Développement et analyse des performances de fils émaillés sol-gel / polymères pour machines électriques fonctionnant à hautes températures

Development and analysis of the performance of enameled sol-gel / polymer wires for electrical machines operating at high temperatures

• Auteur / Autrice : Giovana Pereira dos santos lima
• Direction : Gabriel Vélu, Sonia Ait-Amar
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LSEE - Laboratoire Systèmes Electrotechniques et Environnement
• Jury : Président / Présidente : Melika Hinaje
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Velu, Petru Notingher, Virginie Griseri, Sonia Ait-amar, Abdelhamid Boudiba, Philippe Frezel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Petru Notingher, Virginie Griseri

Mots clés

Mots clés libres

Sol-gel

Haute température

Émaillage

Vieillissent

Extrusion

Fil émaillé

Sol-gel

High temperature

Enameling

Aging

Extrusion

Magnet wire

Résumé

Les fils de cuivre émaillés sont utilisés dans diverses applications, principalement le bobinage des machines électriques. La fabrication de ces fils se fait à partir d’un procédé d’émaillage énergivore et en utilisant des vernis composés de solvants toxiques. Dans ce contexte ce travail étudie des nouvelles configurations isolantes réalisées à partir d’un procède moins nocif, en s'appuyant sur l’émaillage associé à l’extrusion. Ce travail est réalisé dans le cadre du projet interreg Hi-Ecowire, qui s’intéresse au développement d’un fil moins impactant du point de vue environnemental pour une application haute température. Ainsi, le deuxième intérêt est d’évaluer des isolants contenant des nanoparticules de silice intégrés via le procédé sol-gel du point de vue thermique. Cette thèse vise définir une configuration isolante pour le fil proposé, et d’évaluer ses performances thermiques et électriques en comparaison au fil émaillé classique (PEI + PAI). La première partie du travail consiste à trier des combinaisons isolantes en termes de performance thermique, afin d’identifier celle qui possédait un indice thermique plus élevé. L’ensemble des propriétés générales est évalué expérimentalement, incluant les propriétés mécaniques, les électriques, et les propriétés thermiques. Les configurations isolantes à base de sol-gel en émail et de résine d’extrusion sont évaluées afin de déterminer la plus performante thermiquement. Une étude approfondie est faite au tour de la propriété d’indice thermique. La configuration isolante qui a montré la performance thermique la plus adaptée aux besoins du projet est composée de deux couches émaillés, étant la première en PAI et la deuxième en composite de PAI-silice par voie sol-gel, une troisième couche de PPS des micro-charges de sulfate de Baryum par extrusion. Cette configuration proposée possède 75% de son épaisseur issue d’une seule couche d’extrusion, en réduisant ainsi le procédé d’émaillage qui est la cause de la caractéristique polluante des fils conventionnel. La classe thermique de celle-ci est estimée à 200°C. Le vieillissement thermique a été observé pour les fils en paires torsadés et en forme de bobine.La dernière partie du travail consiste à une évaluation électrique plus approfondie sur les configurations émaillée-extrudées et la classique (en PEI + PAI). L’observation des caractéristiques de PDIV et permittivité relative équivalente est réalisée en s’appuyant sur la théorie indiquée dans la littérature. Les configurations sont évaluées expérimentalement en termes de vieillissement électrique, tension de claquage sous température ambiante et sous haute température, ainsi que leurs paramètres de décharges partielles. Les décharges partielles se sont montrées moins énergivores pour les fils émaillés-extrudés comparés aux fils émaillés classiques. Cette dernière observation est cohérente avec les résultats obtenus de durées des vies des fils émaillés extrudés qui sont significativement supérieurs, dépassant 1000 minutes à 3kV pendant que les échantillons des fils classiques ont obtenu des durées d’ans l’ordre de 490 minutes à cette même tension. Les tensions de claquage sont supérieures à la valeur minimale définie pour les fils de grade 3 (7500 V) pour les fils émaillés-extrudés non chargés en extrusion. Le fil classique s’est montré des pertes significatives de rigidité électrique comparée aux fils émaillés-extrudés durant les mesures de tension de claquage sous température. Globalement, le fils émaillé-extrudé proposé possède ses propriétés générales valables pour un fil de grade 3 et de classe 200. Ils ont également montré des propriétés prometteuses du point de vue électrique, et mécanique, en plus d’être une solution moins nocive à l’environnement comparé aux fils classiques actuels.

Enamelled copper wire is used in a variety of applications, mainly the winding of electrical machines. These magnet wires are manufactured using an energy-intensive enamelling process and varnishes containing toxic solvents. In this context, this work studies new insulating configurations made from a less harmful process, based on enamelling combined with extrusion. This work is being carried out as part of the Hi-Ecowire Interreg project, which is looking at the development of a wire with a lower environmental impact for high-temperature applications. The second interest is to evaluate insulators containing silica nanoparticles integrated via the sol-gel process from a thermal point of view. This thesis aims to define an insulating configuration for the proposed magnet wire and to evaluate its thermal and electrical performance in comparison with conventional enamelled wire (PEI + PAI). The first part of the work consists of sorting insulating combinations in terms of thermal performance, to identify the one with the highest thermal index. All the general properties are evaluated experimentally, including mechanical, electrical, and thermal properties. Insulating configurations based on sol-gel enamel and extrusion resin are evaluated to determine the best thermal performer. An in-depth study was made of the thermal index property. The insulating configuration that showed the most suitable thermal performance for the needs of the project is composed of two enamelled layers, the first of PAI and the second of PAI-silica composite by sol-gel process and a third layer of PPS of Barium sulfate micro-fillers by extrusion. This proposed configuration has 75% of its thickness from a single layer of extrusion, thus reducing the enamelling process which is the cause of the polluting characteristic of conventional yarns. Its thermal class is estimated at 200°C. Thermal aging has been observed for both twisted-pair and coil samples.The last part of the work consists of a more in-depth electrical assessment of the enamelled-extruded configurations and the conventional one (in PEI + PAI). The PDIV and equivalent relative permittivity characteristics are observed using the theory given in the literature. The configurations are evaluated experimentally in terms of electrical aging, breakdown voltage at ambient and high temperatures and their partial discharge parameters. Partial discharges were found to be less energy-intensive for enamelled-extruded wires compared with conventional enamelled wires. This last observation is consistent with the results obtained for the lifetimes of the extruded enamelled wires, which are significantly longer, exceeding 1000 minutes at 3kV, while the conventional wire samples obtained lifetimes of around 490 minutes at this same voltage. The breakdown voltages are higher than the minimum value defined for grade 3 wires (7500 V) for enamelled-extruded wires not filled on extrusion. Conventional wire showed significant losses in electrical strength compared with enamelled-extruded wire during breakdown voltage measurements under temperature. Overall, the proposed enamel-extruded wire has the general properties of a grade 3 and class 200 wire, and has also shown promising electrical and mechanical properties, in addition of being a less environmentally harmfull solution compared with current conventional magnet wires.