Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département d'électricité (Laboratoire d'actionneurs intégrés LAI)

Transmission électromagnétique rotative d'énergie et d'information sans contact

Perrottet, Marc ; Jufer, Marcel (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2111.

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    Summary
    The transmission of energy or signals to a rotating device is generally carried out by systems with sliding contacts. This technology, apparently simple, generates serious nuisance such as abrasion of the elements in contact, electric noises and requires a relatively important volume. These devices, of limited life cycle, generally request quite expensive maintenance. The transmission of energy or information by induction seems then an interesting alternative to this technology. In fact, the constant evolution of electronic components and ferromagnetic materials developed for high frequency power applications opens the way to reliable, integrated and economical system supplied by induction. This thesis can be a useful reference document to make a choice and to design an energy and/or information transmission device by induction, based on the principle of the transformer. Various solutions with or without carried ferrite structures are proposed, also for different geometries including all invariance of the system parameters in relation to the rotation speed and the angular position. The first part of this work presents some high frequency converters integrating a transformer (Flyback, Forward…). This approach shows their possibilities as well as some of the corresponding elements of design. This part demonstrates also the interest of using sinusoidal signals to limit the disturbances caused by the power transmission system. Several calculation models of inductances, of the heating, of the iron losses and of the transformer (equivalent electric model) have been developed. Then different rotating transformers, the most adapted to this kind of transmission, have been designed. After validation and implementation of these models into a design software, several examples have been achieved and also integrated into a real system. The second part of this study is devoted to the transmission of information by induction. From the start, the transformer appears as a band pass type hence, penalizing the transmission modes using low and null frequencies. The transmission modes of certain communication systems are compatible with the characteristics of the transformer and then the information transformer is inserted directly within the data communication channel, without any other electronic components. In the contrary case, the modulation intervenes like an alternative to the transmission in baseband and proves to be an adapted solution when the transmission of power generates disturbances in the data communication channel of information (coupling between the two systems). In this case the modulation allows to separate the two respective spectra (disturbances and information) so that a filter device eliminates the disturbances without deteriorating the signal carrying information. Various approaches to transmit information were approached and are presented in this work. Design methods are also proposed. Besides, various developments show at the same time the feasibility and the obvious interest of these principles.
    Résumé
    La transmission d'énergie ou de signaux à un dispositif tournant est réalisée le plus souvent par des systèmes à contacts frottant. Cette technologie, a priori simple, procure de sérieux désagréments tels qu'une usure des éléments en contact, des bruits électriques et un encombrement relativement important. Ces dispositifs, d'une fiabilité parfois contestée, nécessitent le plus souvent des travaux de maintenance qui demeurent toujours onéreux. La transmission d'énergie ou d'information par induction apparaît alors comme une solution intéressante pour suppléer à ce genre de technologie. Elle l'est d'autant plus que les progrès faits dans les domaines des composants électroniques et des matériaux ferromagnétiques destinés aux applications de puissance à fréquences élevées ouvrent la voie à la réalisation de systèmes tournant alimentés par induction de manière fiable, intégrée et économique. Ce travail de thèse s'impose dès lors comme un document de synthèse utile au choix et au dimensionnement d'un dispositif de transmission d'énergie et/ou d'information par induction, basé sur le principe du transformateur. Il propose différentes solutions réalisées ou non au moyen de structures en ferrite dans des géométries diverses garantissant toutes l'invariance des paramètres du système en relation avec la vitesse de rotation et la position angulaire. La première partie de ce travail présente quelques types de convertisseurs intégrant un transformateur et fonctionnant à haute fréquence (Flyback, Forward…). Cette approche met en évidence leurs possibilités et quelques éléments de dimensionnement sont esquissés pour chacun d'eux. Cette partie annonce aussi l'intérêt de l'utilisation de signaux sinusoïdaux afin de limiter les perturbations causées par le système de transmission de puissance. Le dimensionnement des différents types de transformateurs tournants les plus adaptés à ce genre de transmission est entrepris après la mise en place de plusieurs modèles de calcul des inductances, de l'échauffement, des pertes fer et du transformateur (modèle électrique équivalent). Après une phase de validation de ces différents modèles et leur intégration à un logiciel de dimensionnement, plusieurs réalisations ont été entreprises à titre d'exemple mais aussi en vue d'une intégration dans un système réel. La seconde partie de cette étude est consacrée à la transmission de l'information par induction. D'emblée, le transformateur apparaît comme un élément de type passe-bande pénalisant les modes de transmission utilisant les basses fréquences et la fréquence nulle. Les modes de transmission de certains systèmes de communication sont compatibles avec les caractéristiques du transformateur et permettent l'insertion du transformateur d'information directement au sein du canal de transmission, cela sans aucun autre artifice. Dans le cas contraire, la modulation intervient comme une alternative à la transmission en bande de base et se révèle être une solution adaptée lorsque la transmission de puissance génère des perturbations dans le canal de transmission de l'information (couplage entre les deux systèmes). Dans ce cas la modulation permet de séparer les deux spectres respectifs (perturbations et information) afin qu'un dispositif de filtrage élimine les perturbations sans altérer le signal porteur de l'information. Différentes approches pour transmettre de l'information ont été abordées et présentées dans ce travail de thèse et des méthodes de dimensionnement sont proposées. Diverses réalisations en ont d'ailleurs montré à la fois la faisabilité et l'intérêt évident de ces principes.