Thèse Développement d'Un Capteur de Courant Dc - Ac Actif sans Contact Basé sur des Matériaux Magnétoélectriques Composites. H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie Direction de la thèse : Vincent LOYAU Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Cette thèse s'inscrit dans le prolongement d'un brevet que nous avons déposé en 2019 et enregistré en novembre 2021, qui protège l'invention d'un capteur de courant (actif) sans contact DC/AC à base de matériaux magnétoélectriques composites. Ces matériaux sont obtenus par couplage mécanique entre une phase magnétostrictive et une phase piézoélectrique. Ainsi lorsqu'ils sont soumis à un (ou plusieurs) champ magnétique une conversion magnéto-mécano-électrique s'opère et une tension électrique image du champ magnétique est obtenue au niveau de la phase piézoélectrique. A partir de ce principe, au SATIE, nous avons développé des prototypes de capteur sans contact, c'est-à-dire que nous mesurons le champ magnétique produit par le courant circulant dans un câble électrique. Quelques laboratoires ont déjà proposé de capteurs de courant magnétoélectriques, cependant ceux-ci, du fait de leur structure passive, ne mesurent que des courants alternatifs. L'originalité de notre capteur est qu'il mesure à la fois le continu et l'alternatif. Pour ce faire, nous utilisons une structure active où une bobine d'excitation applique un champ magnétique haute fréquence (porteuse) au matériau magnétoélectrique. Le champ magnétique AC et/ou DC à mesurer module l'amplitude de la porteuse. L'information (amplitude instantanée du courant) est obtenue grâce à une démodulation synchrone avec un circuit électronique dédié. Quelques prototypes de ce capteur de courant ont été fabriqués aux SATIE avec de bonne sensibilités. Cependant certaines de ses performances (linéarité, hystérésis, dynamique) trop limitées ne permettent pas encore de rivaliser avec les capteurs industriels (effet Hall, magnétorésistance, etc). Donc l'objectif de cette thèse sera d'étudier les phénomènes physiques qui ont lieu dans le composite magnétoélectrique et qui sont à l'origine de la limitation des performances. En particulier, l'influence des mouvements des parois magnétiques en interaction avec les résonances mécaniques globales du composite sur le comportement hystérétique du capteur n'est pas encore bien comprise. Une étude pourra être menée pour déterminer la structure (statique) des domaines magnétiques dans la phase magnétique du composite et identifier les phénomènes physiques qui sont à l'origine du mouvement hystérétiques des parois. Cela permettra de définir des structures et des géométries du matériau magnétoélectrique qui minimisent ces effets. Un second volet important de ce travail de thèse concernera l'optimisation de l'électronique d'excitation et de démodulation qui est en grande partie à l'origine de la tension d'offset ainsi que de la tension de bruit en sortie de capteur. Ce travail de thèse se fera en partenariat avec un projet Poc'Up de la SATT Paris-Saclay qui vise à un transfert de la technologie du capteur vers l'industrie. Une étude d'industrialisation et une étude de marché ont déjà été menées dans ce cadre et elles ont montré un certain intérêt des industriels pour une telle technologie de rupture. Le thésard ou la thésarde recruté travaillera en collaboration avec un ingénieur de recherche électronicien (contractuel) qui sera en charge de la fabrication des cartes électroniques (excitation/démodulation) incluses dans le capteur de courant. Il est a noté que le thésard ou la thésarde pourra aussi travailler sur une électronique de démodulation numérique qui fera l'objet d'un projet de dépôt d'un second brevet. Il est prévu qu'à la fin du projet Poc'Up actuellement en cours (août 2027) une candidature à un financement d'un projet de Maturation de la Satt Paris-saclay soit déposée.
Les matériaux magnétoélectriques composites font partie de la classe des matériaux dit « multiferroïque » cet à dire qui présente deux ordres ferroïques (ici un ordre ferro (ou ferri) magnétique, et un ordre ferroélectrique). Les deux phases « ferroïques », dont l'une est magnétostrictive et l'autre piézoélectrique interagissent mécaniquement et présente ainsi un couplage dit magnétoélectrique. Les premiers prototypes des matériaux magnétoélectriques composites sont apparus dans les années 1970 (Laboratoires Philips). Depuis le début des années 2000 il y a un fort développement des recherches concernant ces matériaux et leurs applications qui sont principalement la mesure de champ magnétique ou de courant sans contact. L'objectif de cette thèse est de poursuivre le développement d'un capteur de courant qui a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Plusieurs prototypes ont été fabriqués au laboratoire Satie, validant la preuve de concept expérimentale. Ceci correspond à un TRL-3 (Technology Readness Level = échelle de maturité technologique). En repoussant certaines limites actuelles du capteur (comme la linéarité, l'hystérésis, la dynamique) on espère passer à un TRL-4 (Technologie validée en laboratoire) puis à un TRL-5, qui correspond à la technologie validée dans un environnement pertinent (comme la mesure de courant dans un dispositif utilisé dans l'industrie). Compréhension fine des phénomènes de déplacement des parois lors de la variation de magnétisation du composite magnétoélectrique qui sont à l'origine des effets hystérétiques et de non-linéarité dans la réponse du capteur. Établir quels sont les phénomènes d'interaction entre les mouvements de parois magnétiques et les résonances mécaniques du composite.