Conception d une machine asynchrone haute température

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1 Univerité Lille Nord de France École doctorale SPI 072 Univerité d Artoi Laboratoire Sytème Électrotechnique et Environnement (LSEE) THÈSE Préentée en vue d obtenir le grade de Docteur de l Univerité d Artoi par Dorin COZONAC Dicipline : Génie Électrique Conception d une machine aynchrone haute température Soutenue publiquement à Béthune le 7 octobre 2015 devant le jury compoé de : Rapporteur : J-P. CAMBRONNE, Profeeur Univerité Paul Sabatier- Touloue III, Touloue B. NAHID MOBARAKEH, Maître de conférence HDR Univerité de Lorraine, Nancy Examinateur : J.OJEDA Maître de conférence à l ENS Cachan J-Ph. LECOINTE Profeeur, LSEE Univerité d Artoi, Co-directeur de thèe G. VELU Profeeur, LSEE Univerité d Artoi, Directeur de thèe Invité : M. CHARLAS Docteur-Ingénieur, Labinal Power Sytem (Groupe SAFRAN) S. DUCHESNE Profeeur, LSEE Univerité d Artoi

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3 Remerciement

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5 Le travail préenté dan ce mémoire a été effectué au Laboratoire Sytème Électrotechnique et Environnement (LSEE) de l Univerité d Artoi à Béthune dirigé par Monieur Jean-Françoi BRUDNY juqu en eptembre 2014 pui par J-Philippe LECOINTE. Je tien à le remercier pour m avoir accueilli dan leur équipe pendant ce année de travaux de recherche. Je ouhaite également adreer me incère remerciement à Monieur Gabriel VELU d avoir encadré me travaux et m avoir guidé tout au long de ma thèe. Sa motivation, a diponibilité, e compétence, e encouragement et on aide ont été déterminant pour moi et pour ce travail. De même, je tien remercier me co-encadrant, notamment Monieur Jean-Philippe LECOINTE et Monieur Stéphane DUCHESNE pour leur précieux coneil, leur outien et d avoir créé une atmophère propice à la bonne réuite de me travaux. Me remerciement vont également à l enemble de membre du jury pour leur collaboration à l examen de ce travail et leur participation à la outenance. Je remercie profondément à Monieur Jean Pacal CAMBRONNE, profeeur à l Univerité Paul Sabatier- Touloue III, Touloue aini qu à Monieur Babak NAHID-MOBARAKEH maître de conférence HDR à l Univerité de Lorraine, Nancy pour leur intérêt qu il ont accordé à me travaux de recherche en acceptant d en être rapporteur. Je ui trè honoré de leur préence dan ce jury. Qu il trouvent ici le témoignage de ma profonde reconnaiance. Me remerciement vont aui à tou le peronnel technique, adminitratif et cientifique du LSEE que j ai côtoyé au cour de ce troi année de thèe. J adree me incère remerciement à Monieur Serghei SAVIN qui a établi le premier contact avec le Laboratoire LSEE et pour on outien au début de mon éjour à Béthune et à l adaptation à la ociété françaie. Je ouhaite évidemment remercier l enemble de doctorant avec qui j ai eu plaiir de travailler dan une ambiance chaleureue et conviviale. Enfin, je remercie ma femme Ana, ma famille et me ami pour leur outien moral durant ce année de thèe. 5

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7 Sommaire

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9 Sommaire Remerciement... 3 Sommaire... 7 Introduction générale I État de l art I.1 Contexte et problématique I.2 Effet de la température ur le machine tournante I.2.1 Ca de la machine aynchrone I.2.2 Fondement théorique du moteur aynchrone I.2.3 Influence de la température ur le choix de compoant du moteur I.2.4 Machine électrique fonctionnant à HT I.3 Influence de la température ur le propriété de matériaux I.3.1 Matériaux iolant I.3.2 Matériaux magnétique I.3.3 Impact de la température ur le matériaux conducteur I.4 Concluion Bibliographie Chapitre I II Caractériation de matériaux candidat aux haute température II.1 Identification de fil candidat avec iolation inorganique II.1.1 Méthodologie et ytème de meure II.1.2 Comparaion de fil avec différente iolation inorganique II Decription de fil HT II Analye générale de fil HT II Analye tructurelle de fil HT II.2 Iolant plat et ciment d imprégnation II Le iolant plat II Ciment d imprégnation II.3 Performance de fil candidat à HT II.3.1 Caractériation diélectrique II Réitance d iolation II Capacité parallèle II Décharge Partielle et tenion de claquage II Interprétation de réultat II.3.2 Caractériation de contrainte mécanique ur le iolant céramique II Analye du rayon de courbure dan un métal liquide II Analye du rayon de courbure par microcopie de la urface de l iolant II Interprétation de réultat II.3.3 Caractériation du fil candidat final II Préparation de échantillon II Réultat

10 II.4 Circuit magnétique II.4.1 Tôle à grain orienté II.4.2 Eai ur cadre torique en température II.5 Concluion Bibliographie Chapitre II III Contribution au dimenionnement d une machine aynchrone HT III.1 Decription de élément du moteur III.1.1 Conception du bobinage III.1.2 Deign du circuit magnétique III.1.3 Élément paif III.2 Modèle thermique III.2.1 Modèle thermique pour la MASHT III.2.2 Analye mathématique du modèle thermique III.2.3 Calcul de élément du modèle thermique III Source de chaleur du moteur III Réitance thermique par conduction III Réitance thermique par convection III Réitance thermique par rayonnement III Le capacité thermique III Réultat III.3 Méthode de calcul d une MASHT III.3.1 Stratégie de dimenionnement du MASHT III Exploitabilité de la bibliographie. Définition de contrainte III Méthode de calcul de machine aynchrone III Adaptation à la conception de moteur à HT III.3.2 Méthodologie de calcul III Paramètre de clae III Paramètre de clae 1. Choix de variable III Paramètre de clae 2. Début du calcul électromagnétique III Dimenionnement géométrique du tator et du rotor III Calcul de paramètre du régime de fonctionnement III Expreion du couple III Calcul de perte III Courbe de fonctionnement III Analye de paramètre impactant le dimenionnement III.4 Concluion Bibliographie Chapitre III Concluion générale et perpective

11 Introduction générale

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13 Introduction générale La conception de machine électrique tournante repoe ur le propriété mécanique, électrique et thermique qu offrent le matériaux qui contituent ce machine. Par exemple, pendant longtemp, atteindre de trè grande vitee a été impoible pour de problème de guidage mécanique. Actuellement, le denité de courant choiie par le concepteur de machine tournante ne dépaent que rarement 6A/mm 2, auf pour le machine équipée de ytème de refroidiement évolué, comme le actionneur refroidi par eau ou le turbo-alternateur. L augmentation de denité de courant conduit en effet à de échauffement que le matériaux iolant organique utilié dan la majorité de ca ne upportent pa. Pourtant, accroître la température de fonctionnement de actionneur électrique tournant revêt un double intérêt. Premièrement, certaine application requièrent de moteur électrique pouvant évoluer dan de environnement chaud. Un exemple typique et la nouvelle technologie «open rotor», en développement pour le future turbine d avion. En effet, dépourvue de carénage, ce nouvelle turbine ne pourront plu accueillir en périphérie le acceoire électrique comme c et le ca actuellement. Il devient alor néceaire de le implanter au cœur même de la turbine où la température avoiine le 300 C dan le zone le plu froide. D autre application plu indutrielle comme la ventilation d air chaud en ca d incendie ont également concernée. Deuxièmement, accroître la denité de courant dan le conducteur d une machine électrique tournante et ynonyme d accroiement de a puiance maique et de a puiance volumique. Ce dernière ont primordiale en terme d encombrement et de mae pour le application embarquée. Le répercuion liée à l utiliation d actionneur plu compact ont économique, à la fabrication comme à l uage, mai aui environnementale. On perçoit donc bien l intérêt de pouvoir accroître la température de fonctionnement de machine tournante. Bien de difficulté apparaient à différent niveaux. En effet, ce n et pa eulement la problématique du dimenionnement qui et à conidérer, mai c et l enemble de la machine qu il faut repener : le matériaux contitutif doivent être identifié, caractérié, de manière à redéfinir de loi d évolution tributaire de la température. Du point de vue tructurel, le contrainte impoée par l utiliation de ce matériaux pourraient conduire à remettre en caue le procédure actuelle de contruction de machine : réaliation du circuit magnétique, inertion du bobinage, mie en forme de tête de bobine, etc... Ce travail de thèe propoe de définir une approche théorique couplée à de validation expérimentale pour définir le matériaux le plu adapté aux machine haute température en terme de mie en œuvre ou de performance électrique. L objectif et ambitieux avec la conception d une machine fonctionnant à 400 C. Le contrainte impoée par le bobinage de nouveaux matériaux devront être placée au cœur de la démarche de conception de machine en adaptant le propriété de circuit magnétique aux caractéritique de nouvelle bobine. De même, il era néceaire de remettre en caue le choix du matériau conducteur aux trè haute température. 13

14 Chapitre I Etat de l'art Le verrou technologique majeur de ce travail porte donc évidemment ur l iolation du conducteur, mai aui ur celle de tôle magnétique. Cette étude, nou le verron tout au long du mémoire, exploite de matériaux inorganique qui peuvent, à caue de leur température de fuion trè élevée, garder leur propriété mécanique et électrique pour de régime continu de longue durée. Néanmoin, le comportement de ce iolant dan le machine rete aez mal connu. Il agira donc d analyer le propriété diélectrique, le vieilliement et la dégradation de iolant, mai aui le propriété thermique, mécanique et électrique de chacun de élément d une machine tournante. Concernant le bobinage, l attention era portée ur le iolation entre-pire, entre-phae et de fond d encoche. Le étude déjà menée ur ce iolant inorganique e ont uniquement concentrée, pour la plupart, ur la tabilité thermique et diélectrique de compoant. Ce mémoire de thèe et tructuré en troi chapitre. Le premier chapitre ynthétie le étude théorique et pratique de la littérature relative à l effet de haute température pour le machine électrique et leur compoant. Le principe de élection de compoant d un Moteur ASynchrone à Haute Température (MASHT ) et le pite théorique pour la réduction de la taille du moteur ont d abord analyé. L étude bibliographique et axée ur le conducteur, le iolant et le matériaux magnétique uceptible d être utilié pour une MASHT. Le ource bibliographique montrent bien que, pour la réaliation d un prototype de moteur électrique fonctionnant à HT, le élément contitutif diffèrent totalement de ceux de machine claique fonctionnant à température ambiante. Le deuxième chapitre a pour objectif de cibler, parmi pluieur matériaux HT, le meilleur candidat pour la contruction d une telle machine. Le cœur du chapitre et conacré à la caractériation électrique et mécanique de fil candidat par de méthode pécifique. Par exemple, pour évaluer le propriété de l iolation inorganique, de fil candidat ou forme d éprouvette bobinée ur cylindre et de bobine de tet ont analyé. Du point de vue magnétique, de eai ur un cadre torique de tôle à grain orienté en fonction de la température ont effectué. L étude expérimentale de la montée en température conduit à définir le limite de matériaux et à mettre en évidence le poibilité de fabrication du bobinage et du circuit magnétique. Finalement, le troiième chapitre et conacré à la démarche de calcul d une MASHT triphaée de 1kW alimentée par le réeau. Le dimenionnement géométrique de chacun de élément du prototype et préenté en prenant en compte le recommandation préliminaire iue du deuxième chapitre ur le limite de compoant. Un modèle thermique implifié pour le tranfert thermique et adopté. Le calcul électromagnétique pécifique détermine le dimenion principale du moteur. L influence de la température ur le paramètre fixe le bae de la conception de machine électrique HT. Le concluion et le perpective ur le machine électrique HT ont préentée à la fin de ce mémoire. 14

15 Introduction générale Dan le mémoire, le grandeur e référant au tator et au rotor eront affectée d indice "" ou "r". Le grandeur "x" à évolution inuoïdale eront notée x xˆ co( ωt e) = où xˆ = x 2, "x" déignant la valeur efficace. L enemble de ce travaux a été réalié au ein du laboratoire LSEE (Laboratoire Sytème Électrotechnique et Environnement EA2546) de l Univerité d Artoi à Béthune et financé par le Minitère de l Eneignement Supérieur et de la Recherche. Chapitre d'équation (Suivant) Section 1 15

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17 I État de l art

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19 I.1 Contexte et problématique Ce premier chapitre et important, car il va nou permettre de mettre en lumière pourquoi la montée en température de machine électrique tournante et freinée par le caractéritique de matériaux le contituant. Aini, aprè un bref état du contexte et de la problématique, nou donneron quelque généralité ur la machine aynchrone. Nou expoeron enuite le problème qui apparaient pour le élément contitutif de la machine comme le fil conducteur, l iolation électrique, le circuit magnétique, lorque la température augmente franchement. Nou examineron enfin le olution enviageable actuellement. I.1 Contexte et problématique Nou l avon évoqué en préalable : l amélioration de la clae de température de l iolation de machine électrique contitue actuellement un verrou pour le fabricant de machine électrique. En effet, le différent iolant répondent à un cahier de charge incluant la valeur de la tenion électrique à upporter, la température de fonctionnement aini que le contrainte fonctionnelle et d agencement de l iolant dan la machine. Pour le petit moteur en bae tenion et bobiné en vrac, la dégradation et eentiellement due à l effet de la température et de l environnement. Le machine de moyenne et grande puiance, qui utilient de enroulement préformé, ont également affectée par la température et l environnement chimique. Cependant, le contrainte électrique et mécanique ont aui, pour ce machine, de facteur de vieilliement important. La détermination de l aptitude d une machine à upporter un fonctionnement en régime permanent ou l effet de Haute Température (HT ) et donc primordiale. Pendant le dernière ix décennie, la clae de température de iolant utilié dan le machine électrique et paée de C à plu de 200 C. À caue de propriété limitée de iolant organique lorque la température augmente, leur clae thermique ne dépae pa, aujourd hui, 240 C. Certain fil particulier iolé avec de poly-imide et comportant de nano-charge inorganique étendent le gamme de température juque 280 C [1]. Dan de condition extrême où le température excèdent 300 C, l iolation organique ne peut plu fonctionner an dégrader le comportement diélectrique de la machine [2]. Le actionneur actuellement utilié là où le température dépaent 250 C ont le plu ouvent mécanique ou hydraulique. De nombreue application prennent place dan de environnement où l air a une température contante dépaant le clae de référence de l iolation organique comme, par exemple, le zone proche de réacteur nucléaire, le application patiale ou le ecteur fermé an moyen de refroidiement particulier. De plu, certaine application autorient le fonctionnement intermittent, de démarrage fréquent ou de environnement avec ventilation limitée voir nulle. La température de fonctionnement conditionne l iolation du bobinage et toute amélioration de la clae de température de l iolation permet aux concepteur de machine de reconidérer le dimenionnement de machine. 19

20 Chapitre I Etat de l'art I.2 Effet de la température ur le machine tournante L apparition d iolant inorganique apte à travailler à de température nettement upérieure à celle de matériaux organique ouvre un verrou technologique et donne de poibilité nouvelle aux concepteur de moteur. Néanmoin, de élément autre que l iolant du fil conducteur vont aui être impacté ignificativement par la montée en température. L un de élément clé et le conducteur qui doit aurer la circulation du courant dan la machine et dont la réitance électrique augmente naturellement avec la température. Parallèlement, il ubit également de phénomène de dégradation plu pécifique comme, par exemple, l oxydation du métal ou la migration du métal au traver de la couche iolante pour de température upérieure à 200 C [3]. Pour prévenir ce problématique, une couche d un métal protecteur vient généralement recouvrir le métal de bae pour former une barrière de diffuion. Cet ajout vient aui notablement influencer la réitance globale du fil. Ceci contitue un paramètre important, car une réitance de phae importante pourra conduire à une forte chute de tenion et à de perte par effet Joule élevée. Le circuit magnétique devra également être adapté aux haute température. En effet, en fonction de la température, le tôle voient leur performance magnétique diminuer. De plu, l iolation entre le tôle devra également être à même de upporter le température élevée au cœur de la machine pour continuer à limiter le courant de Foucault. Il faudra également prendre en compte le problématique d oxydation accélérée ur le bord de tôle qui ont dépourvu d iolation [4]. Il et évident que l iolation par verni organique, qui et habituellement utiliée, n et plu un bon choix. Cependant, l'augmentation de la température augmente la réitivité de alliage contituant le circuit magnétique et par conéquence tend à réduire le courant induit qui y circulent. Le roulement et leur lubrifiant ont aui de élément à adapter à la HT. De roulement entièrement en céramique ont actuellement diponible [5] et doivent permettre la rotation mécanique d une machine HT. Le lubrifiant organique claique ont inutiliable, car dépaé par la clae de température de la machine. Cependant, de roulement qui comportent de lubrifiant à bae de poudre de graphite ont diponible pour une utiliation à de température maximale de plu de 350 C [6]. Enfin, le ventilateur du moteur et le élément de connexion ont habituellement contitué de polymère ne upportant pa la température, mai il pourront être remplacé par de matériaux métallique ou minéraux. La carcae du moteur et l arbre doivent être remplacé par de matériaux à bae d acier inoxydable, d acier avec faible teneur en carbone, par du titane ou encore du tungtène. 20

21 I.2 Effet de la température ur le machine tournante Un de principaux verrou à la montée en température de machine électrique rete la problématique de la dilatation thermique différentielle qui apparait à différent endroit de la machine. En effet, le différent contituant de la machine tel que le conducteur, l iolant du conducteur, le circuit magnétique ou encore le élément métallique ont de forme et de nature différente. La dilatation différentielle conduit, notamment, à la formation de contrainte mécanique entrainant de fiure ou de crevae entre le conducteur et on iolant à caue de coefficient de dilatation thermique trè différent. Plu enible encore, l entrefer de petite machine peut avoir une épaieur inférieure à 0.3mm. Dan ce ca, la dilatation thermique peut conduire à de variation particulièrement gênante pour le fonctionnement normal de la machine. De plu, le moteur étant contitué de nombreue pièce de géométrie variée (dent, barre rotorique, encoche, culae, etc...), la dilatation thermique ne e manifete pa néceairement dan la même direction. Aini, le pièce cylindrique vont plutôt e dilater ver l extérieur et le pièce de forme rectangulaire tendront à e dilater proportionnellement dan toute le direction. Ce modification qui ont négligeable juque 100 C, requièrent de conidération upplémentaire pour le température bien upérieure qui nou intéreent ici. I.2.1 Ca de la machine aynchrone La littérature relative à la machine aynchrone et trè riche i bien que nou ne redonneron pa la théorie complète de ce machine [7-13]. Le but de ce paragraphe et de rappeler le partie eentielle contitutive de cette machine afin que le lecteur non-pécialite puie uivre l enemble de la démarche préentée. La machine aynchrone et la plu utiliée dan tou le domaine indutriel grâce à la implicité de a contruction et de on principe de fonctionnement. Son bon rendement et l excellente fiabilité font que le machine aynchrone alimentée directement ur le réeau repréentent la grande majorité de application indutrielle. La machine aynchrone (Figure I-1) et compoée de deux partie principale : la partie mécaniquement tatique, le tator, et la partie tournante, le rotor. Le deux partie ont contituée d un circuit magnétique habituellement fait en tôle (FeSi) qui facilite le paage du flux magnétique. L empilement de tôle et découpé en formant de encoche qui permettent d accueillir le circuit électrique qui et uuellement contitué de conducteur iolé en cuivre ou en aluminium. Dan le encoche du circuit magnétique, le bobine ont connectée à une ource de tenion et le courant tatorique créent un champ magnétique tournant. Au rotor, un bobinage, réalié également avec de conducteur de cuivre ou d aluminium, permet la circulation de courant induit par le champ tatorique lorqu il et mi en court-circuit. C et l interaction de ce deux champ, tatorique et rotorique qui va entrainer la rotation du rotor. Lorque ce dernier et à cage d écureuil, le enroulement rotorique ont contitué de barre coulée directement dan le encoche. Ce type du moteur e caractérie par un entrefer trè réduit éparant le deux partie. Il et donc néceaire de dipoer d énergie réactive pour magnétier l entrefer. 21

22 Chapitre I Etat de l'art Figure I-1 : Vue d enemble d un moteur aynchrone claique avec rotor à cage d écureuil Si le rotor tourne aui rapidement que le flux tournant, le flux embraé par le bobinage rotorique devient contant. Il n y a donc plu de force électromotrice induite et, par conéquent, il n y a plu de courant et ni de couple. La machine ne développe un couple qu à la condition où il exite une différence de vitee de rotation entre le champ tournant et le rotor. L écart relatif entre le deux vitee repréente le gliement g du moteur aynchrone. Lorque le gliement tend ver 0 et que le couple annule, le rotor atteint une vitee dite de ynchronime. I.2.2 Fondement théorique du moteur aynchrone. La tendance actuelle de actionneur électrique à forte puiance maique repoe majoritairement ur la technologie de upraconducteur ou ur un refroidiement forcé à l aide de liquide cryogène [14]. Ce type de machine poède, en général, une grande vitee de rotation, une grande longueur d induit et un diamètre d aléage réduit. L équilibre thermique de ce type de moteur et déterminé par une évacuation optimiée de la chaleur permettant de conerver une température de fonctionnement correct pour l iolation de conducteur. L expérience obtenue avec le augmentation pour palier de température (105 C 135 C 150 C) emble montrer que l augmentation de la clae thermique n et pa obligatoirement ynonyme d augmentation de la puiance maique [15]. D autre paramètre limitent la réduction de la taille de la machine [16-18]. On contate que la taille d une machine tournante et meurée électriquement par le couple de rupture. a) Dimenionnement d une machine aynchrone ; ca idéal Plaçon nou dan une configuration idéaliée : la force magnétomotrice créée par le enroulement a une répartition patiale inuoïdale ; le perte fer ont négligée ; le chute de tenion due aux réitance et aux inductance de fuite de enroulement tatorique ont également négligée. 22

23 I.2 Effet de la température ur le machine tournante En régime permanent, cette force magnétomotrice et une onde à répartition patiale inuoïdale qui tourne à la vitee de ynchronime dan l entrefer. Elle et équivalente à celle que produirait un enroulement fictif, parcouru par un courant continu qui tournerait à la vitee de ynchronime dan l entrefer. Le vecteur epace du courant tatorique repréente ce phénomène, il tourne à la vitee de ynchronime et il et en permanence orienté ver le point de l entrefer où la force magnétomotrice et maximale. De même, le vecteur epace du "flux magnétiant ψ µ " repréente l induction dan l entrefer qui réulte de l interaction entre le tator et le rotor. En régime permanent, il et orienté ver le point de l entrefer où l induction et maximale. La Figure I-2, deinée à l intant t=0, illutre ce propo et précie la poition relative de vecteur epace. Tou le angle de cette figure ont de angle électrique. Im ω. enroulement fictif à répartition patiale inuoïdale, tournant à la vitee de ynchronime ϕ vv S ReR a ψ µ Fig. 1 Ii S t=0 Figure I-2 Repréentation relative de vecteur epace courant, tenion et flux magnétiant du tator Le vecteur epace I et en retard d un angle ϕ par rapport au vecteur epace V qui et l image de tenion du tator. Lorque le réitance du tator ont négligée, le flux magnétiant ψ µ et en quadrature arrière par rapport à V (la tenion induite dan le bobine du tator et proportionnelle à la dérivée du flux embraé donc en avance de 90 ). On note p le nombre de paire de pôle par phae et ϕ l angle qui repère un point quelconque de l entrefer de la machine, a R le rayon de l aléage interne du tator ( R et confondu avec le rayon a i moyen de l entrefer) et L la longueur active de la machine. Avec ce notation et ce hypothèe implificatrice, le diagramme vectoriel de la Figure I-2 permet de contruire le répartition patiale de la Figure I-3. Cette figure et deinée à l intant t=0, l axe 23

24 Chapitre I Etat de l'art horizontal repréente un point quelconque de l entrefer pour une ditance polaire. L enroulement fictif tournant, à répartition patiale inuoïdale, également repréenté ur cette figure, et caractérié par a denité linéique de courant J ( λ, t). L Cette figure permet de calculer la force appliquée en chaque point de l enroulement fictif de longueur L i. Cette force et équivalente, en moyenne, à celle qui et appliquée ur le conducteur réel itué dan le encoche et, par réaction, à celle qui fait tourner le rotor. Figure I-3 Répartition patiale d induction et la denité linéique de courant La loi de Laplace, appliquée à un élément élémentaire ur l enroulement tatorique fictif. Rdλ a de la nappe de courant, produit une force df = b( λ,) t J ( λ,) t R dλl (I.1) L a i Par intégration le long de la circonférence, on obtient : 2π ˆe in( ) ˆ F = b ωt pλ JLin( ωt pλ φ) RaLd i λ (I.2) 0 Aprè intégration, la force devient : ˆe ˆ F= πbjrlcoφ (I.3) Le couple électromagnétique écrit donc : L a i ( ) 2 ˆe ˆ co T = π R Lb J φ (I.4) E a i L et la puiance : ( ) 2 ω ˆe P= π R ˆ a Li bjl co φ (I.5) p 24

25 I.2 Effet de la température ur le machine tournante En pratique, le conducteur ont placé dan le encoche du tator dont le dimenion ont préciée à la Figure I-4. On note wd la largeur de la dent, w e la largeur d encoche et he la hauteur. h e w d w e Figure I-4 Denture du tator Il et poible de conidérer que, compte tenu de l épaieur de iolant et du foionnement de conducteur, le encoche ne ont pa totalement remplie de cuivre. On introduit pour cela un coefficient de rempliage d encoche noté k r_ e. La valeur efficace de la denité de courant dan le conducteur et, quant à elle, notée J c. La valeur crête de la denité linéique de courant et alor donnée par : Jˆ k Jˆ w h r_ e c e e L = we + wd (I.6) En notant b ˆat l induction de aturation de tôle magnétique du tator, et en négligeant la concentration du champ magnétique dan le angle, la valeur maximale de l induction dan l entrefer peut être etimée par : bˆ e = bˆ w d at wd + we (I.7) En prenant le nombre d encoche par pôle et par phae égal à 2, on peut en déduire la valeur de la circonférence minimale de l entrefer pui on rayon : R 6 pw ( + w) = (I.8) 2π e d a et la longueur active de la machine et donnée par : L i Pp = (I.9) π ω φ ( ) 2 ˆe R ˆ a bjl co b) Courbe du couple La courbe de couple d une machine aynchrone (Figure I-5) montre que, lorque le couple demandé par la charge mécanique augmente, le gliement augmente également. Cet effet accompagne d une augmentation du courant dan le bobinage tatorique, et potentiellement d une augmentation de la température par effet Joule. 25

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27 I.2 Effet de la température ur le machine tournante P J P ab P Fe Entrefer P r J P r Fe P r méc P u Figure I-6 Bilan de puiance du moteur Moteur à haute température Moteur claique à bae température de même puiance À caue de l augmentation de la réitivité électrique de matériaux avec la température, il y a une diminution de courant de Foucault dan le tôle. Le perte fer, dan le circuit magnétique du tator P Fe et rotor P r Fe, eront donc réduite. Le perte mécanique peuvent également être différente par rapport à un moteur claique. Aprè ce bref aperçu de l influence d une augmentation de la température dan une machine aynchrone, on peut raionnablement uppoer qu un moteur fonctionnant à HT et ayant une puiance maique plu élevée, era également caractérié par un rendement plu faible que celui de machine claique, à caue de l augmentation globale de perte en HT. I.2.3 Influence de la température ur le choix de compoant du moteur L augmentation de la température d un moteur électrique juqu à 400 C au cœur du bobinage ouentend de dépaer largement la limite thermique de machine claique. Pour évaluer le point faible qui apparaient avec la montée en température, la machine peut être diviée en pluieur ou élément : Le circuit magnétique. Le tôle magnétique claique ont réaliée en Fer Silicium (FeSi) et ont à grain Non Orienté (NO). Lorque la température de fonctionnement augmente, le performance de tôle en FeSi diminuent lentement juqu à ce que leur caractéritique magnétique diparaient totalement en atteignant le point de Curie. La température de Curie e itue aux environ de 700 C pour le FeSi [4, 21]. Le tôle NO ont généralement recouverte d une couche d iolant organique appliquée aprè le proceu de laminage et qui ne upporte pa la montée en température. Il et poible d utilier de tôle à Grain Orienté (GO) qui ont iolée entre elle naturellement par un revêtement inorganique phophaté durant leur proceu 27

28 Chapitre I Etat de l'art et qui ont capable de travailler à de température bien plu importante. Cependant, l aniotropie trè forte préente dan ce tôle rend leur mie en œuvre au ein d une machine plu difficile. Circuit électrique tatorique. Le matériaux conducteur le plu utilié pour le bobinage de machine électrique ont le cuivre et l aluminium. Le caractéritique thermoélectrique moyenne de l aluminium l éliminent naturellement lorqu il agit de monter en température. À de température upérieure à C, le cuivre et victime d un phénomène d oxydation [2-3, 22] qui dégrade aez rapidement le conducteur et réduit le performance de l émail iolant. De ce fait, l utiliation d un conducteur de cuivre eul n et pa compatible avec un fonctionnement à HT. La couverture du conducteur avec de matériaux à point de fuion élevé réout ce problème. Le matériaux conducteur réitant à HT ont : le titane (Ti), le tantale (Ta), le niobium (Nb), l argent (Ag), l or (Au), le platine (Pt), le nickel (Ni) ou le contantan (Cu+Ni). Le choix du type de métal pour le revêtement contre l oxydation dépend de la température d utiliation, et cela impacte le coût du conducteur final. Le contantan et le Nickel contituent le olution le plu couramment utiliée. Iolation du conducteur. L iolation électrique à bae de compoant organique ne dépae pa 250 C. L iolation à HT pour une machine électrique ne peut être contituée qu avec de matériaux inorganique : fibre de verre, céramique, mica phlogopite ou autre matériaux minéraux. Iolant plat et d imprégnation. Le matériaux d iolation à bae température ont généralement à bae de polymère. Leur température d utiliation ne dépae pa plu de 250 C. Le candidat qui réitent à HT ont de olution à bae de mica combiné avec du tiu de verre ou de la céramique. Le élément qui contituent l imprégnation ont de ciment céramique. Rotor. Le barre du rotor ne comportent pa d iolation ; elle peuvent donc upporter de température élevée an avoir de problème d iolation. En pratique, le barre aluminium peuvent être employée juqu à de température proche de la fuion de celui-ci ( C). De plu, l aluminium, en oxydant avec la température, va former une trè fine couche iolante d alumine (Al 2 O 3 ) à a urface. L utiliation de cuivre comme barre en court-circuit pour le rotor devient poible aprè traitement ou plaquage du conducteur avec de métaux prévenant l oxydation comme le Nickel. Élément périphérique. Le pièce de ventilation et le boîtier de raccordement ont contitué de polymère comme le PET, dont la température d utiliation et limitée à 120 C. Ce pièce peuvent être remplacée implement par de élément en métal. Le roulement. Le roulement fabriqué en acier avec de lubrifiant organique devront être remplacé par de élément réitant à HT. La olution conite à utilier de roulement en céramique. Ce roulement ont capable de fonctionner juqu à 450 C ; il comportent un traitement de pièce en acier, avec du phophate de manganèe et/ou de la céramique, qui le 28

29 I.2 Effet de la température ur le machine tournante rendent bien plu réitant à la chaleur [23]. Le lubrifiant HT et remplacé par de lubrifiant olide tel que le biulfure de molybdène (MoS 2 ) qui réite juqu à 400 C [24] ou le biulfure de tungtène (WS 2 ) [25-26] juqu à 650 C. Depui peu il et poible de trouver ur le marché de roulement HT avec un lubrifiant graphité. Câble de connexion. La connexion du moteur en environnement extrême, peut être remplacée avec de câble multi brin HT. Comportant de conducteur en cuivre plaqué avec du nickel, le câble et renforcé avec pluieur couche d iolation organique et inorganique. Connexion, oudage et braage. Un point faible de la machine lor de la montée en température rete le point de contact entre le conducteur actif et le zone an protection contre l oxydation. Pendant l élaboration du bobinage du tator, le oudage de bobine entre elle et effectué actuellement avec de alliage qui ne upportent pa plu de 300 C. Au-delà, de alliage avec de point de fuion élevé et réitant à l oxydation ont néceaire. Ce alliage ont de braure à bae de cuivre (Cu), de nickel (Ni), d argent (Ag), de manganèe (Mn), qui donnent de bonne propriété anticorroive, mai dont la mie en œuvre, qui opère à de température plu élevée, et plu compliquée. I.2.4 Machine électrique fonctionnant à HT Généralement, le moteur ont claifié grâce à leur type de fonctionnement, leur tenion d alimentation ou encore leur principe de contruction. Le type de fonctionnement et ouvent l apect qui détermine le application ciblée et l environnement de fonctionnement devient alor un facteur econdaire. Néanmoin, il exite de ca où l environnement de fonctionnement contitue le point déterminant du choix de la machine. C et notamment le ca pour le application avionique qui veulent intégrer de actionneur électrique dan de partie trè chaude de l avion. Dan ce ca, le recherche doivent e concentrer ur cette problématique particulière. Parallèlement à ce problème de contrainte, il et probable, qu à terme, l augmentation de la clae thermique de machine électrique permette également de gain ignificatif de puiance maique ou volumique [15, 17-18]. Le machine électrique et le dipoitif électromagnétique qui comportent de bobinage capable de fonctionner à HT ont été conçue pour de application trè pécifique par exemple de application patiale [27]. Certaine de ce application travaillent à de température i élevée que la limite vient du point de Curie du circuit magnétique [28]. Cependant, dan la plupart de ca, c et le bobinage et on iolation qui ont le verrou empêchant une montée en température d un actionneur électrique et c et ur ce point que va particulièrement e concentrer cette étude. De expérience de bobinage tatorique réaliée avec de conducteur de cuivre plaqué nickel iolé grâce à la céramique ou aux ruban de mica ont démontré la faiabilité de machine électrique fonctionnant à 500 C [29-38]. San changement majeur de la géométrie de la machine, il et poible d utilier de conducteur en cuivre recouvert de nickel pour ce type de machine. En revanche, la durée de vie de la machine e trouve fortement réduite à caue de contrainte thermomécanique qui tendent à éroder trè vite l iolation de conducteur. 29

30 Chapitre I Etat de l'art Comme nou l avon précié, le fil électrique iolé avec de la céramique peut contituer une alternative viable de bobinage à HT à condition de prendre en compte e limite mécanique. Lorque le actionneur à HT ont conçu autour de leur bobinage, on utilie de bobine de forme ronde ou enroulée ur dent (Figure I-7) qui limitent le contrainte mécanique due aux courbe de faible rayon de courbure [31, 37, 39-40]. Cela permet d atteindre de température élevée, mai elle ont peu adaptée à la fabrication de tructure claique de machine électrique telle que la machine aynchrone. On rencontre de configuration de bobine ur dent dan de dipoitif à HT ur le roulement électromagnétique [19, 41], de actionneur électromagnétique linéaire [40, 42-44], de roulement magnétique à aimant permanent [45-47], de moteur à réluctance variable [26], de moteur à aimant permanent [39], de moteur à courant continu [48]. Parfoi, le bobinage final et imprégné avec un ciment formant une pièce monolithe [45] par contre, i le contrainte mécanique d origine vibratoire ont fortement réduite l imprégnation de bobine finale peut être omie. Le circuit magnétique, dan la grande majorité de ca et contitué avec de tôle d alliage FeCo qui préentent de meilleure performance magnétique et une meilleure réitance thermique que le alliage FeSi. Par exemple, l induction dan l entrefer de machine contruite en FeCo devient plu grande que le modèle contruit avec de alliage FeSi [45]. Figure I-7 Géométrie claique de la bobine généralement utiliée pour le bobinage à HT L inconvénient prédominant ur ce type de bobinage et l alimentation en tenion avec une ource de tenion variable (MLI). La faible tenue en tenion de l iolation céramique et peu compatible avec le contrainte électrique créée par le dv/dt. De plu, pour avoir de moteur compact, le coefficient de rempliage de encoche pour le bobinage ur dent devra également être conidéré. Pratiquement, le bobinage pour le machine à HT et préfabriqué individuellement avec la forme géométrique la plu imple (Figure I-8, a). Chaque bobine et inérée par la uite ur le dent du tator et maintenue avec de pièce de calage pour ne pa glier. Cette méthode et caractériée par un facteur de rempliage d encoche médiocre et, introduit donc de epace non utilié à l intérieur du moteur. Un facteur de rempliage d encoche amélioré peut être obtenu avec de bobine préente à la Figure I-8, b. Dan ce ca, la fabrication de bobine à l extérieur et l inertion ur le dent, devient impoible par l intérieur du tator. De plu, la fabrication de bobine directement ur le dent, et difficile et réduit conidérablement l efficacité d une bonne imprégnation avec de ciment liquide. Par contre, dan le ca où l imprégnation et négligée, ce 30

31 I.2 Effet de la température ur le machine tournante problème et réolu. De plu, la denture du circuit magnétique et plu adaptée aux machine électrique pécifique par exemple le machine à réluctance variable. Pour une machine aynchrone alimentée claiquement, ce type de denture n et pa ouhaitable, à caue de l augmentation de perte créée par le harmonique d induction dan l entrefer. a) b) Figure I-8 Forme de bobine : a) Habituellement utilié à HT, b) Forme pour améliorer le facteur de rempliage d encoche La tenion d alimentation pour ce type de machine électrique HT varie entre 14V [26] et 50V pour un bobinage avec de fil iolé en céramique et 100V [29] pour le fil iolé avec du mica. Par contre, la valeur du courant et upérieure à celle de modèle à bae température. Cela explique par le type d iolation céramique : le contrainte électrique dv/dt et la dégradation de propriété diélectrique dan le temp conduient le concepteur à utilier une tenion trè bae. 31

32 Chapitre I Etat de l'art I.3 Influence de la température ur le propriété de matériaux I.3.1 Matériaux iolant a) Contrainte ubie par l iolant Généralement, le principale contrainte qui dégradent l iolation olide d une machine électrique ont montrée à la Figure I-9. Thermique Oxydation Hydrolye Effet thermomécanique Electrique Décharge partielle Surtenion Iolation Ambiante Mécanique Humidité Vibration Force Gaz, acide Craquement Radiation Figure I-9 Principale contrainte ubie par l iolation de machine électrique Comme on l a ignalé précédemment, l une de contrainte le plu importante auxquelle ont oumi le matériaux iolant dan le matériel électrique et, aprè la contrainte électrique, celle qui réulte de échauffement. La fonction eentielle de l iolation de conducteur et de oppoer au paage du courant entre deux partie conductrice. L augmentation de la température a pour effet, dan la trè large majorité de ca, de réduire la réitivité de matériaux polymère et de réduire dratiquement leur epérance de vie. Le ource de chaleur interne ont bien connue [49]. Elle correpondent aux différente perte localiée dan le cuivre (perte Joule), dan le fer (Hytéréi et courant de Foucault) [50] et, dan une moindre meure, dan l iolant lui-même (perte diélectrique). Si le perte dan le fer peuvent être évacuée aez facilement par le contact exitant entre le circuit magnétique et la carcae extérieure ou par le ytème de ventilation, la chaleur créée par le perte dan le cuivre doit traverer l iolant. La température dan la machine n et donc pa uniforme et il et important de localier le point chaud et de prendre une marge de écurité lor du dimenionnement pour limiter le dégât du aux échauffement locaux [51]. A ce perte il faut encore ajouter le perte d'origine mécanique, principalement lié aux frottement de pièce en mouvement. La contrainte thermique a deux impact : le premier concerne le comportement intantané de iolant aux température élevée ; le econd et relatif à la dégradation qui opère progreivement au cour du temp et affecte leur comportement à long terme. 32

33 I.3 Influence de la température ur le propriété de matériaux La variation du tre thermique conditionne également le contrainte thermomécanique. En fonction de la variation thermique et de la taille de moteur, le contrainte thermomécanique ont plu ou moin accentuée. Aini, lorque la température du conducteur croît bruquement, il e dilate en uivant a direction axiale. Pendant le régime tranitoire, la couche iolante en céramique, qui a généralement un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du conducteur, e dilate plu que le valeur admiible. Le réultat et qu une contrainte de ciaillement apparait entre le conducteur et la couche iolante. Dan le ca d iolation organique et aprè de nombreux cycle de température, ce phénomène peut conduire au décollement de l iolation du conducteur. La grande réitance à la traction de l iolation organique évite l apparition de rupture tranverale d iolation pour le petit moteur lorque le contrainte retent raionnable. Le principale caractéritique thermique de iolant ont donc généralement aez différente uivant la catégorie à laquelle ceux-ci appartiennent. Parmi le caractéritique thermique, nou nou intéreeron d abord aux grandeur de bae, à avoir le coefficient de dilatation thermique linéaire, la conductivité thermique et la capacité thermique [51-53]. La tendance générale et que l augmentation de la température dan le matériaux iolant augmente le tan δ [54] et la contante diélectrique, alor qu elle diminue la rigidité diélectrique [55], la réitance d iolement et la réitance mécanique [56]. b) Caractéritique diélectrique de iolant Le iolant ont caractérié par leur propriété électrique, mécanique et chimique. Il ont une réitivité trè élevée, car il contiennent un trè petit nombre d électron libre [56]. Un excellent iolant ne devrait pa laier paer de courant lorqu il et oumi à une tenion continue. Autrement dit, a réitance en courant continu (CC) doit être infiniment grande. Cependant, en pratique, un courant de fuite, même trè faible, circule dan tou le matériaux iolant. Dan le olide, le principaux mécanime entraînant le claquage ont eentiellement d origine intrinèque ou thermique et font uite à de mécanime d ioniation localié. On évoque également parfoi, lorque le gradient de champ électrique et appliqué à HT, le mécanime dit électromécanique qui apparaît à la uite de la migration d ion. Si on augmente la tenion à laquelle et oumi un iolant au-delà d une certaine valeur appelée tenion de claquage, il apparaît un arc électrique dan l iolant : un courant intene travere l iolant en uivant un chemin formé par l arc lui-même. Dan ce ca, l iolant et percé: il y a rupture diélectrique ou claquage, la perte de la fonction d iolation et irréverible pour le iolant olide (carboniation). Le claquage dan un diélectrique claique peut provoquer la fuion, brûler ou perforer le diélectrique et le électrode [51]. Aprè un claquage, une trace du claquage ou forme de perforation, de fonte ou de brûlure ur le diélectrique peut reter et donner une forme irrégulière à l iolant. Si la tenion et appliquée de nouveau à cet iolant, un claquage urvient dan la majorité de ca, uivant le canal tracé par la décharge précédente, et même à une tenion inférieure [57]. En pratique, on choiit ouvent comme critère de fin de vie une valeur égale à 50 % de la valeur initiale. Ce valeur ont approximative et peuvent varier nettement en fonction de la fréquence et de la température. 33

34

35 I.3 Influence de la température ur le propriété de matériaux augmente, entraînant l augmentation de la conduction thermique dan un proceu d intabilité thermique. Il en réulte une augmentation de la température de l iolant par rapport au milieu ambiant qui produit la dégradation de l iolant. Le mécanime e déroule durant un temp relativement long, de l ordre de quelque econde. En effet, le claquage thermique et favorié par le condition défavorable d évacuation de la chaleur. c) Ca de iolant polymère La durée de vie d une iolation organique dépend directement de la température d utiliation. Le performance du moteur en bae température ont baée ur le facteur de ervice S1. Un moteur fonctionnant avec un facteur de ervice plu grand préentera de température plu élevée. En conéquence, d aprè la loi d Arrheniu, l effet de monter en température influence la vie de l iolant organique avec une réduction de 50% tou le 10 C. L iolation électrique pour le machine tournante fonctionnant juqu à 240 C et généralement faite avec de matériaux organique (polyimide, kapton, polyamide imide, etc...) [61]. Toute ont contruite avec du fil émaillé tandard ou renforcé. L évolution de la clae thermique de matériaux organique et donnée par la Figure I-11 iue de [1]. Figure I-11 Évolution temporelle de la clae thermique de iolant organique [1] L iolation électrique du conducteur en bae température et contituée de polymère organique comme le Polyamide-imide (PAI) et le Polyeter-imide (PEI) formant l émail. Le verni d imprégnation ont pour rôle de renforcer la protection de ce bobinage contre le agreion externe (température, vibration, pollution, humidité) mai également de donner une certaine cohérence mécanique au bobinage. L iolation phae-mae et de fond d encoche et réaliée avec de feuille iolante iue également de la chimie organique. Actuellement, le verni employé ont à bae de compoant organique et, parfoi, il comportent de ajout d élément inorganique pour une meilleure tenue aux décharge partielle. Selon la température d utiliation, l épaieur d iolant peut être contituée d une ou pluieur couche de polymère de même nature ou de nature différente. Dan certain ca, elle peut être renforcée par un compoite inerte comme de fibre de mica ou de charge 35

36 Chapitre I Etat de l'art d oxyde inorganique pour le fil Corona réitant [62]. La température de fonctionnement pour ce type d iolation ne dépae pa 200 C. Au-delà, l iolation organique et oumie à un fort vieilliement thermique. Le principal mécanime de vieilliement de polymère et lié à la rupture de macromolécule qui fragilient la tructure de matériaux. L effet de la température e manifete par une oxydation de l iolation qui la rend caante. Avec la montée en température à plu de 300 C, pluieur iolant organique atteignent leur point de ramolliement ou de fuion. Par conéquent, le chaîne organique e décompoent en formant de trace de carbone ou a volatilie. En première approximation, le proceu chimique d oxydation répond à la loi d Arrheniu. Cette loi exprime que la durée de vie L en heure d une iolation organique et liée à la température T par : B L Ae T = (I.11) Où A et B ont de contante dépendante du matériau conidéré. Cette loi et valable pour le fonctionnement à HT et et la bae de tou le tet de vieilliement accéléré pour etimer la durée de vie de bobinage de machine électrique comportant de iolant polymère. Le principale contrainte mécanique exerçant ur l émail ont due à de différence de coefficient de dilatation thermique entre l émail (de 25 à K -1 elon la nature du polymère) et le cuivre ( K -1 ) aini qu entre l émail et le verni d imprégnation, mai également à caue de vibration due au fonctionnement du moteur. L évolution de propriété diélectrique de émaux, de iolant plat et de verni (PI, Kapton, PAI, PEI) claiquement utilié dan une gamme de température C et propoée par le auteur [2, 63-64]. Il notent que le iolant organique au-delà de 280 C ont ujet à une dégradation, caractériée par la perte de mae et la modification de polymère. Pour l utiliation d une iolation organique à une température de 400 à 500 C, on regarde leur propriété thermomécanique comme la température de tranition vitreue et la température de thermoplaticité. Par exemple, la température de thermoplaticité pour le polyimide et 500 C. L iolation ilicone emble être un bon candidat pour fonctionner juqu à C [65-69]. Au-delà, l iolation organique qui entre dan a compoition e dégrade rapidement. d) Ca de iolant inorganique - céramique La famille de iolant inorganique utiliable dan le moteur électrique comporte le céramique ou forme de poudre, de papier ou de tiu, l iolant mica phlogopite et mocovite et la fibre de verre. Le céramique ont d excellent iolant électrique et peuvent ervir de upport à de élément de circuit électrique de ditribution haute tenion. Le caractéritique électrique de différente céramique ont analyée dan pluieur travaux [35, 57, 70-81]. Le céramique préentent généralement une trè grande inertie chimique et réitent bien aux attaque de ubtance agreive, à l oxydation et aux agreion climatique [59]. Pour améliorer leur propriété, le iolant céramique utilié en électrotechnique ont oumi, aprè échage, à de procédure finale de cuion ou de frittage qui contituent la phae eentielle de la 36

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