Design, taking into account the partial discharges phenomena, of the electrical insulation system (EIS) of high power electrical motors for hybrid electric propulsion of future regional aircrafts

La reduction des emissions de CO2 est un enjeu majeur pour l'Europe dans les annees a venir. Les transports sont aujourd'hui a l'origine de 24% des emissions globales de CO2. L'aviation ne represente que 2% des emissions globales de CO2. Cependant, le trafic aerien est en pleine expansion et, deja, des inquietudes apparaissent. A titre d'exemple, en Suede, depuis les annees 1990, les emissions de CO2 dues au trafic aerien ont augmente de 61%. Ce constat explique l'apparition du mouvement Flygskam qui se repend dans de plus en plus de pays Europeen. C'est dans ce contexte que l'Union Europeenne a lance en septembre 2016 le projet Hybrid Aircraft Academic research on Thermal and Electrical Components and Systems (HASTECS). Le consortium regroupe differents laboratoires et Airbus. Ce projet s'inscrit dans le programme Clean Sky 2 qui vise a developper une aviation plus verte. L'objectif ambitieux est de reduire de 20% les emissions de CO2 et le bruit produits par les avions d'ici 2025. Pour cela, le consortium etudie une architecture hybride de type serie. La propulsion est assuree par des moteurs electriques. Deux cibles ont ete definies. En 2025, les moteurs doivent atteindre une densite de puissance de 5kW/kg, systeme de refroidissement inclus. En 2035, la densite de puissance des moteurs sera doublee pour atteindre 10kW/kg. Pour atteindre ces cibles, le niveau de tension sera considerablement augmente, au-dela du kilovolt. Le risque de decharges electriques dans les stators des moteurs electriques est considerablement accru. L'objectif de cette these est de mettre au point un outil d'aide au design du Systeme d'Isolation Electrique (SIE) primaire du stator de moteur electrique pilote par convertisseur. Elle est decoupee en cinq parties. La premiere partie commence par preciser les enjeux et defis d'une aviation plus verte. Le SIE du stator de moteur electrique est developpe. Enfin, les contraintes qui s'appliquent sur le SIE dans l'environnement aeronautique sont identifiees. La deuxieme partie presente les differents types de decharges electriques que l'on peut retrouver. Le principal risque vient des Decharges Partielles (DP) qui deteriorent peu a peu le SIE. Le principal mecanisme pour expliquer l'apparition des DP est l'avalanche electronique. Le critere de Paschen permet d'evaluer le Seuil d'Apparition des Decharges Partielles (SADP). Differentes techniques permettent de detecter et mesurer l'activite des DP. Des modeles numeriques permettent d'evaluer le SADP. La troisieme partie presente une methode originale pour determiner les lignes de champ electrique dans un probleme electrostatique. Elle n'utilise qu'une formulation en potentiel scalaire. La quatrieme partie presente une etude experimentale pour etablir une correction du critere de Paschen. Un bobinage de moteur electrique est tres loin des hypotheses dans lesquelles ce critere a ete originellement defini. Enfin, la cinquieme partie est consacree a l'elaboration de l'outil d'aide au design du SIE. Des abaques sont construites afin de fournir des recommandations sur le dimensionnement des differents isolants dans une encoche de stator. Une reduction du SADP due a une variation combinee de la temperature et de la pression est prise en compte.