Comparaison des Masses et des Coûts des Parties Actives de Génératrices à Aimants Permanents pour des Cahier des Charges d'Hydroliennes POD et Rim-Driven

National audienceL'article présente la comparaison de plusieurs types de génératrices directement entraînées par une turbine hydrolienne de grande puissance. Deux types de structures magnétiques (à flux radial et à flux axial) sont étudiés. Nous considérerons que ces deux structures peuvent être associées à la turbine selon deux types de technologies d'intégration (POD et RIM-Driven). Dans un concept dit " RIM-DRIVEN " la génératrice est disposée sur la périphérie de l'hélice. Pour les technologies POD, la génératrice est logée dans une nacelle étanche centrée sur l'intérieur des pales de la turbine. Pour les besoins de cette étude, deux cahiers des charges relatifs à deux sites choisis pour l'implantation d'hydroliennes préindustrielles sont utilisés. Ainsi, le site de la Baie de Fundy, en Nouvelle Ecosse, Canada caractérisé par de forts courants et un le site de Paimpol-Bréhat, France qui se différentie par des courants moins forts sont utilisés pour le dimensionnement de ces génératrices. Les outils utilisés comprennent un modèle électromagnétique et un modèle thermique intégrés dans une procédure d'optimisation visant à minimiser le coût total des parties actives. La méthode et les spécifications nécessaires pour effectuer ces dimensionnements sont données dans cet article. Des comparaisons technico-économiques des coûts et des masses des parties actives, en lien avec ces technologies, sont ainsi menées

Génératrice à aimants permanents à flux axial à grand diamètre avec entrefer immergé

Cette étude propose une méthode de modélisation et de conception adaptée aux machines à flux axial et à Double Stator (poly-entrefer) destinée à être intégrée comme génératrice pour une hydrolienne RIM-DRIVEN de grande puissance. La particularité du concept RIM-DRIVEN ou à entrainement circonférentiel réside dans le fait que la machine électrique se situe sur la périphérie de l’hélice. De plus, dans cette étude, l’entrefer de la machine est considéré immergé dans l’eau de mer. Les particularités du système imposent de mettre au point des modèles de dimensionnement adaptés. Ainsi, un modèle électromagnétique analytique 2D inversé permettant le calcul des dimensions géométriques principales est présenté. De même, un modèle thermique spécifique aux machines à entrefer immergé est décrit. Ces modèles permettent d’estimer la masse et le coût des parties actives. Cette machine à flux axial est comparée en termes de coûts matières, masses et comportement thermique avec une machine à flux radial à aimants permanents dimensionnée pour un même cahier des charges. Il en ressort clairement que la machine à flux axial double stator est thermiquement moins contrainte que les machines à simple stator

Pré Dimensionnement d’une machine à flux axial à double stator pour un cahier des charges d’une hydrolienne à entraînement circonférentiel

Dans la présente étude une structure de machine à flux axial à double stator est présentée, un modèle électromagnétique de pré dimensionnement au premier ordre est décrit pour cette structure. Les dimensions principales de cette machine ainsi qu’un modèle thermique sont présentés pour un cahier des charges d’hydrolienne Rim-Driven. Ces structures originales d’hydroliennes, qui ont fait l’objet de précédentes études au laboratoire (IRENav), sont caractérisées par le fait que les parties actives de la machine se situent sur la périphérie de l’hélice. Les volumes des matériaux actifs et le comportement thermique de la machine axiale sont comparés avec une machine radiale à aimants permanents dimensionnée lors de travaux précédents. Cette première étude, montre un intérêt pour ce type de structures poly-entrefer, notamment en termes de compacité. En effet, l’étude démontre que ces machines sont caractérisées par un comportement thermique moins contraignant

Pré Dimensionnement d’une machine à flux axial à double stator pour un cahier des charges d’une hydrolienne à entraînement circonférentiel

National audienceDans la présente étude une structure de machine à flux axial à double stator est présentée, un modèle électromagnétique de pré dimensionnement au premier ordre est décrit pour cette structure. Les dimensions principales de cette machine ainsi qu’un modèle thermique sont présentés pour un cahier des charges d’hydrolienne Rim-Driven. Ces structures originales d’hydroliennes, qui ont fait l’objet de précédentes études au laboratoire (IRENav), sont caractérisées par le fait que les parties actives de la machine se situent sur la périphérie de l’hélice. Les volumes des matériaux actifs et le comportement thermique de la machine axiale sont comparés avec une machine radiale à aimants permanents dimensionnée lors de travaux précédents. Cette première étude, montre un intérêt pour ce type de structures poly-entrefer, notamment en termes de compacité. En effet, l’étude démontre que ces machines sont caractérisées par un comportement thermique moins contraignant

A Comparative Study of Modular Axial Flux Podded Generators for Marine Current Turbines

International audienceThis research note deals with performance comparison of axial flux modular podded generators for marine current turbines (MCTs). Due to the submarine environment, maintenance operations are very hard, very costly, and strongly depending on sea conditions. In this context, the drive train reliability is a key feature for MCTs. For that purpose, a comparative study is proposed, to assess modular axial flux permanent magnet (AFPM) machines potential for reliability improvement. Thereby, designs of direct-drive modular AFPM generators for a given experimental MCT are performed. The proposed study shows that a pair number of spatially shifted AFPM machine modules, adequately associated, leads to the reduction of the electromagnetic torque ripples transmitted to the MCT shaft. Moreover, it is shown that the proposed module-based generator configuration achieves better thermal behavior. As the actives parts masses and costs are expected to be higher, compromises should be carried-out in terms of reliability and fault-tolerance

Design and Performance Analysis of Double Stator Axial Flux PM Generator for Rim Driven Marine Current Turbines

This paper deals with the design and performance analysis of double stator axial flux permanent magnet generators for rim-driven marine current turbines (MCT). Indeed for submarine applications, drive train reliability is a key feature to reduce maintenance requirements. Rim-driven direct-drive multi-stator generators can therefore be a very interesting solution to improve this reliability. In this context, the presented work focus on the design of a double-stator axial flux permanent magnets (PM) generator as a rim-driven direct-drive multi-stator generator. The paper details the models, specifications and an optimization procedure that allow to preliminary design these kind of generators for rim-driven marine turbines. Thereafter, validations with finite elements computations and performance analysis considering particular design of rimdriven generators are presented. The obtained results highlight some designs issues of PM generators for rim driven marine turbines. In order to assess the effectiveness of the double stator axial flux PM generator, a comparison with a designed surface mounted radial flux PM generator for rim marine turbines is carried out.. The comparison highlights that the double stator axial flux generator presents a better cooling and a reduced active parts cost and mass than the radial flux PM generator.International audienceThis paper deals with the design and performance analysis of double stator axial flux permanent magnet generators for rim-driven marine current turbines (MCT). Indeed for submarine applications, drive train reliability is a key feature to reduce maintenance requirements. Rim-driven direct-drive multi-stator generators can therefore be a very interesting solution to improve this reliability. In this context, the presented work focus on the design of a double-stator axial flux permanent magnets (PM) generator as a rim-driven direct-drive multi-stator generator. The paper details the models, specifications and an optimization procedure that allow to preliminary design these kind of generators for rim-driven marine turbines. Thereafter, validations with finite elements computations and performance analysis considering particular design of rimdriven generators are presented. The obtained results highlight some designs issues of PM generators for rim driven marine turbines. In order to assess the effectiveness of the double stator axial flux PM generator, a comparison with a designed surface mounted radial flux PM generator for rim marine turbines is carried out.. The comparison highlights that the double stator axial flux generator presents a better cooling and a reduced active parts cost and mass than the radial flux PM generator

Contribution à la modélisation et à la conception optimale de génératrices à aimants permanents pour hydroliennes

The improvements of marine current turbines drive train are key features to ensure safe operation and to make tidal energy resource cost-attractive. In this context, eliminating mechanical systems that demand high-level of maintenance can be an interesting way to improve the global behavior of tidal turbines. For that purposes, the presented studies focus on design methodologies and concepts of direct-driven generators associated with fixed-pitch turbines. The proposed designs are based on multiphysics models of the generator that are integrated in an optimization process taking into account the drive train environment. For these reasons, several models have been integrated into a global design strategy in order to find solutions that improve marine current turbines performances. This strategy is based on the use of an optimization process that combines electromagnetic model, thermal model, turbine performances model, and tidal resource velocity profile. This methodology integrates also an efficient control strategy based on a maximum power point tracking (MPPT) approach at low tidal speed and a flux-weakening power limitation control at high tidal speed. This control at high tidal velocities is in this work achieved by considering only the generator electrical control without using blade pitching systems. The obtained results highlight trends that could lead to an improvement of the design and they help designers to set relevant technological choices in order to ensure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines.L'amélioration des performances des chaînes de conversion dédiées à la récupération d'énergie par les hydroliennes est un point particulièrement important pour rendre cette ressource économiquement attractive. La minimisation du coût de l'énergie produite passe nécessairement par une amélioration des performances de la chaîne de conversion électromécanique et une réduction des coûts de maintenance et de production des éléments la constituant. Dans ce contexte particulier, les génératrices à aimants permanents apparaissent particulièrement intéressantes dans la mesure où elles sont bien adaptées à un fonctionnement à basse vitesse et à fort couple. Ceci permet d'éliminer des systèmes mécaniques très complexes, encombrants et exigeants en maintenance, tels que le multiplicateur de vitesse et/ou le système d'orientation des pales. L'objectif de cette thèse est d’explorer un certain nombre de pistes concernant les outils, les concepts et les règles de conception à mettre en oeuvre pour dimensionner une génératrice associée en entraînement direct à une turbine hydrolienne à pas fixe. Les outils mis au point dans ces travaux englobent des modèles multi-physiques intégrés dans une démarche de conception qui se veut la plus globale possible. Cette méthodologie tient compte de la caractéristique de la ressource (courants de marées), de celle de la turbine (hélice), des spécifications de la génératrice à aimants permanents, de la mise en oeuvre d’une stratégie de pilotage associant MPPT et limitation de puissance par défluxage à fort courants de marées, en plus des contraintes liées au convertisseur. L'environnement de conception développé est basé sur un couplage des modèles dans une procédure d'optimisation. Les résultats obtenus mettent en lumière les points clés associés au développement d’une telle génératrice pour un contexte hydrolien

Modeling and optimal design of permanent-magnet generators for marine tidal current turbines

L'amélioration des performances des chaînes de conversion dédiées à la récupération d'énergie par les hydroliennes est un point particulièrement important pour rendre cette ressource économiquement attractive. La minimisation du coût de l'énergie produite passe nécessairement par une amélioration des performances de la chaîne de conversion électromécanique et une réduction des coûts de maintenance et de production des éléments la constituant. Dans ce contexte particulier, les génératrices à aimants permanents apparaissent particulièrement intéressantes dans la mesure où elles sont bien adaptées à un fonctionnement à basse vitesse et à fort couple. Ceci permet d'éliminer des systèmes mécaniques très complexes, encombrants et exigeants en maintenance, tels que le multiplicateur de vitesse et/ou le système d'orientation des pales. L'objectif de cette thèse est d’explorer un certain nombre de pistes concernant les outils, les concepts et les règles de conception à mettre en oeuvre pour dimensionner une génératrice associée en entraînement direct à une turbine hydrolienne à pas fixe. Les outils mis au point dans ces travaux englobent des modèles multi-physiques intégrés dans une démarche de conception qui se veut la plus globale possible. Cette méthodologie tient compte de la caractéristique de la ressource (courants de marées), de celle de la turbine (hélice), des spécifications de la génératrice à aimants permanents, de la mise en oeuvre d’une stratégie de pilotage associant MPPT et limitation de puissance par défluxage à fort courants de marées, en plus des contraintes liées au convertisseur. L'environnement de conception développé est basé sur un couplage des modèles dans une procédure d'optimisation. Les résultats obtenus mettent en lumière les points clés associés au développement d’une telle génératrice pour un contexte hydrolien.The improvements of marine current turbines drive train are key features to ensure safe operation and to make tidal energy resource cost-attractive. In this context, eliminating mechanical systems that demand high-level of maintenance can be an interesting way to improve the global behavior of tidal turbines. For that purposes, the presented studies focus on design methodologies and concepts of direct-driven generators associated with fixed-pitch turbines. The proposed designs are based on multiphysics models of the generator that are integrated in an optimization process taking into account the drive train environment. For these reasons, several models have been integrated into a global design strategy in order to find solutions that improve marine current turbines performances. This strategy is based on the use of an optimization process that combines electromagnetic model, thermal model, turbine performances model, and tidal resource velocity profile. This methodology integrates also an efficient control strategy based on a maximum power point tracking (MPPT) approach at low tidal speed and a flux-weakening power limitation control at high tidal speed. This control at high tidal velocities is in this work achieved by considering only the generator electrical control without using blade pitching systems. The obtained results highlight trends that could lead to an improvement of the design and they help designers to set relevant technological choices in order to ensure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines

Modeling and optimal design of permanent-magnet generators for marine tidal current turbines

L'amélioration des performances des chaînes de conversion dédiées à la récupération d'énergie par les hydroliennes est un point particulièrement important pour rendre cette ressource économiquement attractive. La minimisation du coût de l'énergie produite passe nécessairement par une amélioration des performances de la chaîne de conversion électromécanique et une réduction des coûts de maintenance et de production des éléments la constituant. Dans ce contexte particulier, les génératrices à aimants permanents apparaissent particulièrement intéressantes dans la mesure où elles sont bien adaptées à un fonctionnement à basse vitesse et à fort couple. Ceci permet d'éliminer des systèmes mécaniques très complexes, encombrants et exigeants en maintenance, tels que le multiplicateur de vitesse et/ou le système d'orientation des pales. L'objectif de cette thèse est d’explorer un certain nombre de pistes concernant les outils, les concepts et les règles de conception à mettre en oeuvre pour dimensionner une génératrice associée en entraînement direct à une turbine hydrolienne à pas fixe. Les outils mis au point dans ces travaux englobent des modèles multi-physiques intégrés dans une démarche de conception qui se veut la plus globale possible. Cette méthodologie tient compte de la caractéristique de la ressource (courants de marées), de celle de la turbine (hélice), des spécifications de la génératrice à aimants permanents, de la mise en oeuvre d’une stratégie de pilotage associant MPPT et limitation de puissance par défluxage à fort courants de marées, en plus des contraintes liées au convertisseur. L'environnement de conception développé est basé sur un couplage des modèles dans une procédure d'optimisation. Les résultats obtenus mettent en lumière les points clés associés au développement d’une telle génératrice pour un contexte hydrolien.The improvements of marine current turbines drive train are key features to ensure safe operation and to make tidal energy resource cost-attractive. In this context, eliminating mechanical systems that demand high-level of maintenance can be an interesting way to improve the global behavior of tidal turbines. For that purposes, the presented studies focus on design methodologies and concepts of direct-driven generators associated with fixed-pitch turbines. The proposed designs are based on multiphysics models of the generator that are integrated in an optimization process taking into account the drive train environment. For these reasons, several models have been integrated into a global design strategy in order to find solutions that improve marine current turbines performances. This strategy is based on the use of an optimization process that combines electromagnetic model, thermal model, turbine performances model, and tidal resource velocity profile. This methodology integrates also an efficient control strategy based on a maximum power point tracking (MPPT) approach at low tidal speed and a flux-weakening power limitation control at high tidal speed. This control at high tidal velocities is in this work achieved by considering only the generator electrical control without using blade pitching systems. The obtained results highlight trends that could lead to an improvement of the design and they help designers to set relevant technological choices in order to ensure significant cost reduction and highly improve the reliability of marine current turbines

Eléments comparatifs de plusieurs technologies de génératrices à aimants permanents a entrainement direct pour hydroliennes

L’article présente la comparaison des dimensionnements de génératrices à entraînement direct pour des cahiers des charges d’hydroliennes. Deux types de structures magnétiques (à flux radial et à flux axial) sont étudiés.Nous considérons que ces deux structures peuvent être associées à une turbine à axe horizontal selon deux types de technologies d’intégration : POD et Rim-Driven. Dans un concept dit « Rim-Driven » la génératrice est disposée sur la périphérie des pales. Pour les technologies POD, la génératrice est logée dans une nacelle étanche placée au niveau del’axe de l’hélice. Un point de dimensionnement nominal inspiré d’un projet d’hydrolienne préindustrielle est défini pour être utilisé, dans cette étude, pour le dimensionnement de ces génératrices. Les outils utilisés comprennent un modèle électromagnétique et un modèle thermique intégrés dans une procédure d’optimisation visant à minimiser le coût total des parties actives sous contraintes thermique et de rendement. Ces dimensionnements électromagnétiques des génératrices pour des configurations Rim-Driven et POD permettent de dégager des conclusions qualitatives sur le choix du type de génératrices et son mode d’accouplement avec l’hélice.L’article présente la comparaison des dimensionnements de génératrices à entraînement direct pour des cahiers des charges d’hydroliennes. Deux types de structures magnétiques (à flux radial et à flux axial) sont étudiés.Nous considérons que ces deux structures peuvent être associées à une turbine à axe horizontal selon deux types de technologies d’intégration : POD et Rim-Driven. Dans un concept dit « Rim-Driven » la génératrice est disposée sur la périphérie des pales. Pour les technologies POD, la génératrice est logée dans une nacelle étanche placée au niveau del’axe de l’hélice. Un point de dimensionnement nominal inspiré d’un projet d’hydrolienne préindustrielle est défini pour être utilisé, dans cette étude, pour le dimensionnement de ces génératrices. Les outils utilisés comprennent un modèle électromagnétique et un modèle thermique intégrés dans une procédure d’optimisation visant à minimiser le coût total des parties actives sous contraintes thermique et de rendement. Ces dimensionnements électromagnétiques des génératrices pour des configurations Rim-Driven et POD permettent de dégager des conclusions qualitatives sur le choix du type de génératrices et son mode d’accouplement avec l’hélice