Ce travail de thèse s'intéresse à l'analyse et à l'évaluation de la pénétration des ondes électromagnétiques haute fréquence dans un système complexe surdimensionné, par l'approche dite Power Balance (PWB). La méthode développée dans ces travaux consiste à modéliser les interactions électromagnétiques du problème initial en appliquant les principes de la topologieélectromagnétique et lui adjoignant un formalisme basé sur des considérations énergétiques et macroscopiques de ces interactions. Dans un premier temps, on rappelle les fondements théoriques de la topologie électromagnétique, puis les principes de caractérisation de l'environnement électromagnétique dans une cavité surdimensionnée complexe par un modèle semi-probabiliste dérivé des techniques de chambres réverbérantes. En couplant ces 2 approches et en supposant les mécanismes de dissipation et/ ou de transfert d'énergie dans le système indépendants, on montre que les équations BLT de latopologie électromagnétique permettent de régir les interactions dans le système. Dans un second temps, des modèles PWB élémentaires de sections efficaces de couplage moyenne qui caractérisent ces mécanismes, comme les pertes par effet joule dans les matériaux, les couplages sur câbles ou les transferts par ouvertures, ont été développés et validés par desréférences bibliographiques ou par expérimentations. Finalement, l'approche PWB a été validée sur 3 exemples de systèmes de complexité croissante: une structure générique cylindrique, un équipement avionique et la zone centrale d'un avion rafale. Ainsi, la potentialité de la méthodologie PWB a été démontrée. / This work is dedicated to the analysis and assessment of high frequency coupling mechanisms in a complex oversized system, by the so called Power Balance method (PWB). The method, developed here, consists in modelling electromagnetic interactions of the initial problem by applying the fundamentals of the electromagnetic topology and by joining a characterization of interactions through energetic and macroscopic concepts. First, theoretical background of electromagnetic topology as well as principles to characterize electromagnetic environment in an oversized cavity by using mode stirring reverberation chamber techniques are recalled. By coupling these two approaches and by assuming that mechanisms of dissipation and/or transfer of energy in a system are independent from each other, we show how BLT equations of electromagnetic topology can be used to manage interactions in the system. In a second time, PWB elementary models of mean coupling cross sections which quantifythese mechanisms, as Joule losses in materials, coupling with cables, or energy transfer through apertures, have been developed and validated by comparison to bibliography or experimentation. Finally, the PWB approach has been validated with 3 examples of systems of increasing complexity: a generic cylindrical structure, embedded equipment and the central part of a Rafale aircraft. Therefore, the potentiality of the PWB methodology has been widely demonstrated

Les systèmes de communication à bord de certains navires ou véhicules terrestres peuvent être très nombreux. Il en résulte des architectures de systèmes rayonnants particulièrement élaborées. La compacité de ces systèmes et leur compatibilité radioélectrique représentent des enjeux importants. Dans le cadre du projet SAMCOM, les partenaires de projet s'attachent à exploiter l'avantage des parois porteuses en composite en termes d’intégration des antennes en paroi et de découplage électromagnétique entre éléments rayonnants. Cette thèse porte essentiellement sur deux volets. La première partie porte sur la question d'intégration des antennes en paroi. Il s'agit pour l'essentiel de s'assurer que les caractéristiques de fonctionnement intrinsèque de l'antenne associée à la paroi puissent être maintenues lorsque celle-ci est fixée sur une paroi composite. Le second volet de cette thèse concerne le découplage d'antennes associées à une même paroi composite. Il s'agit de rechercher les moyens qui permettraient d'augmenter les performances de découplage entre antennes et par conséquent de limiter l’espacement entre elles. Les solutions d'intégration examinées dans la thèse concernent la mise en oeuvre de matériaux de type ferrite, d’absorbants ou encore l’utilisation de surfaces haute impédance (SHI). Dans le premier cas, nous nous sommes attachés à optimiser la localisation de ferrites de sorte à minimiser leur volume pour des questions de coût et de poids. Les surface artificielles de type SHI ont été examinées et une procédure de dimensionnement adaptée à la paroi composite de la surface SHI a été élaborée. Nous abordons ensuite les solutions de découplage d'antennes hébergées sur une même paroi composite. La première solution de découplage étudiée concerne l'utilisation d'absorbants électromagnétiques. Nous montrons qu'il s'agit d'une solution très adaptée si nous disposons d’un absorbant dont le contraste d’impédance avec l’onde incidente est faible sur toute la bande de fréquence sous peine de subir les effets de bord. La deuxième solution envisagée concerne les surfaces à bande interdite électromagnétique (BIE). Nous montrons en particulier qu’une surface de type BIE peut présenter d’excellentes performances de découplage si toutefois cette surface est adaptée suivant sa hauteur. Une partie importante de ce travail a été consacrée à l'évaluation de solutions de découplages originales basées sur l'emploi d'une simple tige conductrice cylindrique puis d'un ensemble de tiges cylindriques. Nous montrons en particulier qu'une simple tige peut apporter un découplage significatif en bande étroite tandis qu'une forêt de tige contribue à assurer un découplage sur une plus large bande de fréquence. / Communication systems on board modern military ships or land vehicles can be numerous. This results in particularly developed radiating systems. The compacity of these systems and radio compatibility are major challenges. Under the Samcom project, the project partners are working to exploit the advantage of composite structural walls in terms of integration of antennas wall and electromagnetic decoupling between radiating elements. This thesis focuses on two parts. The first part consists in the study of integration of antennas on wall made up of composite materials. This is essentially to ensure that the operating characteristics of the antenna associated with the supporting structure can be maintained when it is fixed to a composite wall. The second part of this thesis is related to antenna decoupling mounted on the same ground plane. The aim is to find techniques to reduce antenna coupling and thus the separation between them. Integration solutions examined in the thesis concern the implementation of ferrite materials, absorbent and high impedance surfaces. In the first case, we attempted to optimize the location of ferrites so as to minimize their volume, thus saving cost and weight. Artificial higher impedance surface (HIS) have been examined and a design procedure adapted to the wall of the composite of the SHI surface has been developed. We then discuss on the solutions of antenna decoupling on a composite wall. The first decoupling solution investigated concerns the use of electromagnetic absorbers. We show that this is a very suitable solution if we have an absorbent whose impedance contrasts with that of the incidence wave is weak on full band frequency under penalty of sides effects. The second option concerns the surfaces electromagnetic bandgap. To ensure adequate decoupling performance, BIE surface must be adjusted in height. An important part of this work is dedicated to the assessment of some innovative decoupling solutions based on the use of a single cylindrical conducting rod. Indeed, we show on the one hand a single rod can lead to significant decoupling in a narrow band while on the other hand, a set of cylindrical rods contribute to ensure a rather broadband decoupling.

Ce document comporte la synthèse du parcours scientifique de Philippe Besnier depuis l'obtention de la thèse de doctorat en 1993. Les travaux concernent pour l'essentiel la compatibilité électromagnétiques des systèmes électroniques. ICette recherche recouvre les tentatives de modélisation de ces phénomènes, et de reproduction de ces phénomènes sur le plans expérimental. Une partie de nos travaux a également consisté à étudié la transposition de certaines techniques pour l'application mesure d'antennes. Le chapitre 1 introduit le document. Le chapitre 2 comporte les éléments essentiels de ce parcours et la liste des travaux réalisés. Le chapitre 3 est une synthèse des activités de recherches conduites et des principaux résultats scientifiques obtenus. Enfin, le chapitre 4 présente une perspective de recherche pour les années futures.

La méthode de levé géophysique à impulsion électromagnétique dans le domaine du temps (TDEM - Time-domain Electromagnetics) est couramment utilisée afin de détecter et caractériser la résistivité des couches du sol en fonction de la profondeur. Deux types de systèmes sont fréquemment utilisés dans le cadre de prospection et exploration minérale, soit les systèmes de surface et les systèmes aéroportés, ayant des caractéristiques et objectifs différents. Afin de caractériser les couches peu profondes et d’obtenir une résolution spatiale supérieure, il est préférable d’utiliser des systèmes de surface. Dans le cadre de cette thèse, un système émetteur – récepteur à géométrie fixe porté par deux opérateurs est développé et utilisé afin de déterminer les caractéristiques électriques de cibles naturelles et de cibles culturelles (dues à l’activité humaine). Ce système propose l’avantage d’avoir une résolution spatiale très élevée puisqu’il est opéré près du sol, cependant les vibrations et changements d'orientation causés par son déplacement créent des faibles déformations au niveau de la géométrie émetteur – récepteur qui influencent la qualité des données acquises. Il est possible de remédier à ce problème en modifiant la structure du système ou en caractérisant les vibrations à l’aide de capteurs supplémentaires installés sur la plateforme. Une méthode de traitement du signal numérique comportant un filtre adaptatif est décrite dans cette thèse et est utilisée afin de corriger les signaux lors de prises de mesures sur le terrain. Les recherches ont démontré qu’il est possible d’améliorer la qualité des données de levés avec la méthode de traitement numérique présentée. The time-domain electromagnetics (TDEM) geophysical survey method is frequently used in order to characterize the resistivity of the layers of the ground as a function of depth. In the case of mineral exploration and prospection, TDEM systems are most often operated either on the surface or airborne. Both methods have different characteristics and objectives. In order to characterize the subsurface layers and to have a high spatial resolution, it is better to use systems operated on the surface. In this thesis, a fixed geometry emitter – receiver system carried by two operators is developed and used in order to determine the electrical characteristics of natural targets and cultural targets (caused by human activity). This system has a very high spatial resolution since it is operated close to the ground, however, vibrations and changes in its orientation that are due to its operation create subtle deformations in the emitter – receiver geometry, which in turn influence the quality of the data acquired during the survey. It is possible to address this problem by modifying the structure of the supporting platform, or by characterizing the vibrations using different measuring instruments installed on the platform. A digital signal processing method using an adaptive filter is described in this thesis and is used in order to correct the signal acquired on a survey. The research has showed that it is possible to improve the survey data quality using the digital signal processing method presented.

La méthode de levé géophysique à impulsion électromagnétique dans le domaine du temps (TDEM - Time-domain Electromagnetics) est couramment utilisée afin de détecter et caractériser la résistivité des couches du sol en fonction de la profondeur. Deux types de systèmes sont fréquemment utilisés dans le cadre de prospection et exploration minérale, soit les systèmes de surface et les systèmes aéroportés, ayant des caractéristiques et objectifs différents. Afin de caractériser les couches peu profondes et d’obtenir une résolution spatiale supérieure, il est préférable d’utiliser des systèmes de surface. Dans le cadre de cette thèse, un système émetteur – récepteur à géométrie fixe porté par deux opérateurs est développé et utilisé afin de déterminer les caractéristiques électriques de cibles naturelles et de cibles culturelles (dues à l’activité humaine). Ce système propose l’avantage d’avoir une résolution spatiale très élevée puisqu’il est opéré près du sol, cependant les vibrations et changements d'orientation causés par son déplacement créent des faibles déformations au niveau de la géométrie émetteur – récepteur qui influencent la qualité des données acquises. Il est possible de remédier à ce problème en modifiant la structure du système ou en caractérisant les vibrations à l’aide de capteurs supplémentaires installés sur la plateforme. Une méthode de traitement du signal numérique comportant un filtre adaptatif est décrite dans cette thèse et est utilisée afin de corriger les signaux lors de prises de mesures sur le terrain. Les recherches ont démontré qu’il est possible d’améliorer la qualité des données de levés avec la méthode de traitement numérique présentée. The time-domain electromagnetics (TDEM) geophysical survey method is frequently used in order to characterize the resistivity of the layers of the ground as a function of depth. In the case of mineral exploration and prospection, TDEM systems are most often operated either on the surface or airborne. Both methods have different characteristics and objectives. In order to characterize the subsurface layers and to have a high spatial resolution, it is better to use systems operated on the surface. In this thesis, a fixed geometry emitter – receiver system carried by two operators is developed and used in order to determine the electrical characteristics of natural targets and cultural targets (caused by human activity). This system has a very high spatial resolution since it is operated close to the ground, however, vibrations and changes in its orientation that are due to its operation create subtle deformations in the emitter – receiver geometry, which in turn influence the quality of the data acquired during the survey. It is possible to address this problem by modifying the structure of the supporting platform, or by characterizing the vibrations using different measuring instruments installed on the platform. A digital signal processing method using an adaptive filter is described in this thesis and is used in order to correct the signal acquired on a survey. The research has showed that it is possible to improve the survey data quality using the digital signal processing method presented.

La présence d’harmoniques de forces électromagnétiques dans les machines électriques est généralement source de bruit acoustique et de vibrations (B&V). Ce phénomène doit être considéré dès les premières phases de conception pour respecter les normes en matière de B&V, en particulier dans le secteur automobile. Le niveau de B&V s’obtient à partir d’une simulation multi-physique basée sur des modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques, de préférence rapides et précis de manière à l’inclure le plus tôt possible dans la phase de conception. Cette thèse CIFRE est partie intégrante du programme de recherche interne de la société EOMYS ENGINEERING, qui développe et commercialise son logiciel MANATEE dédié à la simulation électromagnétique et vibroacoustique des machines électriques. Dans ce contexte de modélisation, cette thèse porte sur la méthode électromagnétique semi-analytique des sous-domaines pour le calcul des harmoniques de forces 2D dans l’entrefer d’une large variété de machines électriques, et se concentre particulièrement sur la Machine Synchrone à Aimant Permanents en Surface (MSAPS) et la machine asynchrone à cage d’écureuil. La thèse s’intéresse également à deux verrous scientifiques concernant la contribution des forces tangentielles au niveau de vibration global, et l’effet de modulation des dents qui apparaît dans les machines avec un nombre proche d’encoches et de pôles. A cet effet, un banc d’essai comprenant une machine bruyante particulière (une MSAPS avec 12 encoches et 10 pôles) et l’instrumentation nécessaire a été conçu et réalisé. Le banc d’essai vise enfin à comparer les différents modèles utilisés couramment dans les simulations B&V / The presence of magnetic stress harmonics inside the electrical machine is generally responsible for vibrations and acoustic noise generation. This phenomenon is called e-NVH (Noise, Vibrations and Harshness due to electromagnetic excitations) and has to be considered in the machine design to meet with NVH standard requirements, especially in automotive applications. The e-NVH assertion requires a multiphysics simulation including electromagnetic, mechanical and acoustic models, which must be fast and accurate especially for early design stages. This industrial PhD thesis takes part of the internal research program of EOMYS ENGINEERING company, which develops and commercializes MANATEE software, dedicated to the e-NVH simulation of electrical machines. In this modeling context, the present thesis investigates and extends the semi-analytical electromagnetic model, called Subdomain Method (SDM), for the computation of two-dimensional airgap magnetic stress harmonics in various topologies of electrical machines, mainly focusing on Surface Permanent Magnet Synchronous Machines (SPMSMs) and Squirrel Cage Induction Machines (SCIMs). The thesis also investigates two scientific open questions concerning the contribution of circumferential excitations to the overall vibration level and the slotting modulation effect, which appears in electrical machines with a close number of poles and teeth. For this purpose, an experimental test rig including a particular noisy machine (a SPMSM with 12 slots and 10 poles) and appropriate sensors has been designed and built. The test rig also aims at benchmarking the different multiphysics models currently used in e-NVH simulation workflow

De nos jours, les systèmes de communication sans fil et d'imagerie sont devenus indispensables. Ces applications, tant civiles que militaires, doivent avoir une sûreté de fonctionnement éprouvée, et ce dans tous les domaines dont celui de la compatibilité électromagnétique. Pourtant les circuits électroniques complexes au coeur de ces systèmes voient leur seuil de susceptibilité électromagnétique diminuer. Cette diminution est causée premièrement par une augmentation de la fréquence de fonctionnement des circuits et deuxièmement par la réduction de leurs tensions d'alimentation. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour but de mettre en avant les effets d'agressions électromagnétiques sur un système électronique hyperfréquence complexe en suivant une méthode de test. Le principe consiste à étudier chaque circuit du système indépendamment les uns des autres. Ces différents circuits sont ensuite associés pour former une boucle à verrouillage de phase (PLL). La susceptibilité du système global est alors étudiée. Pour ces études de susceptibilité, nous utilisons un banc de caractérisation électromagnétique en zone de champ proche. Les sondes à base de câbles coaxiaux sont caractérisées. Nous avons d'abord étudié l'effet d'un signal d'agression hyperfréquence sur le comportement d'une diode Schottky. Nous avons mis en évidence sur le système diode – ligne, des phénomènes de résonance sur les pistes du circuit imprimé. L'ensemble de cette étude nous sert d'approche préliminaire pour l'analyse de la susceptibilité de la boucle à verrouillage de phase. En suivant la méthodologie décrite précédemment nous avons pu montrer plusieurs effets d'agressions électromagnétiques sur des circuits électroniques actifs du type oscillateur, amplificateur et comparateur de phase. L'élaboration d'une hiérarchie de ces effets a permis de déterminer la contribution de chacun de ces circuits sur la susceptibilité électromagnétique du système PLL.

Ce projet consiste en la compréhension et la reproduction de systèmes électrodynamiques, ou plus spécifiquement électromagnétiques, pouvant potentiellement offrir un coefficient de performance supérieur à 1. Le système plus spécifiquement étudié ici est le MEG (Motionless Electromagnetic Generator).Ce dernier est étudié et analysé en détail dans le but de comprendre et d'expliquer son fonctionnement. Cette analyse consiste principalement en l'identification et l'explication des principaux phénomènes, théories et effets impliqués dans le fonctionnement du MEG. Celle-ci comprend également une analyse d'un prototype construit selon les spécifications de l'inventeur original. Une caractérisation des modèles théoriques et d'un modèle physique ont été faite afin de pousser l'analyse et de pouvoir comparer les résultats attendus, basé sur les théories électrodynamiques traditionnelles, et les résultats réels. Tel que présenté dans le titre, la reproduction du MEG n'a pas donnée les résultats prévus par les concepteurs. Plusieurs explications sont proposées afin d'expliquer pourquoi il en est ainsi.

La détermination des propriétés des matériaux soumis à des chocs est un enjeu essentiel dans de nombreux domaines industriels. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode fondée sur l’interrogation en bande millimétrique d’un solide soumis à un choc. Deux paramètres doivent être mesurés simultanément, la vitesse du choc et la vitesse matérielle associée afin de pouvoir construire la polaire de choc du matériau d’étude. Dans un premier temps, un état de l’art des techniques de mesure existantes est réalisé pour cibler les performances et limites de l’existant. Dans un second temps, on s’intéresse à la modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux à plusieurs interfaces en mouvement et avec un gradient d’indice pour représenter des cas de choc soutenu et non soutenu. Enfin, des campagnes expérimentales d’impact plan sont présentées sur différents matériaux, inertes et explosifs, pour confronter la théorie développée aux résultats de mesure. Pour le cas des chocs soutenus, les résultats sont en très bon accord et permettent de valider le modèle. Le cas des chocs non soutenus est plus complexe. Une approche par réseau de neurones est envisagée pour permettre de remonter aux vitesses et aux indices de réfraction. Enfin, des mesures de la permittivité complexe de nombreux explosifs sont présentées.

Les broches d’Usinage à Grandes Vitesses sont des systèmes mécaniques très précis au comportement dynamique complexe et sensible. La moindre instabilité lors de l’usinage peut générer des défauts sur les pièces et réduire considérablement la durée de vie de la broche. Afin de prédire et mieux comprendre le comportement dynamique de telles broches, notamment vis-à-vis des conditions d’exploitations (vitesses de rotation, température, usure, …) un modèle numérique basé sur une approche phénoménologique est proposé. Dans un premier temps le comportement axial du système de roulements préchargés est considéré. L’équilibre axial est résolu de manière itérative en calculant les raideurs des roulements à partir d’un modèle analytique tenant compte notamment des effets dynamiques sur les billes. Ce modèle axial est recalé grâce à des mesures expérimentales de chargement axial de broche et permet l’obtention des matrices de raideurs des roulements ainsi que des valeurs des efforts et des raideurs de précharge de la broche étudiée. Un modèle de comportement dynamique global est alors développé. Un excitateur électromagnétique permettant d’appliquer une excitation dynamique sur la broche en rotation est utilisé pour rendre possible l’identification des paramètres du modèle. Celui-ci est enrichi pour modéliser au mieux le comportement observé expérimentalement. Le modèle numérique est alors utilisé pour étudier l’influence des conditions d’exploitations sur le comportement dynamique de la broche et sur sa stabilité en usinage. / High Speed Machining spindles are very efficient systems with a complex and sensitive dynamic behavior. Stability issues during machining can lead to bad quality of machined parts and also can reduce spindle lifetime. During this thesis, a numerical model has been developed to predict such instabilities. It also aims to improve the understanding of the spindle behavior and its variations with operating conditions (spindle speed, temperature, wear …). A phenomenological approach has been chosen for the model. At first, the axial behavior of the preloaded bearing system is considered. The axial equilibrium is resolved iteratively. The bearing stiffness are obtained from an analytical model that considers dynamic effects on bearing balls. The model updating performed on this axial model with a specific experiment lead to the complete bearing stiffness matrices and to preload parameters values. A radial model of the dynamic behavior of the spindle is then developed. An electromagnetic excitation device is used to measure the dynamic behavior of the spindle while rotating. The model parameters are identified from this experiment and some enrichment are proposed to improve the simulations results. Simulations are finally performed to study the influence of the operating conditions on the dynamic behavior of the spindle and also on its stability.