Conception, en prenant en compte les décharges partielles, du système d'isolation électrique des machines à forte densité de puissance destinées à la propulsion hybride de futurs avions régionaux

Design, taking into account the partial discharges phenomena, of the electrical insulation system (EIS) of high power electrical motors for hybrid electric propulsion of future regional aircrafts

• Auteur / Autrice : Philippe Collin
• Direction : David Malec, Yvan Lefèvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 03/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception et construction

Isolation électrique

Moteurs électriques

Transports aériens

Mots clés libres

Décharges partielles

Paschen

Modélisation

Eléments finis

Champ électrique

Dimensionnement

Diélectriques

Isolation électrique

SADP

Partial discharges

Paschen

Modeling

Finite elements

Electric field

Sizing

Dielectrics

Electrical insulation

PDIV

Résumé

La réduction des émissions de CO2 est un enjeu majeur pour l'Europe dans les années à venir. Les transports sont aujourd'hui à l'origine de 24% des émissions globales de CO2. L'aviation ne représente que 2% des émissions globales de CO2. Cependant, le trafic aérien est en pleine expansion et, déjà, des inquiétudes apparaissent. A titre d'exemple, en Suède, depuis les années 1990, les émissions de CO2 dues au trafic aérien ont augmenté de 61%. Ce constat explique l'apparition du mouvement "Flygskam" qui se repend dans de plus en plus de pays Européen. C'est dans ce contexte que l'Union Européenne a lancé en septembre 2016 le projet Hybrid Aircraft Academic research on Thermal and Electrical Components and Systems (HASTECS). Le consortium regroupe différents laboratoires et Airbus. Ce projet s'inscrit dans le programme "Clean Sky 2" qui vise à développer une aviation plus verte. L'objectif ambitieux est de réduire de 20% les émissions de CO2 et le bruit produits par les avions d'ici 2025. Pour cela, le consortium étudie une architecture hybride de type série. La propulsion est assurée par des moteurs électriques. Deux cibles ont été définies. En 2025, les moteurs doivent atteindre une densité de puissance de 5kW/kg, système de refroidissement inclus. En 2035, la densité de puissance des moteurs sera doublée pour atteindre 10kW/kg. Pour atteindre ces cibles, le niveau de tension sera considérablement augmenté, au-delà du kilovolt. Le risque de décharges électriques dans les stators des moteurs électriques est considérablement accru. L'objectif de cette thèse est de mettre au point un outil d'aide au design du Système d'Isolation Electrique (SIE) primaire du stator de moteur électrique piloté par convertisseur. Elle est découpée en cinq parties. La première partie commence par préciser les enjeux et défis d'une aviation plus verte. Le SIE du stator de moteur électrique est développé. Enfin, les contraintes qui s'appliquent sur le SIE dans l'environnement aéronautique sont identifiées. La deuxième partie présente les différents types de décharges électriques que l'on peut retrouver. Le principal risque vient des Décharges Partielles (DP) qui détériorent peu à peu le SIE. Le principal mécanisme pour expliquer l'apparition des DP est l'avalanche électronique. Le critère de Paschen permet d'évaluer le Seuil d'Apparition des Décharges Partielles (SADP). Différentes techniques permettent de détecter et mesurer l'activité des DP. Des modèles numériques permettent d'évaluer le SADP. La troisième partie présente une méthode originale pour déterminer les lignes de champ électrique dans un problème électrostatique. Elle n'utilise qu'une formulation en potentiel scalaire. La quatrième partie présente une étude expérimentale pour établir une correction du critère de Paschen. Un bobinage de moteur électrique est très loin des hypothèses dans lesquelles ce critère a été originellement défini. Enfin, la cinquième partie est consacrée à l'élaboration de l'outil d'aide au design du SIE. Des abaques sont construites afin de fournir des recommandations sur le dimensionnement des différents isolants dans une encoche de stator. Une réduction du SADP due à une variation combinée de la température et de la pression est prise en compte.

Reducing CO2 emissions is a major challenge for Europe in the years to come. Nowadays, transport is the source of 24% of global CO2 emissions. Aviation accounts for only 2% of global CO2 emissions. However, air traffic is booming and concerns are emerging. For instance, CO2 emissions from air traffic have increased by 61% in Sweden since the 1990s. This explains the emergence of the "Flygskam" movement which is spreading in more and more European countries. It is in this context that the European Union launched in September 2016 the project Hybrid Aircraft Academic research on Thermal and Electrical Components and Systems (HASTECS). The consortium brings together different laboratories and Airbus. This project is part of the program "Clean Sky 2" which aims to develop a greener aviation. The ambitious goal is to reduce CO2 emissions and the noise produced by aircraft by 20% by 2025. To do that, the consortium is studying a serial hybrid architecture. Propulsion is provided by electric motors. Two targets are defined. In 2025, the engines must reach a power density of 5kW/kg, including the cooling system. In 2035, the power density of the engines will be doubled to reach 10kW/kg. To reach these targets, the voltage level will be considerably increased, beyond one kilovolt. The risk of electric discharges in the stators of electric motors is considerably increased. The objective of this thesis is to develop a tool to assist in the design of the primary Electrical Insulation System (EIS) of the stator of an electric motor controlled by a converter. It is organized in 5 parts. The first part begins by clarifying the issues and challenges of a greener aviation. The electric motor stator EIS is developed. Finally, the constraints that apply to the EIS in the aeronautical environment are identified. The second part presents the different types of electric discharges that can be found. The main risk comes from Partial Discharges (PD) which gradually deteriorate the EIS. The main mechanism for explaining the appearance of PD is the electronic avalanche. The Paschen criterion makes it possible to evaluate the Partial Discharge Inception Voltage (PDIV). Different techniques are used to detect and measure the activity of PD. Numerical models are used to evaluate the PDIV. The third part presents an original method for determining the electric field lines in an electrostatic problem. It only uses a scalar potential formulation. The fourth part presents an experimental study to establish a correction of the Paschen criterion. An electric motor winding is very far from the hypotheses in which this criterion was originally defined. Finally, the fifth part is devoted to the development of the SIE design aid tool. Graphs are generated to provide recommendations on the sizing of the various insulators in a stator slot. A reduction in the PDIV due to a combined variation in temperature and pressure is taken into account.