Méthodes d’analyse haute fréquence des contraintes inter-spires dans les bobinages de machines électriques

Méthodes d’analyse haute fréquence des contraintes inter-spires dans les bobinages de machines électriques

À propos de ce projet

Thème

Contexte

Dans l’aéronautique, l’efficacité énergétique et la fiabilité des appareils ont augmenté significativement, tandis que leur poids était réduit ces dernières années.

Pour accentuer encore davantage cette tendance, l’avenir repose sur une nouvelle génération d’avions « plus électriques ». Cette ambition est rendue possible par l’émergence de nouvelles technologies dans le domaine du génie électrique :

• La technologie des semi-conducteurs dit « grand gap » permettant une augmentation très franche des fréquences de découpage des convertisseurs. Associés à des tenues en température nettement améliorées de ces matériaux, les onduleurs dédiés aux actionneurs aéronautiques ont vu leur masse et leur volume décroître rapidement,
• L’utilisation plus généralisée de moteurs à aimants afin d’optimiser la puissance massique des actionneurs embarqués,
• L’augmentation de l’utilisation d’actionneurs électriques dans les avions conduisant 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. Les tensions de bords vont encore augmenter dans les prochaines années pour dépasser plusieurs kV.

Cependant, les machines électriques subissent de nouvelles contraintes avec ces évolutions.  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 est responsable de pics de tension dont l’amplitude approche le maximum théorique. Ces contraintes mènent invariablement à l’apparition de décharges partielles dans l’isolation inter-spires des bobinages, particulièrement nocives pour la longévité de la couche isolante.

Objectifs

Les objectifs de ces travaux sont doubles :

• Le premier objectif concerne le développement d’outils permettant de prendre en compte la dépendance des paramètres du modèle représentant les effets résistifs, inductifs et capacitifs par rapport à la fréquence. En ce qui concerne les deux premiers effets, les méthodes développées dans le cadre de travaux précédents (thèse de M. Toudji) permettent déjà de les déterminer à une fréquence donnée. Il s’agit maintenant d’établir les lois régissant ce comportement en fonction de la fréquence.
• Le deuxième objectif de ces travaux concerne les effets capacitifs. En effet, dans la littérature, ces derniers sont systématiquement évalués dans le cadre d’études statiques, c’est-à-dire sous excitation continue. Il s’agira, dans un premier temps, de déterminer dans quelle mesure ils sont influencés par la fréquence d’excitation puis, dans un second temps, de quantifier leur influence par rapport aux phénomènes résistifs et inductifs en haute fréquence.

Retombées

Les retombées pour le LSEE sont multiples. Tout d’abord, la thèse est réalisée en cotutelle avec le laboratoire ACE de l’université de Liège. À ce titre, elle représente une étape supplémentaire dans la collaboration entamée il y a quelques années entre le LSEE et ACE et qui s’est traduite jusqu’ici par plusieurs publications communes. Ensuite, la thèse est codirigée, côté ACE, par le professeur C. Geuzaine dont la thématique de recherche est ancrée dans les mathématiques appliquées. Aussi, ce travail est l’occasion d’une montée en compétences dans la thématique des modélisations hautes fréquences des phénomènes électromagnétiques à l’aide de la méthode des éléments finis. Enfin, d’un point de vu pratique, ce travail permettra d’établir un outil fiable et efficace permettant d’évaluer a priori les contraintes inter-spires apparaissant dans un bobinage de machine électriques. À terme, cet outil constituera un atout majeur du LSEE pour les travaux futurs dans cette thématique. En particulier, il constituera un excellent support pour des études en partenariat, qu’ils soient académiques ou industriels.