Imprégnation capillaire anisotherme et polymérisation d'une résine thermodurcissable dans un bobinage composite de rotor électrique : Caractérisation expérimentale, modélisation et simulation du couplage multiphysique

Anisothermal capillary impregnation and polymerization of thermosetting resin in composite electric rotor winding : experimental characterization, modeling & simulation of the multi-physical coupling.

• Auteur / Autrice : Amélie Moisy
• Direction : Sébastien Comas-Cardona, Nicolas Desilles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 24/11/2022
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Joël Bréard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Comas-Cardona, Nicolas Desilles, Joël Bréard, Mylène Deléglise-Lagardère, José Bico, Benoit Rousseau, Pascal Genevée
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mylène Deléglise-Lagardère, José Bico

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymérisation

Rotors

Capillarité

Transfert de chaleur

Moteurs électriques

Mots clés libres

Imprégnation

Capillarité

Couplage multiphysique

Caractérisation

Simulation

Impregnation

Capillary effect

Multiphysics’ coupling

Characterization

Simulation

Résumé

Dans le cadre de l'électrification du parc automobile, Renault assemble ses propres moteurs électriques : le rotor est principalement composé d'un noyau en acier sur lequel sont bobinés des fils de cuivre isolés. Le bobinage est ensuite immergé dans un bain de résine liquide thermodurcissable assurant la performance et la durabilité du moteur. L'imprégnation, faite à température contrôlée pour faciliter l'écoulement et la polymérisation, n'implique pas de pressurisation. Cela suggère que la capillarité et la gravité jouent un rôle significatif. L'objectif global est d'évaluer laqualité de l'imprégnation. Cela requiert de caractériser, modéliser et simuler un procédé multi-matériaux et multi-physiques dans lequel transfert thermique, cinétique de polymérisation et écoulement capillaire sont fortement couplés. Les matériaux sont caractérisés (cinétique de polymérisation, viscosité, propriétés thermiques et de surface) pour modéliser leur comportement temporel et thermique. Ensuite, pour un cas unidirectionnel idéal, un montage expérimental original de suivi de l'imprégnation par prise en masse à température contrôlée est conçu et développé. Des essais de 20°C à 120°C permettent de mieux comprendre les phénomènes et l'influence des paramètres. Un modèle analytique simplifié est optimisé pour correspondre aux expériences. Pour compléter, une simulation anisotherme 2D couplée est réalisée sur un domaine homogénéisé, fournissant les gradients de polymérisation et thermiques et leur impact sur la dynamique d'écoulement. Enfin, l'analyse est montée en échelle sur une bobine de type rotor. Un autre montage original basé sur les diélectriques est développé pour mesurer le flux de résine. La simulation de l’imprégnation de la bobine est présentée.

In the mobility electrification context, the Renault Group assembles its own electric engines: the rotor is mainly composed of a steel core wound by insulated copper wires. The winding is immersed into a thermosetting resin bath ensuring the performance and durability of the motor. The impregnation occurs under controlled temperature to facilitate the flow and the polymerization. This process does not involve any pressurization. This suggests that capillary and gravity forces play a significant role. The global objective is to evaluate the impregnation quality. It requires characterizing, modeling and simulating a multi-materials andmulti-physics process in which heat transfer, polymerization kinetics and capillary-driven resin flow are strongly coupled. The materials are characterized (polymerization kinetics, viscosity, thermal and surface properties) to model their temporal and thermal behavior. Then, for an ideal unidirectional coil, an original temperaturecontrolled experimental resin weight intakefollow-up setup is designed and developed. Tests from 20°C to 120°C enable a deeper understanding of the phenomena andparameters’ influence. A simplified analytical model is optimized to match the experimental results. To complete, a coupled 2D anisothermal simulation is performed on a homogenized domain, providing the polymerization and thermal gradients and their impact on fluid dynamics. Finally, the analysis is up-scaled for a rotor-like coil. Another original dielectric-based setup is developed to measure the resin flow experimentally. The simulation of the coil’s impregnation is provided.