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Collin, Philippe. 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

Collin, Philippe (2020). 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.

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Résumé en francais

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.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Malec, David
Lefevre, Yvan
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
Mots-clés libres :Décharges partielles - Paschen - Modélisation - Eléments finis - Champ électrique - Dimensionnement - Diélectriques - Isolation électrique - SADP
Sujets :Electricite, électronique, automatique
Déposé le :18 Dec 2020 13:18