Submitted to the Department of Electrical Engineering in Fulfilment of the Requirements for the Magister Technologiae in Electrical Engineering at the CAPE PENINSULA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY SUPERVISOR: E. VOSS NOVEMBER 2013 / Radial and peripheral displacement of stator teeth in electrical machines is known to be the cause of undesired vibration which leads to noise. This thesis serves to investigate the possibility of physically measuring the radial displacement of stator teeth caused by electromagnetic forces which, to the author’s knowledge, has not yet been achieved. A simplified practical approach is adopted in order to address the inherent difficulties attached to this problem, and the measurement of displacement is done by means of an experimental rig where a tooth is subjected to magnetic force acting over an air gap. Three experiments are carried out, each comprising ten tests, the results of which are compared in order to gain some idea as to the magnitudes of displacement which can be expected over a range of applied air gap flux densities. The aim of this work is to observe the displacement response of magnetised EM core material when acted upon by forces, and to see if the measured results agree with the elastic displacement predicted by a wellknown formula. It will be shown that although the measured results are in the same range as the predicted results, there is a deviation from the predicted linearity due to certain characteristics of the force rig, which are explained. The chosen measurement method is capacitive displacement and is shown to be a viable alternative to the more commonly used search coils and vibrometers in past literatures, especially when measuring displacements on the nano-scale. In addition, this study shows the importance of using 3D finite element software to simulate the electromagnetic model when saturation is present in the core of the test specimen. The important findings of this work are discussed in detail, and some ideas put forward, in an attempt to establish a starting point for future related work in the measurement of electromagnetic forceinduced displacement of stator teeth in electrical machines.

Genom ett undersökande experiment med elektromagnetisk sidokanalattack mot en knappsats för ett kommersiellt passersystem påvisas att informationsläckage i sidokanaler är ett fortsatt aktuellt problem och hur det gör fysisk åtkomstkontroll sårbart genom avlyssning och kopiering av användaruppgifter. Med enkel radioutrustning kan knapptryckningar registreras och avkodas genom oönskad elektromagnetisk strålning och teoretiskt är det möjligt att genomföra avlyssningen på en längre distans med särskilt utformad antenn och anpassad mottagare. Rapporten diskuterar problematiken med emission security hos konsumentprodukter som i militära sammanhang benämns Tempest eller RÖS (röjande signaler) och kräver kostsamma tester för att detekteras och hanteras. I regelverk för EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) behandlas elektriska apparaters och näts utstrålning och påverkan av elektromagnetiska vågor, men inte direkt hur information kan läcka från informationsteknologisk utrustning vilket denna rapport vill problematisera. / Through an exploratory experiment using electromagnetic side-channel attack against a keypad for a commercial entry system it is demonstrated that information leakage through side-channels are an ongoing issue and may make entry systems vulnerable by recording of user data. Using simple radio equipment, keypresses can be recorded and decoded by undesired electromagnetic radiation and theoretically it is possible to carry out the attack on a longer distance with a specially designed antenna and a custom recieiver. The report discusses emission security in consumer products which in military context is termed Tempest or compromising emanations (Swedish: RÖS) and requires expensive tests to be detected and handled. The EMC regulations (electromagnetic compatibility) handles radiation and influence of electromagnetic waves in electronic apparatus and nets, but not directly how information can leak from information technology equipment which this report wants to problematize.

Le développement de la technologie des semi-conducteurs dans les trente dernières années a augmenté le nombre des nouvelles applications dans lesquelles les dispositifs d’électronique de puissance sont utilisés. L'augmentation de la rapidité de commutation des transistors a permis que la conversion de puissance se produise de façon de plus en plus performante. Cet avantage apporte un nouveau challenge dans la phase de conception, lié à la Compatibilité Électromagnétique. En effet, les impulsions rapides de tension et courant dans les convertisseurs de puissance sont une source d’émissions électromagnétiques conduites indésirables. Des méthodologies de modélisation précises, qui prennent en compte une grande partie des effets parasites, ont été développées pour évaluer le niveau de ces émissions conduites. Lorsque ces méthodologies sont confrontées aux mesures, les résultats sont en concordance dans une large gamme de fréquence, elles peuvent donc être considérées comme des outils fiables de pronostic. Néanmoins, la plupart des paramètres du modèle d’un système électronique ne peuvent pas réellement être déterminés précisément : les conditions d’opération sont souvent mal connues (variations de température ou d'humidité) ; les paramètres caractéristiques des composants présentent une certaine dispersion de production ; des interférences externes sont imprévisibles. Dans ce contexte, il est intéressant de développer des méthodologies de modélisation qui soient capables de prendre en compte des incertitudes paramétriques. Dans cette thèse, deux méthodologies d’analyse d’incertitudes, adaptées aux convertisseurs de puissance, sont proposées. Les incertitudes paramétriques sont modélisées en utilisant des fonctions de densité de probabilité et l’objectif de l’analyse proposée est de déterminer les moments statistiques, la fonction de densité de probabilité ou la limite supérieure probabiliste des émissions conduites d’un convertisseur de puissance quelconque. Des techniques pour aborder les difficultés liées aux non-linéarités, au temps de simulation important et au nombre élevé de dimensions sont discutées. Les méthodologies proposées sont appliquées à des problèmes test et à des problèmes réels, et les résultats sont comparés aux méthodologies classiques. La précision des résultats des méthodologies proposées est similaire aux techniques classiques, mais le temps de calcul est considérablement réduit. Finalement, ce travail ouvre des possibilités de développements nouveaux pour l’analyse des incertitudes des systèmes non-linéaires et à grande échelle. / The development of semiconductor technology in the last decades has boosted numerous new applications in which power electronic devices have been employed. The fast switching of transistors has allowed power conversion to be performed with high efficiency. However, this improvement brought a new challenge in design: the Electromagnetic Compatibility. Both fast pulses of voltage and current, inside power converters, are a source of unwanted conducted electromagnetic emissions. High accurate modeling methodologies, which takes into account most of the parasitic phenomena, have been developed, in order to compute the level of conducted emissions of electronic devices. When these methods are confronted with measurement, they show good agreement in a large frequency range, and thus they are considered a trustful prediction tool for electronic systems design. Nevertheless, most of the parameters of the model of any electronic system, in reality, cannot be determined precisely, due to unknown operation conditions (i.e.: temperature or humidity variations), production dispersion of the components or unpredictable external interference. In this context, it is of great interest to develop modeling methodologies that are able to take into account parametric uncertainties. In this thesis, two methodologies for uncertainty analysis of power converters are proposed. In the first, namely Polynomials per Frequency, the parametric uncertainty is modeled using probability density functions and the objective of the proposed analysis is to determine the statistical moments, the probability density function or a probabilistic upper bound for the conducted emissions of an arbitrary power converter. In the second methodology, namely Adaptive Unscented Transform, techniques to tackle the difficulties of nonlinearity, long simulation time and high-dimensionality are discussed. The proposed methodologies are applied to benchmark and real-world problems and the results are confronted to classical approaches. The accuracy of the gotten results is similar to those obtained by classical methods, although the required computational time is significantly reduced. Finally, this work leaves many possibilities for further development in the field of uncertainty analysis of nonlinear and highdimensional systems. / O desenvolvimento da tecnologia de semicondutores nas últimas décadas proporcionou um aumento no número de novas aplicações, nas quais dispositivos de eletrônica de potência são empregados. A rápida comutação dos transistores permitiu que a conversão de potência seja realizada com alta eficiência. Entretanto, esse benefício trouxe um novo desafio na fase de projeto: a Compatibilidade Eletromagnética. Os rápidos pulsos de tensão e corrente dentro dos conversores de potência são uma fonte indesejada de emissões eletromagnéticas conduzidas. Metodologias de modelagem de alta precisão, que consideram grande parte dos efeitos parasitas, foram desenvolvidas para avaliar o nível de emissões conduzidas de dispositivos eletrônicos. Estas metodologias, quando comparadas às medições, apresentam boa concordância numa ampla faixa de frequência, e portanto elas são consideradas ferramentas de previsão confiáveis para projeto de sistemas eletrônicos. Não obstante, a maioria dos parâmetros do modelo de um sistema eletrônico, na realidade, não podem ser determinados precisamente, devido às condições de operação incertas (por exemplo, variação de temperatura ou umidade), à dispersão de produção dos componentes ou à interferência externa imprevisível. Neste contexto, existe um grande interesse em desenvolver metodologias de modelagem que sejam capazes de levar em consideração incertezas paramétricas. Nesta tese, duas metodologias de análise de incertezas para conversores de potência são propostas. Na primeira, denominada Polinômios por Frequência, as incertezas paramétricas são modeladas usando funções densidade de probabilidade e o objetivo da análise proposta é determinar os momentos estatísticos, a função densidade de probabilidade ou o limite superior probabilístico das emissões conduzidas de um conversor de potência arbitrário. Na segunda, denominada Transformada de Incerteza Adaptativa, técnicas para abordar as dificuldades de nãolinearidade, tempo de simulação longo e alto número de dimensões são discutidas. As metodologias propostas são aplicadas em problemas teste e problemas do mundo real e os resultados são confrontados com metodologias clássicas. A precisão dos resultados das metodologias propostas é similar às técnicas clássicas, embora o tempo computacional necessário é significantemente reduzido. Finalmente, este trabalho deixa em aberto várias possibilidades para desenvolvimento adicional no campo da análise de incertezas de sistemas não-lineares e de alta-dimensão. / Развитие полупроводниковых технологий в последние десятилетия привело к росту числа новых приложений, в которых использовались силовые электронные устройства. Быстрое переключение транзисторов позволило силовой конверсии осуществляться с большей эффективностью. Однако это улучшение привело к новым сложностям в дизайне: Электромагнитная совместимость. Быстрое напряжение и токовые импульсы в силовых преобразователях являются источником нежелательного электромагнитного излучения. Высокоточные моделирующие методы, которые ведут учет большинства этих паразитарных явлений, были развиты для вычисления уровня управляемых излучений электронных устройств. Когда эти методы сопоставляются с измерениями, они показывают хорошее согласование в широком диапазоне частот, и, следовательно, они считаются надежным инструментом выявления для проектирования электронных систем. Тем не менее, большинство параметров модели любой электронной системы, в действительности, не могут быть точно определены при неизвестных условиях эксплуатации (т.е. температуры или влажности), производстве дисперсиикомпонентов или непредсказуемых внешних помехах. В этом контексте, это представляет большой интерес для разработки методов моделирования, которые способны учитывать параметрическую неопределенность. В этой диссертации предложены два метода анализа неопределенности силовых преобразователей. Параметрическая неопределенность моделируется с помощью функции плотности вероятности и цель предлагаемого анализа заключается в определении статистических моментов, функции плотности вероятности или вероятностной верхней границы кондуктивного излучения произвольного преобразователя питания. Техники по преодолению трудностей нелинейности, долгого времени симуляции и высокой размерности рассмотрены. Предлагаемые методики применяются для проверки и решения реальных проблем и результаты сравнимы с классическими подходами. Точность результатов похожа на классические методы, хотя время, требуемое для вычисления, существенно снижается. Наконец, эта работа оставляет много возможностей для дальнейшего развития в области неопределенности анализа нелинейных, многомерных систем.

Ce travail de thèse a pour objectif principal d'améliorer la sensibilité d'un micro-récepteur RMN implantable, utilisé dans le cadre de la micro-spectroscopie localisée in vivo. Dans la première partie de cette thèse, nous avons réexaminé la fabrication et modélisation de ce micro-récepteur par rapport à sa sensibilité. Parmi les deux procédés de fabrication proposés (électrodéposition du micro-récepteur avec un underpass sur un substrat de silicium et de verre), nous avons retenu celui-qui nous a permis d'obtenir les meilleures performances en termes de facteur de qualité. Les prototypes fabriqués avec ce procédé ont été caractérisés à l'aide d'un modèle que nous avons développé, basé sur une équation à coefficients polynomiaux. Ceux-ci ont été établis à partir de la simulation du layout du capteur et ont été réajustés en fonction des mesures. Ce modèle polynomial nous a conduits à un circuit équivalent du micro-récepteur, permettant d'approfondir l'étude de son comportement électrique en radio fréquences. La deuxième partie de ce travail est développée autour de l'association d'un amplificateur faible bruit (LNA) au plus près du micro-récepteur, afin d'améliorer sa sensibilité. Nous avons analysé l'état de l'art de l'amplification de micro-bobines RMN ainsi que l'interaction électromagnétique entre un circuit intégré et l'environnement RMN. En partant de cette analyse et des contraintes à remplir par le circuit d'adaptation (en termes de transmission de puissance, gain en tension et adaptation faible bruit), nous avons proposé un circuit d'amplification locale permettant d'améliorer la sensibilité du capteur. Nous avons validée notre démarche par simulation (avec notre micro-récepteur) et nous avons vérifié l'intérêt de celle-ci en RMN (avec une bobine de surface). Les résultats de ce travail nous ont permis d'établir des solutions concrètes pour atteindre la sensibilité nécessaire à nos applications / The aim of this thesis is to improve the sensitivity of an implantable micro NMR sensor, dedicated to the in vivo local micro-spectroscopy. In the first part of this thesis, we re-examined the design and modeling of this micro-sensor according to its sensitivity. We proposed two micromachining processes (electrodeposition of the micro-sensor with an underpass on a silicon and glass substrate) and we kept the one allowing the higher quality factor. The prototypes made with the chosen process were characterized thanks to a model that we developed, based in an equation with polynomial coefficients. These coefficients were determined from the layout of the sensor and were adapted to match the measurements. From this polynomial model, we proposed an equivalent circuit of the micro-sensor to have a better knowledge of its electrical behavior at high frequencies. The second part of this work is about the closer association of a low noise amplifier (LNA) with the micro-sensor to improve its sensitivity. We analyzed the state of art on the amplification of NMR micro-coils and the electromagnetic interaction between the integrated circuits ant the NMR environment. From this analysis and the conditions of the matching network (power transmission, voltage gain and low noise matching), we proposed a local amplification circuit achieving the sensitivity improvement of the sensor. This approach was validated by simulation (with our micro-sensor) and verified in an NMR system (with a surface coil). The results of this work allow us to set practical solutions to reach the required sensitivity of our applications

De nos jours, la plupart des analyses CEM d’équipements et systèmes électroniques sont basées sur des approches quasi-déterministes dans lesquelles les paramètres internes et externes des modèles sont supposés parfaitement connus et où les incertitudes les affectant sont prises en compte sur les réponses par le biais de marges de sécurité importantes. Or, l’inconvénient de telles approches est qu’elles sont non seulement trop conservatives, mais en outre totalement inadaptées à certaines situations, notamment lorsque l’objectif de l’étude impose de prendre en compte le caractère aléatoire de ces paramètres via des modélisations stochastiques appropriées de type variables, processus ou champs aléatoires. Cette approche probabiliste a fait l’objet ces dernières années d’un certain nombre de recherches en CEM, tant au plan national qu’au plan international. Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à ces recherches et a un double objectif : (1) développer et mettre en œuvre une méthodologie probabiliste et ses outils numériques d’accompagnement pour l’évaluation de la fiabilité et l’analyse sensibilité des équipements et systèmes électroniques en se limitant à des modélisations stochastiques par variables aléatoires ; (2) étendre cette étude au cas des modélisations stochastiques par processus et champs aléatoires dans le cadre d’une analyse prospective basée sur la résolution de l’équation aux dérivées partielles des télégraphistes à coefficients aléatoires.L’approche probabiliste mentionnée au point (1) consiste à évaluer la probabilité de défaillance d’un équipement ou d’un système électronique vis-à-vis d’un critère de défaillance donné et à déterminer l’importance relative de chacun des paramètres aléatoires en présence. Les différentes méthodes retenues à cette fin sont des adaptations à la CEM de méthodes développées dans le domaine de la mécanique aléatoire pour les études de propagation d’incertitudes. Pour le calcul des probabilités de défaillance, deux grandes catégories de méthodes sont proposées : celles basées sur une approximation de la fonction d’état-limite relative au critère de défaillance et les méthodes de Monte-Carlo basées sur la simulation numérique des variables aléatoires du modèle et l’estimation statistique des probabilités cibles. Pour l’analyse de sensibilité, une approche locale et une approche globale sont retenues. Ces différentes méthodes sont d’abord testées sur des applications académiques afin de mettre en lumière leur intérêt dans le domaine de la CEM. Elles sont ensuite appliquées à des problèmes de lignes de transmission et d’antennes plus représentatifs de la réalité.Dans l’analyse prospective, des méthodes de résolution avancées sont proposées, basées sur des techniques spectrales requérant les développements en chaos polynomiaux et de Karhunen-Loève des processus et champs aléatoires présents dans les modèles. Ces méthodes ont fait l’objet de tests numériques encourageant, mais qui ne sont pas présentés dans le rapport de thèse, faute de temps pour leur analyse complète. / Nowadays, most EMC analyzes of electronic or electrical devices are based on deterministic approaches for which the internal and external models’ parameters are supposed to be known and the uncertainties on models’ parameters are taken into account on the outputs by defining very large security margins. But, the disadvantage of such approaches is their conservative character and their limitation when dealing with the parameters’ uncertainties using appropriate stochastic modeling (via random variables, processes or fields) is required in agreement with the goal of the study. In the recent years, this probabilistic approach has been the subject of several researches in the EMC community. The work presented here is a contribution to these researches and has a dual purpose : (1) develop a probabilistic methodology and implement the associated numerical tools for the reliability and sensitivity analyzes of the electronic devices and systems, assuming stochastic modeling via random variables; (2) extend this study to stochastic modeling using random processes and random fields through a prospective analysis based on the resolution of the telegrapher equations (partial derivative equations) with random coefficients. The first mentioned probabilistic approach consists in computing the failure probability of an electronic device or system according to a given criteria and in determining the relative importance of each considered random parameter. The methods chosen for this purpose are adaptations to the EMC framework of methods developed in the structural mechanics community for uncertainty propagation studies. The failure probabilities computation is performed using two type of methods: the ones based on an approximation of the limit state function associated to the failure criteria, and the Monte Carlo methods based on the simulation of the model’s random variables and the statistical estimation of the target failure probabilities. In the case of the sensitivity analysis, a local approach and a global approach are retained. All these methods are firstly applied to academic EMC problems in order to illustrate their interest in the EMC field. Next, they are applied to transmission lines problems and antennas problems closer to reality. In the prospective analysis, more advanced resolution methods are proposed. They are based on spectral approaches requiring the polynomial chaos expansions and the Karhunen-Loève expansions of random processes and random fields considered in the models. Although the first numerical tests of these methods have been hopeful, they are not presented here because of lack of time for a complete analysis.

Les circuits Smart Power, utilisés dans l’industrie automobile, se caractérisent par l’intégration sur une puce des parties de puissance avec des parties analogiques&numériques basse tension. Leur principal point faible vient de la commutation des structures de puissance sur des charges inductives. Celles-ci injectent des courants parasites dans le substrat, pouvant activer des structures bipolaires parasites inhérentes au layout du circuit, menant à une défaillance ou la destruction du circuit intégré.Ces structures parasites ne sont pas actuellement modélisées dans les outils CAO ni simulées par les simulateurs de type SPICE. L'extraction de ces structures à partir du layout et leur intégration dans les outils CAO est l’objectif du projet européen AUTOMICS, dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée.La caractérisation du couplage substrat sur deux cas d’études a permis de valider les modèles théoriques et de les comparer aux simulations utilisant le nouveau modèle de couplage substrat. / Smart Power circuits, used in the automotive industry, are characterized by the integration on one chip of the power parts with low voltage analog and digital parts. Their main weak point comes from the switching of power structures on inductive loads. These inject parasitic currents in the substrate, capable of activating the bipolar parasitic structures inherent in the layout of the circuit, leading to failure or destruction of the integrated circuit.These parasitic structures are not currently integrated into CAD tools nor simulated by SPICE simulators. The extraction of these structures from the layout and their integration into the CAD tools is the objective of the European AUTOMICS project, in which this thesis is carried out.The characterization of the substrate coupling of 2 case study was used to validate theoretical models and compare them to simulations using the new substrate coupling model.

The work deals with implantable devices and possibilities of interference of elektromagnetic field. At first, the electromagnetic compatibility is discussed. Basic terms are explained, followed by insisting on resources of possible distrurbing of implantable devices and standards dealing with this issue. Furthermore, short chapter about devices affecting function of implantable devices is introduced. It means devices which patients with implantable devices may meet in common life, as well as devices used in common life, also devices used jn medical environment. In the next part, measuring process of electromamagnetic effect in working compartment of FN Brno magnetotheraphy and elektrotheraphy is devised. There is a concept of measuring card thanks to which impulses of implantable devices are measured. Finally, a description of measuring on implantable devices in FN Brno. MIKULA, D. EMD instruments and electromagnetic immunity. Brno, 2009. 74 s. Master’s thesis in Brno University of technology on faculty of elektrical engeenerig and communication. Supervisor Ing. Marie Havlíková , Ph.D.

This thesis is focused on a detailed analysis of the mechanisms of electromagnetic wave propagation in anechoic chambers. The analysis takes into account the influence of the measurement distance, setup of anechoic chamber and other parameters. Furthermore, the work deals with a validation of both types of anechoic chambers and examines the impact of selected parameters on the measurement results. Based on the theoretical analysis and practical measurement, the comparation between semi and fully anechoic chamber, or a three and ten meter measuring distance was made. This thesis also contains a detailed analysis of sources of the uncertainty.

Disertace popisuje současné problémy v certifikaci malých letadel, které by se měly v budoucnu řešit numerickým modelováním. Tento postup má zefektivnit návrh a zlevnit certifikaci letadel. Práce je úzce spjata s projektem HIRF-SE, který se problematikou certifikace letadel numerickými metodami zabývá. Podstatná část práce je věnována popisu dvou modulů pro platformu HIRF-SE: řešič BUTFE založený na metodě konečných prvků v časové oblasti a budicí nástroj BUTFE_EXC. Práce popisuje řešení pohlcujících okrajových podmínek, modelování disperzních a anizotropních materiálů a aproximaci tenkých drátů. Speciální pozornost je věnována řešení aproximace tenkých drátů s ostrými ohyby, jejíž současná formulace způsobuje překryvy mezi jednotlivými segmenty drátu.

Durch die Ergänzung von Organoblechen mit gewebten Strukturen aus Metalldrähten können hochbelastbare Bauteile gleichzeitig mit einer abschirmenden Wirkung versehen werden und ermöglichen so Anwendungen wie beispielsweise im Umfeld der Elektromobilität. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein polypropylen-basierter Schichtverbund aus thermoplastischen Hochleistungsfaserverbunden und Metalldrahtgewebe hinsichtlich seiner Eignung zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen für Gehäusestrukturen und seiner Verarbeitbarkeit im Spritzgießen näher analysiert. Die Untersuchungen zeigen den Einfluss von Defekten, wie sie bei der Herstellung realer Bauteile entstehen können, und deren Auswirkung auf die Abschirmwirkung des Bauteils. Darüber hinaus werden mit Vibrations-,Infrarot- und Heißgasschweißen mögliche Fügeverfahren aufgezeigt und hinsichtlich ihrer Abschirmwirkung bewertet, die auch eine elektrische Kontaktierung über die Fügestelle hinweg ermöglichen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung / By combining endless glass fiber reinforced thermoplastic semifinished products with embedded metal wire meshes it is possible to produce highly stressable parts, which additionally allow shielding of electromagnetic waves. Therefore these party can be used for electric cars. In this study a multi-layer film, consisting of polypropylene-based organosheets, PPGF30 and metal wire meshes, is analyzed regarding its suitability for shielding against electromagnetic waves and its processability in injection molding. The analysis show the influences defects, which accure during the production of housings, and their impact of the shielding effectiveness. Moreover possible joining technologies, such as infraredwelding, vibrationwelding and ultrasonicwelding, are studied and evaluated whether it’s possible to create a electrically conductive joint.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung