Adrien RUBIO soutiendra sa thèse le mardi 07 avril 2026 à 10 h 00 en salle des thèses (C002) à l’ENSEEIHT, sur le sujet : « Compréhension et caractérisation multi-échelles des phénomènes de vieillissement thermique des systèmes d’isolation électrique des machines tournantes« .
Dirigée par Sombel Diaham et co-encadrée par Nadine Lahoud, Zarel Valdez, (1)Louiza Fetouhi, (2)Guillaume Belijar et (1)Samuel Pin.
(1) IRT Saint Exupéry et (2) Safran TECH.
Le jury sera constitué de :
- M. Andrea CAVALLINI, (Università di Bologna – Italie), Rapporteur
- M. Jean-Pierre HABAS, (ICGM – Université de Montpellier), Rapporteur
- Mme Véronika GRAVILENKO, (SIAME – Université de Pau et des Pays de l’Adour ), Examinatrice
- M. Pascal RAIN, (G2Elab – Université Grenoble Alpes), Examinateur
- M. Pascal MAUSSION, (LAPLACE – Institut National Polytechnique (INP) de Toulouse), Examinateur
- M. Mateusz SZCZEPANSKI, (Nidec Leroy-Somer), Examinateur
- M. Sombel DIAHAM, (LAPLACE – Université de Toulouse), Directeur de thèse
Résumé :
Au cours des deux dernières décennies, la croissance rapide de l’électrification des systèmes portée par les efforts visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans les secteurs du transport et de l’industrie, a entraîné des exigences accrues pour les machines électriques tournantes. Afin d’atteindre des densités de puissance plus élevées, ces systèmes fonctionnent à des tensions plus importantes, ce qui intensifie les pertes Joule, élève les températures internes et accroît les contraintes thermiques subies par les systèmes d’isolation électrique (SIE). Ces contraintes accélèrent les processus de vieillissement thermiquement activés et peuvent conduire à une défaillance prématurée de l’isolation, faisant de la compréhension et de la prédiction du vieillissement thermique un enjeu majeur pour la conception des SIE. La tenue thermique est généralement quantifiée par l’indice thermique (IT), tel que défini et classé dans la norme IEC 60085. Cependant, les normes existantes mettent en oeuvre des conditions de sollicitation, des profils de vieillissement et des critères de fin de vie variés, ce qui engendre des incohérences entre les évaluations de l’IT à l’échelle du système et des matériaux. L’objectif de cette thèse est d’étudier les différents niveaux de complexité d’un SIE, depuis les matériaux individuels jusqu’aux motorettes, vieillis dans des conditions identiques (vieillissement isotherme). Les caractérisations ont été sélectionnées afin de relier l’évolution des propriétés des différents objets le long de « l’échelle de complexité », en utilisant, à l’échelle du système, la capacité et la tension d’apparition des décharges partielles (TADP ou PDIV) et à l’échelle matériau, la permittivité et l’épaisseur.
Cependant, l’établissement d’un lien clair entre le comportement au vieillissement des motorettes et la dégradation d’échantillons simples, tels que les fils émaillés ou les papiers isolation, demeure complexe. Les paires torsadées constituent le seul objet intermédiaire normalisé représentant la configuration entre spire et sont largement utilisées dans les études de dégradation. En revanche, aucun objet intermédiaire normalisé n’existe pour représenter la configuration phase/masse, qui correspond au mode de défaillance le plus critique dans les machines tournantes et implique l’ensemble des couches d’isolation du SIE (émaillage, papier et résine d’imprégnation). Dans ce travail, un nouvel objet intermédiaire, dénommé « Binos », est introduit pour représenter la configuration phase/masse et permettre de faire le lien entre le vieillissement thermique des matériaux et du système, facilitant ainsi une compréhension plus approfondie du comportement thermique des isolations.
Une description détaillée de la conception des Binos est présentée, ainsi que le développement de nouvelles techniques de caractérisation permettant le suivi de l’épaisseur et de la permittivité intrinsèque de matériaux fibreux (Nomex). Le vieillissement thermique de quatre types d’objets, motorettes, Binos, fils émaillés et papiers isolants (imprégnés et non imprégnés, à l’exception des motorettes uniquement imprégnées) est étudié à trois températures de vieillissement accéléré (200 °C, 220 °C et 240 °C). Des caractérisations associées sont réalisées afin de suivre l’évolution du vieillissement (PDIV, capacité, épaisseur et permittivité) et de soutenir l’analyse du vieillissement thermique à l’aide de techniques complémentaires telles que la DSC et la FTIR. Sur la base de ces résultats, reliant les caractérisations micro et macroscopiques, un scénario de vieillissement est proposé, incluant l’identification des matériaux les plus critiques.
Enfin, des simulations électrostatiques du PDIV et de la capacité des Binos sont réalisées afin de valider la conception des Binos non vieillis, d’identifier quels matériaux constitutifs et quelles propriétés du SIE gouvernent l’évolution du PDIV et de la capacité, et de confronter les résultats expérimentaux de vieillissement à des estimations numériques. Cette approche combinant expérimentation et simulation contribue à une meilleure compréhension des mécanismes de vieillissement thermique des systèmes d’isolation des machines électriques tournantes.
Abstract:
Over the past two decades, the rapid growth of system electrification, driven by efforts to reduce greenhouse gas emissions in industry and transportation, has placed increasing demands on electrical rotating machines. To achieve higher power density, these systems operate at higher voltages, which intensifies Joule losses, raises internal temperatures and increases thermal stresses on Electrical Insulation Systems (EIS). Such stresses accelerate thermally activated aging processes and can lead to premature insulation failure, making the understanding and prediction of thermal aging a critical challenge in EIS design. The Thermal Index (TI), as defined and classified in IEC 60085, typically quantifies thermal endurance. However, existing standards employ diverse stress conditions, aging profiles and failure criteria leading to inconsistencies between system-level and material-level TI assessments. The objective of this thesis is to investigate the different levels of complexity in the EIS, from individual materials to motorettes, aged under identical conditions (isothermal aging). The characterizations has been selected to link the drift of properties of the different objects together through the “complexity scale” using for the system level capacitance and partial discharge inception voltage (PDIV), while permittivity and thickness has been selected to follow the material level.
However, establishing a clear link between the aging behavior of motorettes and the degradation behavior of simple samples, such as enameled wires or insulating papers, remains challenging. Twisted pairs of enameled wires constitute the only standardized intermediate object representing the turn-to-turn configuration and are widely used in degradation studies. In contrast, no standardized intermediate object exists to represent the phase-to-ground configuration, which corresponds to the most critical failure mode in rotating machines and involves all insulation layers of the EIS (enamel, paper and impregnation resin). In this work, a new intermediate test vehicle, termed “Binos”, is introduced to represent the phase-to-ground configuration and to bridge material and system-level thermal aging, thereby facilitating a deeper understanding of insulation thermal behavior.
A detailed description of the Bino design is provided, along with the development of new characterization techniques enabling the monitoring of thickness and intrinsic permittivity of fibrous materials (Nomex). The thermal aging of four types of objects, motorettes, Binos, enameled wires and insulating papers (impregnated and non-impregnated, except for motorettes, which are only impregnated) is investigated at three accelerated aging temperatures (200 °C, 220 °C, and 240 °C). Associated characterizations are performed to monitor the evolution of the aging (PDIV, capacitance, thickness, and permittivity) and to support thermal aging analysis using complementary techniques such as DSC and FTIR. Based on these results, linking micro to macro-characterization, an aging scenario is proposed, including the identification of the most critical materials.
Finally, electrostatic simulations of Bino PDIV and capacitance are conducted to validate the design of unaged Binos, identify which constituent materials and properties of the EIS govern the evolution of PDIV and capacitance and confront experimental aging results with numerical estimations. This combined experimental/numerical approach contributes to an improved understanding of thermal aging mechanisms in rotating machine insulation systems.
