2026-07-09T04:20:53Zhttps://ebiltegia.mondragon.edu/oai/requestoai:ebiltegia.mondragon.edu:20.500.11984/145972026-06-29T14:01:03Zcom_20.500.11984_460com_20.500.11984_6004col_20.500.11984_469
eBiltegia
advisor
Almandoz, Gaizka
advisor
Egea, Aritz
author
Elorza Azpiazu, Leire
2026-06-18T13:21:35Z
2026-06-18T13:21:35Z
2025
https://hdl.handle.net/20.500.11984/14597
The transition to sustainable mobility has accelerated the development of electric vehicles, with Wide-Bandgap (WBG) converters enabling greater power density and efficiency. However, their fast-switching waveforms increase the risk of Partial Discharges (PD), especially in interturn insulation, posing reliability challenges and reducing insulation lifetime. This doctoral thesis proposes tools and guidelines to design reliable insulation systems for WBG-based drives, focusing on PD mitigation. The work follows three research lines: (1) PD Inception Voltage (PDIV) estimation under representative conditions, (2) assessment of design and manufacturing factors, and (3) evaluation of insulation endurance under thermal and electrical stress using diagnostic markers. Novel PDIV models, based on the Extended Dakin’s and parallel-plate, were validated across 140 round and rectangular wire samples under varied conditions, with mean errors of -5.3% and -2.5%. They match the accuracy of simulation-based methods but offer faster results without requiring experimentation. Even if initially developed for interturn insulation, they also proved effective for groundwall systems, notably the Extended Dakin’s model, which requires no parameter fitting. The influence of manufacturing processes was studied with industrial partners. For instance, several winding techniques and potting application benefits were analysed. PDIV measurements enabled early detection of design weaknesses, supporting robust final design and products. Ageing tests confirmed that high temperatures and WBG-induced electrical stress reduce insulation endurance. Thermomechanical ageing did not accelerate failure beyond isothermal ageing, indicating that mechanically induced stress does not dominate across all materials. PD-based health markers, PDIV and discharge magnitude, provided the most reliable indicators of insulation degradation and imminent failure. These results support the integration of insulation modelling and validation into machine development. Future work includes broader model validation, evaluation of interturn insulation across winding techniques, and expansion of ageing datasets, between others.
La transición hacia una movilidad sostenible ha acelerado el desarrollo de los vehículos eléctricos, en los que los convertidores de banda prohibida ancha (WBG) han permitido una mayor densidad de potencia y eficiencia. No obstante, su conmutación rápida ha planteado retos de fiabilidad en los sistemas de aislamiento, pudiendo reducir su vida útil al aumentar el riesgo de descargas parciales (PD). En esta tesis doctoral se han propuesto herramientas y directrices para diseñar sistemas de aislamiento fiables en accionamientos con convertidores WBG. El trabajo se ha estructurado en tres líneas: (1) estimar el voltaje de inicio de PD (PDIV) en condiciones representativas, (2) analizar factores de diseño y fabricación y (3) evaluar la durabilidad del aislamiento bajo estrés térmico y eléctrico mediante marcadores diagnósticos. Los modelos de PDIV desarrollados, el Extended Dakin’s y parallel-plate, que se han validado en 140 muestras de hilos circulares y rectangulares sometidos a diversas condiciones, han obtenido errores promedios de -5,3% y -2,5%. Estos modelos, con cálculos más rápidos y sin requerir experimentación, han igualado la precisión de los métodos por simulación. Aunque se han diseñado inicialmente para el aislamiento entre espiras, también se han mostrado eficaces para el aislamiento a tierra, destacando el modelo Extended Dakin’s, que no requiere ajuste de parámetros. La influencia de los procesos de fabricación se ha estudiado en colaboración con empresas industriales. Se han evaluado técnicas de bobinado y los beneficios de la aplicación de la resina. Las mediciones de PDIV han permitido detectar debilidades de diseño de forma temprana, contribuyendo así a diseños y productos finales más robustos. Los ensayos de envejecimiento han confirmado que las altas temperaturas y el estrés eléctrico asociado a convertidores WBG reducen la durabilidad del aislamiento. No se ha observado un fallo acelerado del envejecimiento termomecánico respecto al isotérmico, indicando que el esfuerzo mecánico no domina en todos los materiales. Se ha demostrado que los marcadores basados en PD, son los indicadores más fiables de fallo inminente. Los resultados respaldan la integración del modelado y validación del aislamiento en el desarrollo de máquinas. Se prevé como trabajo futuro ampliar la validación de modelos y evaluar el aislamiento entre espiras según técnicas de bobinado, entre otros.
Mugikortasun jasangarrirako trantsizioak ibilgailu elektrikoen garapena bizkortu du, eta banda debekatu zabaleko (WBG) bihurgailuek potentzia- eta efizientzia-dentsitate handiagoa ahalbidetzen dute. Hala ere, kommutazio azkarreko uhin-formek fidagarritasunarazoak sortzen dituzte isolamendu-sistemetan, deskarga partzialen (PD) arriskua handituz, bereziki espiren arteko isolamenduan, eta bizitza baliagarria murriztuz. Tesi honek WBG bihurgailuekin funtzionatzen duten eragingailuetarako isolamendu fidagarriak diseinatzeko tresnak eta jarraibideak proposatzen ditu, PDen murrizketan oinarrituta. Ikerketa hiru ildotan egituratzen da: (1) PDaren hasierako tentsioa (PDIV) baldintza adierazgarrietan estimatzea, (2) diseinu eta fabrikazioaren eragina ebaluatzea eta (3) estres termiko eta elektrikopeko iraunkortasuna aztertzea diagnostiko-markatzaileekin. PDIVa modelatzeko, Extended Dakin’s eta parallel-plate ekuazioak moldatu eta garatu dira. Garapen hauek 140 laginetan baliozkotu dira baldintza ezberdinetan, %–5,3 eta %–2,5 batez besteko errorearekin. Eredu hauek simulazioan oinarritutako metodoen zehaztasuna berdintzen dute, baina esperimentazio beharrik gabe eta kalkulu azkarragoekin. Espiren arteko isolamendurako garatuak izan arren, lurrerako sistemetan ere aplikagarriak direla erakutsi da, batez ere Extended Dakin’s modeloa, parametroen doikuntzarik behar ez duelako. Fabrikazio-prozesuen eragina enpresa industrialekin lankidetzan aztertu da. Esaterako, harilkatu mota desberdinak eta erretxinaren aplikazioa aztertu dira. PDIVaren neurketek diseinuaren ahuleziak garaiz atzematea ahalbidetu dute, azken deseinu eta produktu sendoagoak lortuz. Zahartze-probek baieztatu dute tenperatura altuak eta WBGak sortutako estres elektrikoak iraunkortasuna murrizten dutela. Zahartze termomekanikoak ez du akats bizkorragorik eragin isotermikoarekiko, esfortzu mekanikoaren eragina material guztietan ez dela orokorra adieraziz. PDen markatzaileak, PDIV eta deskarga magnitudea, degradazioaren eta akatsaren adierazle fidagarrienak izan dira. Emaitza hauek isolamenduaren modelatzea eta baliozkotzea motorraren garapenprozesuan txertatzearen alde egiten dute. Etorkizunean ereduen balidazioa zabaltzea eta bobinatze-tekniken eragina espiren artean ebaluatzea proposatzen da, besteak beste.
eng
© Leire Elorza Azpiazu
ODS 3 Salud y bienestar
ODS 7 Energía asequible y no contaminante
ODS 9 Industria, innovación e infraestructuras
ODS 11 Ciudades y comunidades sostenibles
ODS 12 Producción y consumo responsables
ODS 13 Acción por el clima
Partial discharge-free electrical machine design for electromobility drives based on wide-bandgap semiconductors

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