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Soutenance de thèse de Timothée DOUTRIAUX – 3 octobre 2025 à 14h00

Etude des performances d’un collecteur électrique métallographitique : application aux éoliennes offshores

Study of the performance of a metallographic slip ring: application to offshore wind turbines

Rendez-vous vendredi 3 octobre 2025 à 14h00 au 36 avenue Guy de Collongue –Bâtiment W1 – 69134 Ecully – salle Amphi

Membres du jury :

  • Direction de thèse : Mme Maria Isabel DE BARROS BOUCHET - Maîtresse de conférences HDR - Ecole Centrale de Lyon
  • Codirection de thèse : M. Siegfried FOUVRY - Directeur de recherche - Mines Paris PSL
  • Rapporteur : M. Pierre-Henri CORNUAULT - Professeur - Université de Franche-Comté
  • Rapporteur : M. Stefano MISCHLER - Professor - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
  • Examinateur : Mme Christine BOHER - Professeure - Ecole Nationale Supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (IMT Mines Albi)
  • Examinateur : Mme Cécile LANGLADE - Professeure -  Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM)
  • Co-encadrant de thèse : Mme Manon ISARD - Docteure - Everaxis Aerospace & Defence
  • Co-encadrant de thèse : M. Sébastien LAROUSSE - Docteur - Everaxis Industries

Résumé de la thèse :

La transmission d’un courant ou de signaux électriques entre une structure fixe et une structure en rotation peut être réalisée au moyen d’un collecteur, système qui emploie des contacts électriques glissants. Si ces derniers peuvent prendre de multiples formes, les contacts électriques glissants étudiés dans le cadre de ces travaux de thèse sont constitués d’une bague métallique et d’un balai métallographitique. Cette technologie est notamment utilisée dans le domaine éolien, pour alimenter et communiquer avec les nombreux éléments électroniques embarqués dans les pales. Avec le rapide développement de l’éolien en mer (offshore), pour lequel les maintenances sont particulièrement coûteuses, la fiabilisation et la longévité de ces contacts électriques bague balai revêtent un intérêt majeur. Dans ce contexte, l’intérêt de ces travaux de thèse est double. Tout d’abord, il s’agit de renforcer les connaissances des mécanismes tribo-électriques qui ont lieu au cours du glissement du contact électrique en conditions nominales d’utilisation. Pour ce faire, un banc d’essai a été entièrement développé au cours des travaux de thèse, permettant – entre autres – le suivi de la performance électrique du contact au cours de la rotation. Il est basé directement sur un collecteur électrique industriel, ce qui assure une forte proximité avec le comportement du contact électrique glissant en conditions réelles d’utilisation. Cette approche « macroscopique », combinée à une procédure d’analyse physico-chimique « microscopique » poussée, donne une vision multi échelle complète du système tribologique étudié. Elle a contribué à établir un scénario de construction et d’évolution du troisième corps, également appelé patine, qui permet notamment d’expliquer l’évolution de la performance électrique du contact au cours du glissement. Sur la base de ces connaissances acquises, le second axe de recherche de ces travaux de thèse repose sur une exploration de l’influence de différents paramètres de rotation ou environnementaux. L’objectif est de proposer des pistes pour l’amélioration de la performance du contact bague-balai, en particulier du point de vue de l’usure, afin de satisfaire l’objectif de réduction des maintenances d’un collecteur électrique. L’impact sur les performances tribologique et électrique de paramètres comme la force normale appliquée, l’humidité relative ambiante ou le passage du courant électrique à travers le contact est notamment investigué. Un modèle prédictif de l’usure du balai et de la résistance électrique moyenne du contact est également établi, ce qui constitue un outil intéressant pour le choix des conditions de glissement du contact en fonction de l’environnement d’application industrielle du collecteur. The transmission of electrical current or signals between a stationary and a rotating structures can be achieved by means of an electrical slip ring, which employs sliding electrical contacts. Despite their capacity to manifest in diverse forms, the sliding electrical contact investigated in this thesis is composed of a metal ring and a metal-graphite brush. This technology finds a particular application in the wind energy sector, where it facilitates the powering and communication with the numerous electronic components embedded in the blades. With the ongoing rapid development of offshore wind power, where maintenance is particularly costly, the reliability and longevity of brush-ring electrical contact are of major interest. In this context, the interest of this thesis work is twofold. Firstly, the objective is to develop a comprehensive understanding of the triboelectric mechanisms that occur during the sliding of the electrical contact under nominal operating conditions. To this end, a test bench was entirely developed during the thesis work. This enabled – among others – the electrical performance of the contact to be monitored during rotation. Its design has been based on an industrial electrical slip ring, ensuring that its behaviour is closely comparable to that of a sliding electrical contact under real conditions of use. This “macroscopic” approach, combined with an advanced “microscopic” physico-chemical analysis procedure, provides a comprehensive multi-scale perspective of the tribological system under investigation. This has enabled the establishment of a scenario for the construction and evolution of the third body, also called patina, which in particular explains the evolution of the electrical performance of the contact during sliding. On the basis of this knowledge, the second research line in this thesis is based on an exploration of the influence of different rotational and environmental parameters. The objective of this study is to enhance the performance of the brush-ring contact, with a particular focus on reducing wear in order to meet the objective of reducing the maintenance of the electrical slip ring for offshore wind turbine application. The investigation focuses on the impact on tribological and electrical performances of parameters such as the normal force applied, the ambient relative humidity or the passage of electrical current through the contact. À predictive model of brush wear and average electrical resistance of the contact is also established, providing an interesting tool for choosing contact sliding conditions depending on the industrial application environment of the slip ring.

Mots-clés :

Tribologie,contact électrique, usure,c ollecteur électrique,matériaux métallographiques

Keywords:

Tribology,electrical contact,wear,slip ring,metallographic materials
Date de publication : 24/07/2025

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