Analyse des phénomènes de vieillissement des matériaux d’isolation électrique de machines de traction électrique

Analysis of ageing phenomena of electrical insulation materials used in electrical motors for the automotive

• Auteur / Autrice : Florian Loubeau
• Direction : Pascal Rain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Roger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Le Strat, Anne Durieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Royaud, David Malec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résines époxydes

Moteurs électriques

Effets de la chaleur

Isolants électriques

Mots clés libres

Machine électrique

Véhicule électrique

Résine d'imprégnation

Isolation électrique

Vieillissement

Décharges partielles

Electrical machine

Electric vehicle

Impregnating resin

Electrical insulation

Aging

Partial discharges

Résumé

La conception et la validation d’un nouveau moteur électrique nécessitent d’examiner les comportements dans le temps des différents matériaux d’isolation électrique face aux multiples contraintes qu’ils subissent. Les caractérisations au cours des vieillissements thermiques, hygrothermiques, thermomécaniques et électriques, ont porté sur les matériaux seuls , avec un focus particulier sur les résines d’imprégnation : une à base de polyesterimide et une à base d’époxy chargé, mais également sur les systèmes d’isolation électrique complets. Les autres matériaux sont l’émail des fils de cuivre, constitué de polyesterimide et de polyamide-imide, et deux papiers d’isolation tri-couches à base de Nomex® et de Kapton® pour l’un, et de Nomex® et de PET pour l’autre. Des caractérisations physico-chimiques (suivi de masse, spectroscopies IR et diélectrique, microscopie optique) et mécanique (flexion 3 points) ont permis de mettre en évidence des mécanismes de dégradations des matériaux lors des vieillissements thermiques et hygrothermiques tels que la perte d’adhérence de l’émail ou bien la délamination de la résine époxy. La caractérisation électrique des motorettes par des mesures de décharges partielles, a permis une évaluation des impacts des différents vieillissements et également de les corréler avec certains comportements des matériaux. L’influence de la forme d’onde sur la TADP a été étudiée. Il n’apparait aucune différence significative dans nos conditions entre des mesures sous signaux sinusoïdaux et sous signaux carrés. Les simulations de champs électriques sur les motorettes sont en accord avec les tensions d’apparition de décharges partielles (TADP) mesurées et avec l’influence de la température sur ces TADP.

Design and validation of a new electric motor require an examination of the behavior of the electrical insulating materials under different stresses. Characterizations were performed during aging, thermal, hydrothermal, thermomechanical and electrical, both on the materials, with a special focus on the impregnating resins: a polyesterimide and a filled epoxy, and on models of the electrical system. Other materials have also been characterized such as the enamel covering the copper, with a formulation based on polyesterimide and polyamide-imide, and two 3-layer insulating papers based on Nomex® and Kapton® for the first and on Nomex® and PET for the second. Physicochemical analyses (mass loss, IR and dielectric spectroscopies, optical microscopy) and mechanical characterizations (3-points bending) allowed the identification of the degradation mechanisms during thermal and hydrothermal aging. The effects of the applied stresses on the motorettes were evidenced by measurements of partial discharges. Correlations with the observed behaviors of the materials were underlined, such as the loss of enamel adhesion or the delamination of the epoxy resin. The influence of the waveform on the PDIV has also been studied and it revealed no significant difference between sinus wave and square wave. Simulations of electric fields on the motorettes are in agreement with the measurements of partial discharge inception voltages (PDIV) and with the influence of temperature on these PDIV.