This thesis deals with numerical analyses of electromagnetic fields on small aircraft with composite parts as an innovative way for assessment of their inherent protection against electromagnetic effects of outside environment in all development stages. It is concentrated for procedures of creation of geometrically and materially complex models for simulating calculations in the time as well as frequency domains, execution of the simulations itself and comparisons of results between the internal electromagnetic calculations and executed experimental tests. Achieved results were verified on a simplified reference model of aircraft's fuselage and two aircraft prototypes VUT100 and EV-55 of the company Evektor, spol. s r. o.

The project describes the design of controlled inverters or power generator simulating one phase of European or American distribution network. The generator is able to enter into an output signal of a certain fault conditions designed to testing the electromagnetic compatibility of connected devices. The text is divided into three main chapters. The first one deals with the design of the power generating low-frequency signal. The second part describes the power source used for this generator. In the third section describes the program management unit. End of text summarizes the results. The annex contains a schematic designs and printed circuit boards.

Pour répondre aux exigences réglementaires de plus en plus sévères au regard des émissions de CO2, l'industrie automobile voit poindre l'émergence des chaînes de traction électrique dans des structures véhicules en matériaux composites. Dans ce manuscrit, le point de vue du constructeur automobile est considéré. En effet, pour répondre aux exigences automobiles en compatibilité électromagnétique (CEM) pour l'homologation et la protection de la santé des personnes vis-à-vis des champs électriques et magnétiques, le blindage électromagnétique est l'une des solutions de conception les plus utilisées. Afin d'évaluer les meilleurs concepts à moindre coût et réduire autant que possible les délais de prototypage, la modélisation et la simulation numérique doivent encore se développer et être déployées. Les chapitres de ce manuscrit illustrent, étape par étape, la modélisation, la simulation et la validation expérimentale du blindage d'une architecture de chaîne de traction électrique. Dans un premier temps,l'influence d'un matériau composite à savoir l'époxy renforcé en fibres de carbone est étudié sur les émissions conduites et rayonnées en présence d'un câble blindé. Dans un deuxième temps, une méthodologie de modélisation des câbles blindés et des raccords de masse est proposée dans un environnement électromagnétique où la théorie des lignes de transmission classique ne s'applique pas. Pour valider les deux précédentes parties, des bancs de mesure sont proposés et développés. Les résultats expérimentaux sont comparés à la simulation numérique. La dernière partie considère une chaîne de traction électrique simplifiée en présence de boîtiers métalliques, de câbles de puissance blindés, de raccords de blindage et de raccords de masse dans une structure multi-matériaux dans la bande de fréquences 10 kHz - 300 MHz. Les émissions conduites et rayonnées sont analysées en portant une attention particulière à la perturbation de la réception radio. / To reach the increasingly stringent regulatory requirements for CO2 emissions, the automotive industry is improving the electric powertrains in car bodies with composite materials. In this thesis report, the point of view of the car manufacturer is considered. The electromagnetic shielding is one of the most important design solutions to respect the electromagnetic compatibility (EMC) requirements for the homologation and the protection of human health with respect to electrical and magnetic fields. In order to evaluate the best concepts at lower costand to minimize prototyping delays, modeling and numerical simulation still need to be developed and deployed.The chapters of this thesis report illustrate, step by step, the modeling, the simulation and the experimentalvalidation of the shielding applied to an electric powertrain. In a first step, the influence of a composite material such as the carbon fiber reinforced epoxy is studied on the conducted and the radiated emissions in presence of a shielded cable. In a second step, a methodology to model shielded cables and the grounding connectionsis proposed in an electromagnetic environment where classical transmission line theory cannot be applied. Tovalidate the two previous parts, measurement setups are proposed and developed. The experimental results arecompared with the numerical simulation. The last part considers a simplified electric powertrain with metal housings, shielded power cables, shielding connections and grounding connections in a multi-material structurein the 10 kHz - 300 MHz frequency band. The conducted and radiated emissions are analyzed with a particular attention to the disturbance of the radio reception.

Dans l’industrie automobile, le véhicule électrique séduit de plus en plus de clients. Ce qui limite sa progression dans le marché est son manque d’autonomie. Une des solutions permettant d’augmenter l’autonomie d’un véhicule est de réduire sa masse en modifiant la géométrie des pièces et les matériaux utilisés. Cependant, de tels changements peuvent avoir des impacts sur la CEM du véhicule.Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de l’allègement du blindage des batteries de traction pour véhicule électrique du point de vue de la CEM. Plusieurs méthodes de caractérisation de matériaux sont mises en place dans ce document. Une méthode innovante reposant sur l’utilisation d’une cellule TEM ou d’une stripline a été développée durant ces travaux de thèse, elle permet de mesurer la permittivité relative complexe d’un matériau diélectrique inconnu entre 1 kHz et 1 GHz. Les propriétés électromagnétiques ainsi mesurées sont insérées dans des modèles numériques 3D. Les méthodes numériques adaptées à ce type d’étude sont les différences finies dans le domaine temporel et la méthode des moments. L’étude du rayonnement de la batterie a été effectuée grâce à une maquette à l’échelle ½ en chambre semi-anéchoïque et en chambre réverbérante à brassage de mode selon des montages normatifs. Des configurations plus complexes ont ensuite été étudiées en tenant compte de l’intégration du pack-batterie dans le véhicule. / In automotive industry, electric vehicle is becoming more and more attractive for car buyers. The market penetration of electric vehicle is limited by its short range. One of the solutions to increase the range is to lower the weight of the vehicle by modifying the geometry or the material composition. Nevertheless, such changes may have consequences on the EMC of the vehicle.The work of this thesis concern the study of weight reduction of the battery shield from an EMC point of view. Several methods for materials characterization are set in this document. A method which uses a TEM cell or a stripline has been designed during this thesis to measure the complex relative permittivity of an unknown dielectric material. Then, the measured properties are inserted into numerical 3D models. The numerical techniques that fit this study are the finite differences in time domain and the method of moments. The study of radiated electromagnetic field from a battery has been performed thanks to a ½ scale model in semi anechoic chamber and mode-stirred reverberation chamber according to standard setups. More complex configurations were studied taking into account the integration of the battery-pack into the vehicle.

The electromagnetic compatibility (EMC) problem in the railway propulsion system is a significant safety issue of high concern. The problems can be caused by any part of the propulsion system as well as any combination of the sub systems. Simulation is a fast economical way to understand the system and to predict the EMC performance. In this thesis, the propulsion system is studied partly from the rectifier to the motor. To simulate the rectifier, a two level pulse width modulation (PWM) controlled rectifier is built in Simulink. Time domain line current as well as frequency domain spectra is studied. The spectrum changing according to time variation is obtained. In order to study the high derivative of switching pulse in the insulated gate bipolar transistor (IGBT), a simple circuit is proposed to investigate it. The high frequency noise spectrum is given and the variation of the spectrum due to the reverse recovery time of the ant-parallel diode is also demonstrated. Transmission line theory is used to model the cable used to connect the inverter and motor. The method to extract the characteristic capacitance and inductance matrices of the cable system is presented. Decoupling these characteristic matrices is required for modeling the multiconductor transmission line (MTL) in PSpice. A simple way to decouple them is thus proposed here. Through the simulation studies, we analyze the oscillation and overvoltage in the cable. A fourth cable with optimized layout is also illustrated here to reduce the oscillation on the line. Furthermore, the relationship between the length of line and the noise frequency is studied. Shielding is another way to reduce the electromagnetic (EM) coupling of power lines. The method to model shielded cables in PSpice is given in this thesis. Based on the model we have investigated the shielding effect and analyzed the impact of different grounding conditions on the shielding performance. / QC 20110321

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie automobile comme pièces de structure. Alliant légèreté et bonnes propriétés mécaniques, ils ont remplacé les métaux classiquement adoptés dans la fabrication de moyens de transport. Toutefois, l'emploi des matériaux composites doit tenir compte de leur comportement électromagnétique. En effet, les composites à fibres conductrices, généralement moins conducteurs que les métaux, engendrent une interaction avec les ondes électromagnétiques, différente de celle introduite par les alliages métalliques. Il s'avère donc important de développer des outils de modélisation permettant de mieux appréhender le comportement électromagnétique de matériaux composites, et d'éclairer les changements qu'apportent ces matériaux sur la distribution des champs, provenant d'une multitude de sources externes, au voisinage des systèmes mécatroniques. Par ailleurs, l'étude du comportement électromagnétique de matériaux composites permet de tirer parti de leurs propriétés mécaniques attractives afin d'alléger les boîtiers de blindage en gardant un niveau d'atténuation conforme aux normes de l'industrie. Cependant, la modélisation numérique de structures composites de grande taille, telles que les boîtiers de blindage, bien que classiquement adoptée pour les structures métalliques, est rendue complexe par le fait que les composites présentent des hétérogénéités à l'échelle microscopique, et que leurs mécanismes de blindage diffèrent de ceux des conducteurs homogènes. Le calcul numérique s'avère envisageable une fois le composite remplacé par un matériau homogène ayant une réponse identique face à une sollicitation électromagnétique. Ainsi, au travers de ce travail de thèse, nous proposons une technique d'homogénéisation permettant d'estimer les propriétés électriques équivalentes que nous appliquons aux composites à fibres conductrices unidirectionnelles et tissées. Les résultats obtenus sont utilisés pour la simulation numérique d'un boîtier de blindage. / Composite materials are widely used in the automotive industry as structural components. By combining lightness and robust mechanical properties, they are increasigly replacing the conventionnally used metallic alloys, for the manufacturing of vehicle parts. However, the use of composite materials is not without consequences on the electromagnetic behavior of these parts. Since carbon fiber reinforced composites are generally worse conductors of electricity than metals, they interact differently with the electromagnetic waves which surround them. It is therefore important to develop modeling tools to better understand the electromagnetic behavior of composite materials. This is to explain the changes that these materials bring to the distribution of waves, generated by a multitude of external sources, in the vicinity of mechatronic systems. On the other hand, the study of the electromagnetic behavior of composite materials makes it possible to determine the possibility of taking advantage of their attractive mechanical properties in order to further reduce the weight of electromagnetic shielding enclosures while maintaining a level of attenuation in accordance with the standards of the industry. However, numerical modeling of large composite structures, such as shielding enclosures, although conventionally adopted for metal structures, is hindered by the fact that composites exhibit heterogeneities at the microscopic scale. The numerical calculation becomes possible once the composite is replaced by a homogeneous material that exhibits an identical response to an identical electromagnetic solicitation. In this work, we present a homogenization technique, based on finite element simulation and an optimisation method, that computes an estimate of the equivalent electrical properties of unidirectional and woven fiber reinforced composites. The results are then used to simulate the shielding effectiveness of an enclosure constructed by combining composite materials and metallic alloys.

Trafikförvaltningen, som ansvarar för kollektivtrafiken i Stockholm, har startat ett projekt för att byta ut befintliga armaturer i Stockholms tunnelbana mot LED-armaturer. Denna rapport utför förarbetet inför en kommande upphandling. Detta arbete utvärderar olika LED-armaturers tekniska specifikationer som är lämpliga för Stockholms tunnelbana där armaturerna ska bytas ut. För denna miljö saknas det i dagsläget standarder som är anpassade för LED-armaturer. Med hjälp av litteraturstudier och mätningar kunde underlag för en kravspecifikation skapas. Mätningar har gjorts på ett urval av LED-armaturer och deras tekniska specifikation har presenterats. Samtliga armaturer klarade EMC-testerna (elektromagnetisk kompabilitet) där inga störningar uppstod vid frekvenserna för Storstockholms Lokaltrafiks (SL) radiokommunikationssystem. Arbetet har även hanterat miljö- samt den ekonomiska aspekten av implementeringen av LED-belysning. / Trafikförvaltningen, responsible for public transport in Stockholm, has started a project to replace existing luminaires in the subway of Stockholm to LED lights. This thesis could be a basis for an upcoming procurement. In this report, various models of LED lights technical specifications will be evaluated based on the environmental requirements in Stockholm’s subway, where the existing luminaires will be replaced. For this environment, there is no standard regarding LED lights today. With the help of literature studies and tests, a groundwork for a specification could be made. The tests were only made on a selection of LED lights and their technical specifications were presented. All luminaires passed the EMC (electromagnetic compatibility) tests that were made in order to determine any interference with Stockholm’s public transport (SL) radio communication system. Environmental aspects and economical aspects of the implementation of LED lights has been taken into consideration.

Диплом посвящен описанию методики моделирования системы передачи данных на симметричных линии передач. Приведена методика построения моделей систем в программной среде NI AWR Design Environment. Производится разбор этапов построения модели. / Diploma is dedicated to the describe method of modeling of transmission system build upon symmetric transmission lines. Method of modeling in NI AWR Design Environment been presented. An extensive explanation of modeling process is given.

A procedure for computational dosimetry to verify safety standards compliance of mobile communications base stations is presented. Compared with the traditional power density method, a procedure based on more rigorous physics was devised, requiring computation or measurement of the specific absorption rate (SAR) within the biological tissue of a person at an arbitrary distance. This uses a hybrid methd of moments/finite difference time domain (MoM/FDTD) numerical method in order to determine the field or SAR distribution in complex penetrable media, without the computational penalties that would result from a wholly FDTD simulation. It is shown that the transmitted power allowed by the more precise SAR method is, in many cases, between two and five times greater than that allowed by standards implementing the power flux density method.

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