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Split ring resonator (SRR) is a metamaterial structure which displays negative permeability values over a relatively small bandwidth around its magnetic resonance frequency. Unit SRR cells and arrays have been used in various novel applications including the design of miniaturized microwave devices and antennas. When the SRR arrays are combined with the arrays of conducting wires, left handed materials can be constructed with the unusual property of having negative valued effective refractive indices. In this thesis, unit cells and arrays of single-ring multiple-split type SRR structures are numerically analyzed by using Ansoft&rsquo / s HFSS software that is based on the finite elements method (FEM). Some of these structures are constructed over low-loss dielectric substrates and their complex scattering parameters are measured to verify the numerical simulation results. The major purpose of this study has been to establish equivalent circuit models to estimate the behavior of SRR structures in a simple and computationally efficient manner. For this purpose, individual single ring SRR cells with multiple splits are modeled by appropriate two-port RLC resonant circuits paying special attention to conductor and dielectric loss effects. Results obtained from these models are compared with the results of HFSS simulations which use either PEC/PMC (perfect electric conductor/perfect magnetic conductor) type or perfectly matched layer (PML) type boundary conditions. Interactions between the elements of SRR arrays such as the mutual inductance and capacitance effects as well as additional dielectric losses are also modeled by proper two-port equivalent circuits to describe the overall array behavior and to compute the associated transmission spectrum by simple MATLAB codes. Results of numerical HFSS simulations, equivalent circuit model computations and measurements are shown to be in good agreement.

Li-ion batteries (LIB) are used in many applications because of their high-power/energy density, long life cycling, and low self-discharge rate. The use of LIB continues to grow every day, and the necessity for proper safety standards grows as well. A key aspect for safe utilization of LIB is determining their safety and remaining useful life (RUL). Battery characteristics degrade over time under normal and extreme operating conditions and modeling the electrochemical processes can improve RUL estimations. Extreme operating conditions such as abnormal temperatures and charge/discharge rates are believed to exacerbate the rate of degradation. Li-ion batteries are also susceptible to mechanical damage, which may lead to an electrical short. In severe cases, mechanical damage causes a thermal run away, and possibly explosions or fires. In the event of a car accident, battery packs can be damage without an electrical short or immediate thermal run away. Currently, there is no reliable batt / Mechanical Engineering

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d’application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d’encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d’une machine à aimants et ceux d’une machine à excitation bobinée. Le choix d’un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d’analyse, d’optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l’art- un sur les machines synchrones à double excitation et l’autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu’une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s’effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l’efficacité de l’utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l’influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés. / The electric and / or hybrid driveis are an application area growing with a strong restriction in terms of congestion. This prompted the designers to create appropriate structures. Among these topologies, we find the double-excitation synchronous machine (MSDE). These machines can combine the advantages of permanent magnets machine and those of a coils excited machine.The choice of a model for these machines is an important step in the analysis, optimization and pre-sizing. This thesis presents a contribution to the modeling by magnetic equivalent circuit (MEC) of single and double excitation synchronous machines. Three parties are offered as well. The first part of the thesis presents two states of the art: one on the double-excitation synchronous machines and the other on the modeling of electrical machines, mainly in the modeling by magnetic equivalent circuit. In the second part, we discuss the 2D modeling of flux concentration permanent magnet synchronous machine taking into account the rotation and saturation. The purpose of this section is to find ways to combine both computational time and accuracy. We start by using the magnetic equivalent circuit modeling based on a mesh of the structure and each mesh is replaced by two-way reluctances, then a torque estimation are obtened by two methods flux-FMM and Maxwell stress Tensor. The second section presents a coupling between magnetic equivalent circuit and finite element method. The proposed method is to solve the two models (reluctant and finite elements) simultaneously with software EF. The coupling is performed by an equivalence between the geometric dimensions and magnetic properties of materials. The presentation of different models in terms of time-accurate calculation shows the effectiveness of the use of MEC and coupling method compared to FEM. The third part concerns the three-dimensional modeling of double excitation synchronous machines. At first, we present an adaptation of the MEC to the three-dimensional structures. Then we apply this model to the double excitation synchronous machines (DESM). The DESM with flux concentration configuration is presented. To better control the wund flux of excitation, a buried magnet homopolar machine is also studied with the same approach. Model validation is performed by finite element and experimental measurements. In the last part, a comparison between homopolar and bipolar configurations is made, then the rotor flux concentration is optimized in order to compare it to the machine magnets buried.

Actuellement, le développement de semiconducteurs et la demande croissante de convertisseurs en électronique de puissance dans les différents domaines de l’énergie électrique, notamment pour des applications dans l’aéronautique et les réseaux de transport et de distribution, imposent de nouvelles spécifications comme le fonctionnement à hautes fréquences de commutation, densités de puissance élevées, hautes températures et hauts rendements. Tout ceci contribue au fort développement des composants en SiC (Carbure de Silicium). Cependant, ces composants créent de nouvelles contraintes en Compatibilité Electromagnétique (CEM) à cause des conditions de haute fréquence de commutation et fortes vitesses de commutation (forts di/dt et dv/dt) en comparaison à d’autres composants conventionnels de l'électronique de puissance. Une étude des perturbations générées par les composants SiC est donc nécessaire. L'objectif de ce travail est de donner aux ingénieurs amenés à concevoir des convertisseurs une méthode capable de prédire les niveaux d'émissions conduites générées par un convertisseur électronique de puissance qui intègre des composants en SiC. La nouveauté du travail présenté dans cette thèse est l’intégration de différents modèles de type circuit pour tous les constituants d’un convertisseur (un hacheur série est pris comme exemple). Le modèle est valable pour une gamme de fréquences de 40Hz à 30MHz. Des approches de modélisation des parties passives du convertisseur sont présentées. Ces approches sont différentes selon que les composants modélisés soient disponibles ou à concevoir : elles sont basées sur des mesures pour la charge et les capacités ; elles sont basées sur des simulations prédictives pour routage du convertisseur. Le modèle complet du convertisseur (éléments passifs et actifs) est utilisé en simulation pour prédire les émissions conduites reçues dans le réseau stabilisateur d’impédance de ligne. Le modèle est capable de prédire l'impact de différents paramètres comme le routage, les paramètres de contrôle comme les différents rapports cycliques et les résistances de grille avec des résultats satisfaisants dans les domaines temporels et fréquentiels. Les résultats obtenus montrent que le modèle peut prédire les perturbations en mode conduit pour les différents cas jusqu'à une fréquence de 15MHz. Finalement, une étude paramétrique du convertisseur a été élaborée. Cette étude a permis de voir l’influence de la qualité des différents modèles comme les éléments parasites du routage, des composants passifs et actifs et d'identifier les éléments qui ont besoin d’un modèle précis pour avoir des résultats valides dans la prédiction des perturbations conduites. / The recent technological progress of semiconductors and increasing demand for power electronic converters in the different domains of electric energy particularly for applications in aeronautics and networks of transport and distribution impose new specifications such as high frequencies, high voltages, high temperatures and high current densities. All of this contributes in the strong development of SiC (Silicon Carbide) components. However these components create new issues in Electromagnetic Compatibility (EMC) because of the conditions of high frequency switching and high commutation speeds (high di/dt and dv/dt) compared to other conventional components in power electronics. A precise study of the emissions generated by SiC components is therefore necessary. The aim of this work is to give a method able to predict levels of conducted emissions generated by a power electronics converter with SiC components to engineers which design power converters. The novelty of the work presented in this thesis is the integration of different modeling approaches to form a circuit model of a SiC-based converter (a buck dc–dc converter is considered as an example). The modeling approach is validated in the frequency range from 40Hz to 30MHz. Modeling approaches of the passive parts of the converter are presented. Theses approaches differs according to whether the component is existing or to be designed : they are based on measurements for the load and capacitors; they are based on numerical computation and analytical formulations for PCB. The complete model obtained (passive and active components) is used in simulations to predict the conducted emissions received by the line impedance stabilization network. The model is able to predict the impact of various parameters such as PCB routing, the control parameters like duty cycles and different gate resistors in the time and frequency domains. A good agreement is obtained in all cases up to a frequency of 15MHz. Finally, a parametric study of the converter has been elaborated. This study allowed to see the influence of different models such as parasitic elements of the PCB, passive and active components and to identify the elements that need a precise model to obtain valid results in the prediction of conducted EMI.

Among various nanofillers, carbon nanotubes (CNTs) have attracted a significant attention due to their excellent physical properties. Incorporation of a very low amount of CNTs in polymer matrices enhances mechanical, thermal and optical properties of conductive polymer nanocomposites (CPNs) tremendously. For mechanical sensors, the piezoresistive property of CNTs/polymer nanocomposites exhibits a great potential for the realization of stable, sensitive, tunable and cost-effective strain sensors. Achieving homogeneous CNTs dispersion within the polymer matrices, understanding their complex piezoresistivity and conduction mechanisms, as well as the response of the nanocomposites under humidity and temperature effects, is highly required for the realization of piezoresistive CNTs/polymer based nanocomposites. This research primarily aims to synthesize and characterize CNTs/polymer based strain sensitive nanocomposites, which are cost-effective, applicable on both rigid and flexible substrates and require a non-complex fabrication process. A comprehensive understanding of the complex conduction and piezoresistive mechanisms of CNTs/polymer nanocomposites and their responses under humidity and temperature effects is another purpose of this thesis. For this purpose, synthesis and complex electromechanical characterization of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs)/epoxy nanocomposites are realized. In order to realize strain sensors for the strain range up to 1 % the use of epoxy is focused due to its good adhesion, dimensional stability, and good mechanical properties. The nanocomposites with up to 1 wt.% MWCNTs are synthesized by a non-complex direct mixing method and the final nanocomposites are deposited on flexible Kapton and rigid FR4 substrates and their corresponding morphological, electrical, electromechanical, as well as the response of the nanocomposite under humidity and temperature influences, are examined. The deformation over the sensor area is tested by digital image correlation (DIC) under quasi-static uniaxial tension. Quantitative piezoresistive characterization is performed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) over a wide range of frequencies. Further, dispersion quality of MWCNTs in the epoxy polymer matrix is monitored by scanning electron microscopy (SEM). Additionally, in order to tailor the piezoresistivity of the strain sensor, an R-C equivalent circuit is derived based on the impedance responses and the corresponding parameters are extracted from the applied strain. Obtained SEM images confirm that MWCNTs/epoxy nanocomposites with different MWCNTs concentrations have a good homogeneity and dispersion. Atomic force microscopy (AFM) analysis show that the samples have relatively good surface topography and fairly homogeneous CNTs networks. Higher sensitivity is achieved in particular at the concentrations close to the percolation threshold. A non-linear piezoresistive behavior is observed at low MWCNTs concentrations due to the dominance of tunneling effect. The strain sensitive nanocomposites deposited on FR4 substrates present high-performance strain sensing properties, including high sensitivity, good stability, and durability after cyclic loading and unloading. In addition, MWCNTs/epoxy nanocomposites show quite a small creep, low hysteresis under cyclic tensile and compressive loadings and fast response and recovery times. Nanocomposites provide an opportunity to measure 2-D strain in one position including amplitude and direction for complex configuration of structures in real-time systems or products. In contrast to present solutions for multi-directional strain sensing, MWCNTs/epoxy based nanocomposites give promising results in terms of durability, easy-processability, and tunable piezoresistivity. Unlike commercially-available approaches for crack/damage identification, MWCNTs/epoxy nanocomposites are capable of detecting the applied crack directly over a certain area. From the humidity influence, it has been found that resistance of nanocomposites increases with the increase of humidity exposure due to swelling of the polymer. Temperature investigations show that MWCNTs/epoxy nanocomposites give negative temperature coefficient (NTC) response due to thermal activation of charge carriers and the temperature sensitivity increases with the increase of filler concentration. The proposed approach can be further developed by combining differently fabricated sensors for realizing a compact structural health monitoring system or multi-functional sensor, where pressure, strain, temperature, and humidity can be monitored simultaneously. / Unter den verschiedenen Nanofillern haben CNTs aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen Eigenschaften eine bedeutende Aufmerksamkeit erregt. Die Einarbeitung einer sehr geringen Menge an CNTs in Polymermatrizen verbessert die mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften von CPNs enorm. Für mechanische Sensoren bietet die piezoresistive Eigenschaft von CNTs/Polymer-Nanokompositen ein großes Potenzial zur Realisierung stabiler, empfindlicher, abstimmbarer und kostengünstiger Dehnungssensoren. Die Erzielung einer homogenen CNT-Dispersion innerhalb der Polymermatrizen, das Verständnis ihrer komplexen Piezoresistivitäts- und Leitungsmechanismen sowie die Reaktion der Nanokomposite unter Feuchte- und Temperatureinflüssen ist für die Realisierung piezoresistiver CNTs/Polymer-basierter Nanokomposite unerlässlich. Diese Arbeit zielt darauf ab, CNTs/polymerbasierte dehnungsempfindliche Nanokomposite herzustellen und zu charakterisieren. Diese Nanokompositen sollen kostengünstig, sowohl auf starren als auch auf flexiblen Substraten anwendbar sein und ein nicht komplexes Herstellungsverfahren erfordern. Ein umfassendes Verständnis der komplexen leitungs- und piezoresistive Mechanismen von CNTs/ Polymer-Nanokompositen und deren Reaktionen unter Feuchtigkeits- und Temperatureinflüssen ist ein weiteres Ziel dieser Arbeit. Zu diesem Zweck werden Synthese und komplexe elektromechanische Charakterisierung von MWCNTs/epoxy nanocomposites realisiert. Um Dehnungssensoren für den Dehnungsbereich bis zu 1 % realisieren zu können, wird der Einsatz von Epoxy aufgrund seiner guten Haftung, Dimensionsstabilität und guten mechanischen Eigenschaften fokussiert. Zufällig verteilte MWCNTs mit bis zu 1 wt.% MWCNTs-Konzentration ist durch ein direktes Mischen synthetisiert und die Nanokomposite werden auf flexiblen Kapton und starren FR4 Substraten durch Siebdruck appliziert und anschließend deren morphologische, elektrische, elektromechanische sowie die Reaktion des Nanocomposits unter Feuchtigkeits- und Temperatureinflüssen untersucht. Die Verformung über den Sensorbereich wird duch die Digital Image Correlation (DIC) Methode unter quasi-statischer uniaxialer Spannung getestet. Die quantitative piezoresistive Charakterisierung wird mit elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) in einem breitem Frquenzspektrum durchgeführt. Ferner wird die Dispersionsqualität von MWCNTs in der Epoxidepolymermatrix durch Scanning Electron Microscopy (SEM) überprüft. Zusätzlich ist, um die Piezoresistivität des Dehnungssensors abzustimmen, eine RC-Äquivalenzschaltung auf der Grundlage der Impedanzantworten abgeleitet und die entsprechenden Parameter unter Belastung extrahiert. Erhaltene SEM-Bilder bestätigen, dass MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite mit unterschiedlichen MWCNTs-Konzentrationen eine gute Homogenität und Dispersion aufweisen. Die atomic force microscopy (AFM) Untersuchung zeigt, dass die Proben relativ gute Oberflächentopographie und ziemlich homogene CNT-Netzwerke aufweisen. Eine höhere Empfindlichkeit wird insbesondere bei den Konzentrationen nahe der Perkolationsschwelle erreicht. Eine nichtlineare Piezoresistivität wird bei niedrigen MWCNTs Konzentrationen aufgrund der Dominanz des Tunnelwirkungseffekts beobachtet. Die auf FR4-Substraten applizierten dehnungsempfindlichen Nanokomposite weisen ausgezeichnete Dehnungsmessungseigenschaften einschließlich hohe Empfindlichkeit, gute Stabilität und Haltbarkeit nach zyklischer Be- und Entlastung auf. Darüber hinaus zeigen MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite ein geringes Kriechen, eine kleine Hysterese unter zyklischen Zug- und Druckbelastungen, sowie schnelle Reaktionsund Wiederherstellungszeiten. Nanokomposite bieten die Möglichkeit, 2-D-Dehnungen in einer Position einschließlich Amplitude und Richtung innerhalb einer Materialstruktur in Echtzeitsystemen oder Produkten zu messen. Im Gegensatz zu aktuellen Lösungen für die multi-direktionale Dehnungsmessung, bieten die MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf Langlebigkeit, leichte Verarbeitung und einstellbare Piezoresistivität. Im Unterschied zu kommerziell verfügbaren Ansätzen wird festgestellt, dassMWCNTs/Epoxide-Nanokomposite zur Riss-/Schadenserkennung in der Lage sind, den angelegten Riss direkt über einen bestimmten Bereich zu detektieren. Aus dem Einfluss der Feuchtigkeit hat sich herausgestellt, dass die Resistenz von Nanokompositen mit zunehmender Feuchtigkeitsbelastung durch Quellung des Polymers zunimmt. Temperaturuntersuchungen zeigen, dass MWCNTs/Epoxide-Nanokomposite aufgrund der thermischen Aktivierung von Ladungsträgern auf Temperatureinflüsse reagieren und die Temperaturempfindlichkeit mit der Erhöhung der Füllstoffkonzentration zunimmt. Der vorgeschlagene Ansatz kann durch die Kombination unterschiedlich hergestellte Sensoren zur Realisierung eines kompakten zur Überwachung des Zustands von Strukturen oder von multifunktionalen Sensoren weiterentwickelt werden, bei denen gleichzeitig Druck, Dehnung, Temperatur und Feuchtigkeit überwacht werden können.