L’émergence du concept d’un avion plus électrique implique une refonte en profondeur des réseaux embarqués. L’axe principalement développé repose sur une augmentation de la tension du réseau et un passage au bus continu. Le contrôle des actionneurs électriques embarqués passe alors par l’utilisation massive de convertisseurs électroniques qui vont imposer des fronts de tension très raides et des contraintes particulières aux enroulements des machines. Les oscillations pseudopériodiques qui suivent ces fronts raides sont à l’origine de champs électriques intenses qui peuvent dépasser le seuil d’apparition des décharges partielles (PDIV) et de ce fait provoquer une dégradation rapide des isolants classiques qui sont à base de polymères. Le travail effectué dans cette thèse est centré sur l’étude d’une nouvelle méthode de conception des bobinages permettant la réduction des problèmes de décharges partielles. Un dispositif expérimental mis au point dans ce cadre reproduit les contraintes imposées par des convertisseurs modernes et permet de mesurer les tensions inter-spires d’une bobine. L’étude expérimentale met en évidence les phénomènes àprendre en compte avec ce type d’alimentation et donne une première idée des axes d’optimisation envisageables. Un modèle prédictif capable de donner la distribution des tensions inter-spires, en réponse à un front raide de tension, aide à identifier les points critiques. Les paramètres constitutifs de ce modèle ont été déterminés en utilisant des méthodes analytiques, expérimentales et numériques. Compte tenu de la complexité du modèle, un outil numérique automatisé a été élaboré afin de simuler le modèle des bobines étudiées. Plusieurs types de bobinage ont été analysés et optimisés avec succès. Cette optimisation consiste à diminuer la tension inter-spires en agissant sur l’arrangement des fils dans les encoches. L’utilisation des bobines optimisées avec cette méthode permet d’envisager une nette amélioration de la fiabilité des machines électriques. / The emergence of the concept of a more electric aircraft requires a major overhaul of onboard grid. The main developed axis is based on an increase in the grid voltage and a switch to DC bus. In this context, the onboard electric actuators are supplied through power electronic converters that will impose very fast voltage fronts and particular constraints in the windings of the machines. The transient over-voltages that follow the steep-fronted pulses are the source of intense electric fields which may exceed the partial discharge inception voltage (PDIV) and cause a rapid deterioration of polymer based insulators. This thesis focuses on the study of a new design method of the windings in order to reduce problems of partial discharges. An experimental device developed in this framework reproduces the constraints of modern converters and allows measuring the turn-to-turn voltages of a coil. The experimental study shows the phenomena to be considered with this type of power supply and gives an idea of possible areas for optimization. A predictive model able to give the distribution of turn-to-turn voltages, in response to a steep-fronted voltage, helps to identify critical points. The constitutive parameters of this model were determined using analytical, experimental and numerical methods. Given the complexity of the model, an automated numerical tool has been developed in order to simulate the model of studied coils. Several types of coil have been analyzed and optimized successfully. This optimization consists in reducing the turn-to-turn voltages by acting on the arrangement of the wires in the slots. The use of optimized coils with this method allows envisaging a significantimprovement in the reliability of electrical machines.

The introduction of inverters utilizing wide band-gap semiconductors allow for higher switching frequency and improved machine drive energy efficiency. However, inverter switching results in fast voltage surges which cause overvoltage at the stator terminals and uneven voltage distribution in the stator winding. Therefore, it is important to understand how next generation machine drives, with higher switching frequency, affect the voltage distribution. For this purpose, a lumped-parameter model capable of simulating winding interturn voltages for the wide frequency range of 0-10 MHz is developed for a slotless PMSM. The model includes both capacitive and inductive couplings, extracted from 2D finite element simulations, as well as analytically estimated resistive winding losses. The developed model of a single phase-winding is used to investigate how machine design aspects such as insulation materials and winding conductor distribution affects both voltage distribution and winding impedance spectrum. Validation measurements demonstrate that the model is accurate for the wide frequency range. The sensitivity analysis suggests that the winding conductor distribution affect both impedance spectrum and voltage distribution. For the slotless machine, capacitance between the winding and the stator is several times smaller than capacitance between turns. Therefore, the high-frequency effects are dominated by the capacitance between turns. Insulation materials that affect this coupling does therefore have an impact on the impedance spectrum but does not have any significant impact on the voltage distribution. / Nästa generations inverterare för styrning av elektriska maskiner, baserade på bredbandgaps komponenter, tillåter högre switchfrekvenser vilket skapar en energieffektivare drivlina. Nackdelen är att snabba spänningsflanker från den höga switchfrekvensen skapar överspänning på stators anslutningar och en ojämn spänningsfördelning i statorlindningen. Det är därför betydelsefullt att förstå hur dessa nya drivlinor påverkar lindningens spänningsfördelning. I denna rapport används en modell kapabel att simulera lindningens spänningsfördelning i det breda frekvensspektrumet 0-10 MHZ. Modellen är framtagen för en faslindning av en PMSM, utan statoröppning, som inkluderar både kapacitiva och induktiva kopplingar samt analytiskt beräknade lindningsförluster. Modellen används för att undersöka spänningsfördelningen i lindningen samt inverkan från designparametrar som isolationsmaterial och lindningsdistribution. Känslighetsanalysen visar att lindingsdistributionen har en signifikant påverkan på både impedansspektrumet och spänningsfördelningen. För den studerade maskintypen är det kapacitansen mellan varv som är dominerande för högfrekventa fenomen. Isolationsmaterial som påverkar denna koppling har en påverkan på impedansspektrumet men är liten för spänningsfördelningen.