessaire d'élargir leur bande passante en développant une électronique innovante, et en miniaturisant aussi bien le composite magnétoélectrique que le circuit électronique associé. Ceci va demander de repenser les techniques de fabrication utilisées jusqu'à maintenant au SATIE pour permettre cette miniaturisation du composite. Il sera aussi nécessaire de tester de nouvelle association de matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs compatibles avec ces nouvelles techniques de fabrication. Un autre point bloquant est la sensibilité des capteurs magnétoélectriques aux perturbations électriques rayonnées par les dispositifs électrotechniques. Un travail devra donc être mené en conséquence pour concevoir de nouvelles architectures de capteur et les tester dans une chambre anéchoïque permettant ainsi une étude fine de CEM (compatibilité électromagnétique). Au final ces capteurs optimisés seront testés sur des machines réelles telles les machines synchrones où la qualité de mesure de courant (calage en phase) est primordiale pour permettre l'autopilotage de la machine.

Since the early 2000s, there is a strong research activity on magneto electric materials because they paves the way of new applications. The direct magnetoelectric effect in a material is define by the electrical polarisation change thanks to a magnetic field applied. Since few materials intrinsically have this phenomenon, the focus in the study will be on magnetoelectric composites obtained by an association of coupled optimized piezoelectric and magnetostrictive materials. In these composites, the magnetoelectric coupling is strong, which allow applications in electronics and electrotechnics. In particular, it is possible to conceive passive current sensors in which the material converts the magnetic field into a voltage image of this field. The research conducted in SATIE allowed an optimization of these composites, and some prototypes were designed as proof of concept. In this thesis, the purpose is to conceive sensor current based on magnetoelectric composites to use them into a real environment (electrical motor for vehicles, static converters, etc. ) However, some challenges remain to overcome in optimization of these sensors to use them into real dispositive. Firstly, it will be necessary to increase their bandwidth by developing innovative electronics by miniaturizing the magnetoelectric composite and the electrical circuit. This requires to rethink the designing methods used in SATIE to allow this miniaturisation and to test new association of magnetoelectric composites compatible with these methods. Secondly, the magnetoelectric sensors are sensitive to electrical radiated disturbance emitted by electrotechnic devices. Thus, a research should be conducted to design new sensors structures and then testing them into an anechoic chamber. Finally, these optimized sensors will be tested in real environment such as in synchronous motors, where the current measure quality is primordial to allow the self-piloting of the machine.