Titre : Méthodes d`analyse des contraintes apparaissant

Titre : Méthodes d’analyse des contraintes apparaissant dans l’isolation inter-spires des bobinages des
machines électriques.
Financement prévu : Contrat DGF
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Stéphane Duchesne
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Guillaume Parent
E-mail : [email protected]
Laboratoire : Laboratoire Systèmes Electrotechniques et Environnement (EA 4025)
Equipe :
Contexte Scientifique
Les évolutions successives apparues ces dernières années dans le monde de l’aéronautique ont conduit au développement de
technologies très innovantes qui visent à réduire le poids et à augmenter l’efficacité énergétique ainsi que de la fiabilité des
appareils. Pour accentuer encore davantage cette tendance, les avionneurs cherchent à mettre au point une nouvelle
génération d’aéroplanes qui seront « plus électriques ».
Ce projet très ambitieux s’appuie sur l’émergence de nouvelles technologies dans le domaine du génie électrique :
• la technologie des semi-conducteurs dit « grand gap » basés sur des matériaux tels que le Carbure de Silicium (SiC)
ont permis des augmentations très franches des fréquences de découpage des convertisseurs. Associés à des tenues
en températures nettement améliorées de ces matériaux, les onduleurs dédiés aux actionneurs aéronautiques ont vu
leur masse et leur volume décroitre rapidement.
• l’utilisation plus généralisée de moteur à aimant qui permettent d’optimiser la puissance massique des actionneurs
embarqués.
• De surcroit, l’augmentation de l’utilisation d’actionneurs électriques dans les avions a conduit à une modification
majeure du réseau embarqué dont la tension est passée de 400V-AC à ±270V-DC afin de limiter les masses de
cuivre embarquées [2].
Ces 3 évolutions majeures sont responsables d’une augmentation des contraintes auxquelles sont soumises les machines
électriques. L’augmentation de l’amplitude et de la fréquence de découpage de la tension impose des fronts de tensions
beaucoup plus raides lors de chaque commutation et sont responsables de pics de tensions dont l’amplitude approche le
maximum théorique. Ces contraintes mènent invariablement à l’apparition dans l’isolation inter-spires des bobinages de
décharges partielles particulièrement nocives pour la longévité de la couche isolante. En effet, les mécanismes de
vieillissement des isolations organiques utilisées pour les bobinages des machines s’emballent dès que le seuil d’apparition
des décharges partielles (PDIV) est dépassé. Dans ce cas la longévité de la machine passe de plusieurs milliers d’heures à
quelques dizaines de minutes.
Sujet de la thèse
La thèse de V. Mihaila a mis en évidence, grâce à un modèle RLC des bobines équipant les actionneurs à courant alternatif,
la possibilité de trouver des arrangements optimisés de la répartition des spires des bobines dans les encoches, arrangements
qui limitent les contraintes sur la couche isolante [2]. Par la suite, la thèse de J. Moeneclaey a mis en évidence des zones très
spécifiques d’apparition des décharges dans les bobinages en couplant des analyses Eléments Finis en 2D avec les lois de
Paschen.
Le but de ce travail de thèse s’inscrit dans la continuité des travaux précédents. Il s’agit de développer de nouvelles
méthodes permettant de calculer, au moment de la conception de la machine, les différentes contraintes électriques sur
l’isolant inter-spires. L’idée majeure est de faire évoluer le modèle existant en lui donnant une dimension plus large. En
effet, ce dernier calcule les contraintes en déterminant les différences maximales des rangs inter-spires pour en déduire les
tensions inter-spires. La nouvelle version du code travaillera avec le champ électrique E et sa répartition exacte dans
l’encoche. Pour cela il faudra développer des méthodes de calcul couplées entre Eléments Finis et résolution de circuit. Le
but est de pouvoir déterminer avant construction les diverses valeurs des éléments du schéma équivalent RLC du bobinage
et d’en déduire, grâce à des algorithmes d’optimisation, les meilleurs arrangements en prenant en compte le front de l’onde
traversant la bobine et la répartition géographique du champ électrique dans l’encoche. Un important travail d’analyse des
différents paramètres du modèle devra être réalisé de manière à pouvoir les déterminer, a priori sans aucune mesure
supplémentaire.
La majeure partie du travail se situera dans la mise au point de méthodes de détermination des éléments du schéma
équivalent sans s’appuyer sur l’expérimentation afin de donner un caractère très évolutif à l’outil développé. Ces différents
éléments devront être déduits de méthodes analytiques ou numériques. Les premières études de sensibilité du modèle [2] ont
montré que certains paramètres, comme les capacités parasites et les inductances mutuelles ont une influence importante sur
le résultat. C’est sur ces éléments qu’il faudra se concentrer en priorité. Il sera également nécessaire de prendre en compte
les variations naturelles de chacun des paramètres avec la fréquence. Il sera peut être utile de mettre au point des séries
d’abaques permettant d’évaluer certains paramètres, notamment les résistances correspondantes aux pertes rayonnées. Ces
différentes méthodes devront être validées à l’aide de mesures expérimentales menées sur un banc de mesure composé de
plusieurs type de bobines tests.
Ces travaux seront réalisés à l’aide du code de calcul libre General Environment for the Treatment of Discrete Problems
(GETDP) [9]. En effet, le code GETDP, de par sa souplesse d’utilisation, permet la résolution de n’importe quel système
d’équations aux dérivées partielles. En particulier, dans notre étude, il permettra de résoudre des problèmes
d’électrostatique, de magnétostatique, magnétodynamique et d’équations de circuit. Dans ce cadre, une collaboration avec le
laboratoire Applied and Computational Electromagnetics (ACE) de l’université de Liège (Belgique) est envisagée.
Etat de l’art de ce travail au sein du LSEE
Le LSEE travaille sur la problématique de l’isolation des conducteurs des machines depuis 2002 et le projet Futurelec 2 du
CNRT. Depuis lors plusieurs thèses ont été soutenues dans ce domaine [1-2]. Ces travaux ont permis au laboratoire de se
forger une expérience reconnue nationalement et internationalement dans le domaine de l’isolation des machines comme les
programmes Cleansky et ACCITE dont le LSEE est l’animateur le démontrent.
1. La thèse de V. Mihaila [2] a permis de développer un modèle générique du bobinage d’une machine dont la
granulométrie repose sur le modèle d’une spire du bobinage.
2. Cette première étude a permis de donner les grandes lignes de la détermination des différents paramètres du
modèle en utilisant des méthodes expérimentales, analytiques et numériques.
3. À l’aide d’un algorithme d’optimisation élémentaire s’appuyant sur les écarts de rang entre chaque spire, nous
avons pu définir des arrangements optimisés de spires dans les encoches permettant de limiter les contraintes interspires.
4. La thèse de J. Moeneclaey (en cours) a mis en évidence l’apparition très localisée des phénomènes de décharges
responsables de la dégradation des isolants. En couplant des analyses Eléments Finis en 2D et les lois analytiques
définis par Paschen, il est possible de déterminer en fonctions des paramètres environnementaux les positions de
ces phénomènes.
Ces avancées, offrent plusieurs voies d’évolution possibles pour l’isolation des machines. Le couplage du calcul de la
distribution du champ électrique dans une encoche avec les lois de Paschen permettra notamment de prédire avec une bonne
précision les points les plus fragiles du bobinage.
Retombées scientifiques et économiques attendues
En termes de retombées scientifiques, ce travail permettra de donner une interprétation plus claire de la répartition du champ
électrique dans une encoche ainsi que des différentes contraintes qui lui sont associé. Cela permettra de mieux définir le
système d’isolation de la machine dès sa phase de conception en prenant en compte le profil de mission visé. Sur le plan
économique, un équipementier automobile ou aéronautique pourra, en fonction de la mission dont la machine doit
s’acquitter, adapter le système d’isolation.
Bibiographie
[1] Piotr Werynski. « Vieillissement des diélectriques et surveillance in situ des machines élec- triques ». Thèse de doct. Université
d’Artois, 2006.
[2] Vasile Mihaila. « Nouvelle conception des bobinages statoriques des machines à courant alter- natif pour réduire les effets négatifs
des dV/dt ». Thèse de doct. Université Lille Nord de France — École doctorale SPI, 2011.
[3] Cavallini, D. Fabiani, G.C. Montanari; "Power electronics and electrical insulation systems - Part 3: Diagnostic properties," IEEE
Electrical Insulation Magazine, vol. 26, No.5, pp.30-40, September-October 2010.
[4] Popescu, E. Badareu, “Gaz Ionisés, Décharges Electriques dans les Gaz” Dunod, Paris, (1968).
[5] Sili, Elyse « Etude et caractérisation des décharges partielles et du vieillissement du polyimide en environnement aéronautique »,
Université de Toulouse, Laplace, 2012.
[6] Vasile Mihaila, "Nouvelle conception des bobinages statoriques des machines à courant alternatif pour réduire les effets négatifs des
dV/dt.", Université d’Artois – LSEE, thèse soutenue le 14 décembre 2011.
[7] V. Mihaila, S. Duchesne and D. Roger, "A Simulation Method to Predict the Turn-to-turn Voltage Spikes in a PWM Fed Motor
Winding," IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 18, N°. 5, Oct. 2011, pp. 1609-1615.
[8] Savin, S.; Ait-Amar, S. & Roger, D. “Turn-to-turn capacitance variations correlated to PDIV for AC motors monitoring”, Dielectrics
and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, 2013, 20, 34-41
[9] P. Dular, C. Geuzaine, F. Henrotte et W. Legros. « A general environment for the treatment of discrete problems and its application to
the finite element method ». Dans : IEEE Transactions on Magnetics 34.5 (1998), pp–3395–3398. issn : 0018-9464. doi :
10.1109/20.71 7799.