Etude de matériaux nanodiélectriques haute température pour l'isolation des moteurs électriques du futur.

par Shakeel Akram (Shakeel akram)

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Jérôme Castellon et de Serge Agnel.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) et de Département Systèmes d'Energie, Fiabilité et Radiations (equipe de recherche) depuis le 29-09-2016 .


  • Résumé

    Le transport ferroviaire à grande vitesse s'est développé dans le monde en raison notamment de sa rapidité, de sa grande efficacité et sa protection de l'environnement. La machine tournante telle que le moteur électrique alimenté par un convertisseur, usuellement un onduleur, est l'un des composants clés dans la chaîne de traction des locomotives électriques. La stabilité et la fiabilité des locomotives dépendent alors du fonctionnement sécurisé du moteur de traction. Le développement de l'électronique de puissance a fait des moteurs triphasés à courant alternatif une alternative aux moteurs à courant continu. Les onduleurs servant à alimenter le moteur utilisent la modulation de largeur d'impulsion (PWM) qui génère des créneaux de tensions ayant une vitesse de montée de deux à quelques dizaines de kV/s. La fréquence de ces impulsions peut atteindre quelques dizaines de kHz. Les créneaux répétitifs générés par la PWM peuvent endommager l'isolant jusqu'à conduire à la rupture diélectrique et nuire à la sûreté de fonctionnement du moteur. La température élevée en fonctionnement est également l'une des principales raisons qui peut conduire à la détérioration de l'isolation sous un champ électrique élevé. Le film de Polyimide en tant qu'isolant a attiré beaucoup de considération dans de nombreuses applications modernes, par exemple, en microélectronique, dans les entreprises de génie électrique, dans l'aérospatiale et également chez les fabricants de moteurs électriques, ce en raison de ses performances diélectriques exceptionnelles ainsi que pour ses excellentes propriétés thermiques et mécaniques. Le concept nanocomposite s'est avéré un moyen efficace pour améliorer les propriétés isolantes du polymère « pur », depuis le concept proposé par Lewis en 1994. Les nanoparticules jouent un rôle important dans l'amélioration des propriétés électriques des polymères. Les nanoparticules de SiO2, Al2O3, TiO2, ont été largement utilisées dans la conception des nanodiélectriques. Un nanodiélectrique est constitué d'une matrice polymérique contenant des nanoparticules dispersées de façon homogène. Les propriétés d'un nanocomposite peuvent être affectées par la nature, la taille, le contenu, le traitement des particules et l'épaisseur des interfaces, appelées interphases. Il en demeure toujours un challenge pour les chercheurs de sélectionner le meilleur couple nanoparticule / structure de film pour améliorer l'ensemble des propriétés (électriques, mécaniques, thermiques …). Notre hypothèse est que la structure stratifiée que nous proposons de développer et d'étudier peut augmenter la résistance mécanique de la composition physico-chimique des films nanométriques afin d'améliorer ses propriétés électriques de manière significative. Toutefois, l'influence du type de nanoparticules sur le pouvoir isolant qui repose sur la structure en couches est encore incertaine. Il existe quelques références bibliographiques dans ce domaine, mais une étude plus approfondie demeure essentielle et sera menée à travers ce travail de thèse.

  • Titre traduit

    Study of high temperature nanodielectric materials for future electric motor insulations


  • Résumé

    High-speed railway has been gained rapid development in the world because of its speediness, high efficiency and environmental protection. Rotating machine such as motor fed by converter is one of the key components for electric locomotive trains. The stability and reliability of electric locomotive trains depending on safeguard operation and secure running of traction motor. Development in power electronics has made three-phase AC motors an alternative to the DC motors. The Pulse Width Modulation (PWM) technique is used in these inverters to provide motor supply voltages of square waveforms, having rise front slew rate from two to some tens of kV/µs. Pulse repetition frequency can reach up to tens of kHz. It is examined that high speed repetitive square pulse supplied by PWM can damage insulating material. This electric field distortion causes breakdown accident, influence the safety of the normal operation of the motor. High temperature is also one of the main reasons leading insulation material deterioration in high electrical field. Polyimide film as an insulating material has attracted a lot of consideration in different modern applications, for example, microelectronics, electric commercial enterprises, motor winding and aerospace due to its outstanding dielectric performance as well as excellent thermal and mechanical properties. Nano dielectric has become an effective way to improve insulating properties of pure polymer since Lewis proposed the concept in 1994. Nano fillers are playing an important role in the advancement of electrical properties of polymer dielectrics. Nano particles, such as SiO2, Al2O3, TiO2, have been widely used to fill into polymer for preparing polymer nanocomposite dielectrics. The structures of polymer nanocomposites contain polymer as base matrix and nano particles linked matrix which should dispersed homogeneously. Properties of nanocomposite can be affected by the nature, the size, the contents of fillers and thickness of interfaces namely interphases. It always remained a challenging task for researchers to select the best couple nanoparticles / film structure to improve all properties. Our hypothesis is that the layered structure we propose to develop and study can increase the strength of physical and chemical composition of nano films to improve its electrical properties significantly. But the influence of nano type on insulating strength that based on layered structure is still unclear, and few literatures were found in this aspect, thus further investigation is essential and will be covered in this PhD work.