Essais & Simulations n°122

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dossier automobile En pratique Simuler un capteur de position par induction Les voitures fonctionnent dans des environnements extrêmement variables, comme par exemple les fluctuations de température. Il est donc important dans certains cas de disposer de composants capables de gérer de telles conditions. Comme un capteur de position par induction dont une étude par simulation aété présentée lors de la conférence Comsol 2014 à Cambridge. planes. L’activateur peut se déplacer ou glisser horizontalement au-dessus des bobines planes. Il est important de retenir que la distance activateur-bobine est fixe. Quelques utilisations de capteur de position dans une voiture. Image tirée delaprésentation de A. K. Palit à la Conférence Comsol 2014 à Cambridge Imaginez que vous conduisez dans le désert. Quand la nuit tombe, la température chute également. Une fois arrivé à destination, vous ralentissez et vous vous garez. Lorsque vous changez de vitesse, la voiture réagit de façon appropriée siles éléments du boitier de vitesse automatique fonctionnent correctement. Un de ces éléments est un capteur de position, intégré dans le boitier de vitesse automatique et dans d’autres composants de la voiture, comme le système d’ajustement de position des sièges. Ces capteurs doivent donc fonctionner dans les conditions d’environnement variables des voitures. Un chercheur de la société allemande Lemfoerder Electronic (ZF-Friedrichshafen AG. Group) a présenté les simulations qu’il a réalisées d’un capteur de position par induction à la Conférence Comsol 2014 de Cambridge. Le choix de ce type de capteur sans contact résultait de sa stabilité en température et de son faible coût. Les capteurs de position à effet Hall couramment utilisés sont en effet plus chers et leur température varie après une mesure. Concevoir un capteur de position par induction par la simulation Afin d’analyser, notamment en fréquence, le fonctionnement d’un capteur de position par induction, ce chercheur a utilisé le logiciel d’éléments finis Comsol Multiphysics pour créer un modèle de bobine inductive plane. Dans ce modèle, la bobine plane est en forme de spirale et un de ses côtés touche la carte de circuit imprimé. Les bobines planes peuvent adopter différentes formes :carré, rectangulaire ou encore circulaire. Son modèle inclut également un activateur (en forme de losange), créé à partir d’un film mince de cuivre. L’activateur est positionné entre 0,2 et 0,3 millimètre au-dessus des bobines Quand l’activateur en cuivre glisse juste au-dessus d’une bobine plane, les courants induits réduisent l’inductance de la bobine. Dans le diagramme, les bobines 2, 3et4montrent un changement de leur inductance en lien avec leur position relative par rapport à l’activateur. Cette variation de l’inductance est convertie en un signal de tension qui donne une idée delaposition approximative de l’activateur. Le modèle décrit jusqu’à présent est limité à une petite partie de la carte du circuit imprimé. Ceci est lié à la petite taille et au nombre limité de tours des bobines planes. De fait, la sensibilité du capteur est directement dépendante de la réduction possible de l’inductance. Pour dépasser ces limitations, un modèle de double couche de bobines planes a été construit et comparé au premier modèle. Globalement, le capteur de position peut être vu comme les enroulements primaire et secondaire, pas très performants, d’un transformateur, utilisant l’air comme matériau de cœur. Image d’un capteur de position par induction, la ligne rouge représente l’activateur. Image tirée delaprésentation de A. K. Palit à la Conférence Comsol 2014 à Cambridge. Essais & Simulations • SEptEmbrE 2015 • pAGE 42

dossier automobile À gauche :Position Xoff (mm) horizontale de l’activateur fonction de l’inductance de la bobine (nH) d’une bobine plane simple couche. À droite :Position Xoff (mm) horizontale de l’activateur fonction de l’inductance de la bobine (nH) d’une bobine plane double couche. Image tirée delaprésentation de A. K. Palit à la Conférence Comsol 2014 à Cambridge. Analyse des résultats Cette simulation aaidé à mieux comprendre le fonctionnement réel de ce type decapteur de position, en précisant la variation d’inductance d’une bobine plane en fonction dudéplacement horizontal de l’activateur juste au-dessus. Dans lecapteur deposition, un changement deposition horizontal Xoff est corrélé avec un déplacement physique de l’activateur. Classiquement, Xoff signale une pause ou un arrêt de transmission, ce qui se traduit dans la simulation par une diminution del’inductance de la bobine plane. Dans les graphiques, Xoff=0 indique le centre d’une bobine plane. À cet endroit, l’inductance doit être à sa valeurminimale. Le graphique suivant montre comment le déplacement horizontal del’activateur influe sur l’inductance d’une bobine plane à une fréquence de 10 MHz. Bien que les deux courbes présentent la même allure, les résultats montrent des différences significatives. Pour le graphique d’une bobine plane en une couche, le glissement de l’activateur provoque une variation d’environ 49 % de l’inductance de la bobine. Cette variation atteint 53 %pour l’inductance de la bobine double couche, dont la valeur est par ailleurs plus élevée. Ce sont des résultats attendus, puisqu’une plus grande surface de bobine entraine une plus grande inductance. Cet effet est à priori favorable pour améliorer la sensibilité du capteur de position. L’amplitude de la densité de flux magnétique (en mT) aaussi été calculée à la fréquence de 10 MHz pour les deux modèles de capteur. Onobserve ainsi la variation de flux magnétique dansl’air du noyau. Bien que difficile à comparer directement, les deux images montrent un flux magnétique plus important dans le cas de la double couche, et donc une preuve supplémentaire de l’intérêt des bobines planes double couche. utiliser la simulation dans un test de conduite À partir des modélisations du capteur de position par induction et des informations obtenues lors des simulations, le chercheurest parvenu à concevoir un design qui répond aux contraintes de fonctionnement du véhicule. Ce design a ensuite été optimisé en analysant grâce aux simulations l’influence des différents paramètres, comme les distances entre les différents éléments (en pratique les positions horizontales et verticales de l’activateur), la géométrie et les tailles sur la sensibilité et l’efficacité du capteur. Un point mis en évidence apar exemple été la possible réduction de l’impédance d’une bobine plane, quand l’activateur est placé au centre de la bobine, avec une inter-distance d’au plus 0,2 millimètre. Ce résultat a été utile dans le développement d’une boîte de vitesse automatique d’une voiture allemande. >> Pour plus de détails, lire sur Comsol.Comsol.fr/papers-presentations l’article d’A.K. Palit, Frequency Response Modeling of Inductive Position Sensor with Finite Element Tools, présenté lors la Conférence Comsol 2014 à Cambridge – Article extrait du blog Comsol Comsol. Comsol.fr/blogs/modeling-an-inductive-position-sensor/ Essais & Simulations • SEptEmbrE 2015 • pAGE 43