Thèse - Compréhension et caractérisation multi-échelles des phénomènes de vieillissement thermique des systèmes d’isolations de machines tournantes

Toulouse CDD (36 mois)

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À propos de IRT Saint Exupéry

L’Institut de Recherche Technologique (IRT) Saint Exupéry est un accélérateur de science, de recherche technologique et de transfert vers les industries de l’aéronautique et du spatial pour le développement de solutions innovantes sûres, robustes, certifiables et durables.


Nous proposons sur nos sites de Toulouse, Bordeaux, Montpellier, Sophia Antipolis et Montréal un environnement collaboratif intégré composé d’ingénieurs, chercheurs, experts et doctorants issus des milieux industriels et académiques pour des projets de recherche et des prestations de R&T adossés à des plateformes technologiques autour de 4 axes : les technologies de fabrication avancées, les technologies plus vertes, les méthodes & outils pour le développement des systèmes complexes et les technologies intelligentes.


Nos technologies développées répondent aux besoins de l'industrie, en intégrant les résultats de la recherche académique.

Le poste

Cette mission entre dans le cadre des activités de l’axe Technologies Plus Vertes et plus précisément dans le centre de compétences Energies Haute Tension (EHT) qui a pour objectif de travailler sur la phénoménologie associée à la transition électrique au sein des aéronefs. Cette transition correspond à un remplacement des systèmes propulsifs et non-propulsifs des aéronefs par des systèmes électriques; et est associée à une augmentation des niveaux de tension, de puissance et de densité d’énergie. Le centre de compétence EHT s’attache à étudier les phénomènes impactés par ces changements (charges d’espace, décharges partielles, décharges de surface, rupture diélectrique, arcs électriques, etc.) ainsi que leurs implications sur l’ensemble des éléments de la chaîne électromécanique (génératrice, câbles, convertisseurs de puissance, transformateurs, connecteurs, protections, actionneurs, etc.).


Contexte industriel :


Les fabricants de machines tournantes font face à 2 défis technologiques majeurs : l’efficacité et la densité de puissance :

  • Améliorer l’efficacité d’une machine consiste souvent à réduire les pertes liées au pilotage à l’aide de convertisseurs à modulation de largeur d’impulsion grâce à l’électronique de puissance. Ces composants nouvelle génération imposent un stress électrique plus sévère dont il faut tenir compte dans le dimensionnement des machines par rapport à leur propre profil de mission notamment en température. 
  • Améliorer la densité de puissance des machines tournantes passe par l’élaboration de machines haute-tension pouvant mener à un changement profond des technologies d’isolation électrique utilisées dans sa conception. Les nouveaux matériaux et combinaisons de matériaux imaginées posent alors la question des performances et de la durabilité dans le temps. 


Le premier facteur de vieillissement reste bien souvent la thermique (environnement, fonctionnement à haute température, cyclage thermique) qui induit des modifications physico-chimiques des constituants des systèmes d’isolation électrique : émail des fils, vernis d’imprégnation, papiers isolants. Ces modifications peuvent ensuite permettre l’apparition de mécanismes de dégradation électriques jusqu’à la défaillance complète du système.

 

Les outils existants pour appréhender ces problématiques sont limités : les essais de qualification normalisés qui sont imposés aux systèmes ne tiennent pas compte des comportements non Arrhéniens des matériaux et peuvent parfois générer un stress trop sévère et non représentatif sur les échantillons testés. La caractérisation des matériaux seuls ne peut pas reproduire fidèlement l’environnement du matériau dans son système (contraintes mécaniques associées, environnement oxydatif différent, etc.), ni l’impact du process et de la géométrie.


Objectifs de la thèse :


L’objectif est de faire le lien entre l’évolution de propriétés physico-chimiques sur des échantillons simples sous vieillissement thermique, et leur manifestation au sein d’un assemblage au travers de la dérive d’observables macroscopiques.


Missions :


1) Revue bibliographique


Contexte des machines tournantes électriques, phénomènes de dégradation des isolants, essais de vieillissement, méthodes de caractérisation et de modélisation existantes, lois matériaux adaptées. Cette tâche est cruciale pour définir la feuille de route du doctorat en adéquation avec les objectifs du projet et les travaux de la littérature.


2) Spécification d’échantillons adaptés au changement d’échelle (observables systèmes vs propriétés physico-chimiques)


L’objectif de cette mission est de définir les éprouvettes qui permettront d’étudier les potentielles interactions entre les différents constituants du système d’isolation électrique complet (ex. paire torsadée, paire torsadée imprégnée, papier isolant, etc.).


3) Essais de vieillissement sur échantillons matériaux et éprouvettes intermédiaires


Cela consistera à réaliser des essais de vieillissement isotherme avec des caractérisations régulières (FTIR, DSC, ATG, SIMS, EDX, spectroscopie diélectrique, etc.) sur les différents échantillons afin d’étudier l’évolution des propriétés des matériaux.


4) Comparaison avec les données issues des vieillissements isothermes sur motorettes


Dans le cadre du projet précédent des campagnes d’essais ont été réalisées sur des motorettes avec des mesures d’observables macroscopiques (Capacité, PDIV, courant de fuite). Cette tâche qui est le cœur du sujet consistera en l’analyse et la recherche de corrélation entre l’évolution des propriétés caractérisées dans la tâche 3 et la dérive des observables macroscopiques. L’utilisation de modèles numériques pourra être un outil pour faire le lien entre ces deux échelles. 



Profil recherché

Diplômé d’un Master (ou école d’ingénieur) en génie électrique et sciences des matériaux (polymères avec connaissance des diélectriques), le doctorant devra maîtriser les caractérisations électriques, les propriétés des diélectriques, les caractérisations thermiques / structurales et avoir des connaissances en vieillissement.


Une curiosité, un esprit d’équipe, et une application est un atout.

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