Etude diélectrique des isolants plats anodisés pour la conception de machines électriques

Dielectric study of flat anodized insulations for electrical machine design

• Auteur / Autrice : Sylvain Babicz
• Direction : Gabriel Vélu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 06/12/2016
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Vélu, Bruno Douine, Pascal Rain, Andrea Cavallini, Sombel Diaham, Sonia Ait-Amar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Douine, Pascal Rain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bobines d'induction

Métaux -- Oxydation anodique

Propriétés électriques

Matériaux céramiques

Conducteurs électriques

Effets des hautes températures

Machines électriques

Mots clés libres

Aluminium

Alumine

Anodisation

Haute température

Décharge partielle

Modélisation

Isolation inter-spires

Aluminum

Alumina

Anodisation

High temperature

Partiel discharge

Modeling

Inter-turn insulation

Résumé

L’augmentation de la classe de température des machines électriques tournantes atteint son maximum avec des vernis organiques spéciaux pouvant supporter jusqu’à 280 °C. La rupture technologique se trouve alors dans la substitution d’un vernis organique par une matière inorganique. La famille des céramiques répond aux critères. Ces céramiques sont de bons diélectriques et résistent à de fortes températures. Dans ces travaux, le conducteur étudié se présente sous la forme d’un ruban et se compose d’une âme conductrice en aluminium, dont la couche isolante a été obtenue par le processus électrochimique d’anodisation. Ce processus permet de faire croître sur l’aluminium une couche d’alumine de quelques micromètres. L’objectif de ces travaux de thèse est de caractériser ce type de conducteur pour démontrer la possibilité ou non de l’utiliser comme conducteur pour la réalisation de bobinages pour des machines dites « hautes températures », pouvant fonctionner jusqu’à des températures ambiantes de 400 °C. Des mesures de TADP, TEDP, tensions de claquage sont effectuées sous des conditions environnementales variables (hautes températures, températures négatives, humidité variable). Les actionneurs réalisés avec ce type de conducteur seront alimentés par un convertisseur provoquant des fronts raides et des surtensions. Un modèle théorique de bobine est donc proposé, basé sur l’étude du spectre d’impédance de celle-ci, et permettant de prédire l’amplitude du premier dépassement suite à un front raide. L’amélioration de l’isolation des bobines se fait par une imprégnation à l’oxyde de bore, après confection des bobines, renforçant la couche d’alumine sur les bords du ruban.

The use of state of the art organic enamels, capable to withstand 280 °C, makes the temperature class increase of electrical machine reaching its maximum. A technological breakthrough can be found by the substitution of organic enamel by a ceramic based insulation. Those materials are good dielectrics and their temperature resistance is very high compared to a classical technology. In this work, the studied conductor is an aluminum tape which insulation is obtained by an anodisation, an electrochemical process. This surface treatment makes the aluminum oxidizing: a thin layer of a few micrometres is obtained, thus representing the insulation layer of the conductor. The objectives of those PhD works is to identify and characterize this particular type of conductor so as to demonstrate the ability of using an anodized aluminum tape to makeelectrical machine running up to 400 °C. Measurements of PDIV, PDEV, and breakdown voltage are carried under various environmental conditions (temperatures varying from -70 °C up to 650 °C, variable humidity level). The use of an inverter to supply this high temperature machine induces steep fronts and over voltages. As a consequence, a theoretical model of a coil, made with this kind of conductor, is then proposed and based upon the impedance spectrum of the coil. The aim of this model is to help the designer to predict the first over voltage amplitude and to make the insulation of the first coil according to that. At least, a coil insulation improvement is depicted, using boron oxide: an impregnation is held to reinforce the alumina layer on the edge of the tape