Investigations on the performances of the electrical generator of a rim-driven marine current turbine”

In this paper, the electrical generator of a rim-driven horizontal-axis current turbine is modeled in detail. Its main characteristics and performances are evaluated (efficiency, mass, cost, etc). This generator is of permanent magnet direct-driven synchronous type and is connected to a variable speed power electronics drive. It is then compared to a more traditional technology (a pod generator) in terms of mass and cost for a common set of specification. In addition, due to the specific geometry of the machine, the use of low-cost ferrite magnets is investigated in place of NdFeB magnets

A coupled electromagnetic / hydrodynamic model for the design of an integrated rim - driven naval propulsion system

This paper presents an analytical multi-physic modeling tool for the design optimization of a new kind of naval propulsion system. This innovative technology consists in an electrical permanent magnet motor that is integrated into a duct and surrounds a propeller. Compared with more conventional systems such as pods, the electrical machine and the propeller have the same diameter. Thus, their geometries, in addition to speed and torque, are closely related and a multidisciplinary design approach is relevant. Two disciplines are considered in this analytical model: electromagnetism and hydrodynamics. An example of systematic design for a typical application (a rim-driven thruster for a patrol boat) is then presented for a set of different design objectives (efficiency, mass, etc). The effects of each model are commente

A Simulation Model for the Evaluation of the Electrical Power Potential Harnessed by a Marine Current Turbine in the Raz de Sein

This work is supported by Brest Métropole Océane (BMO) and the European Social Fund (ESF). It is done within the framework of the Marine Renewable Energy Commission of the Brittany Maritime Cluster (Pôle Mer Bretagne).International audienceThis paper deals with the development of a Matlab-Simulink model of a marine current turbine system through the modeling of the resource and the rotor. The purposes of the simulation model are two: performances and dynamic loads evaluation in different operating conditions and control system development for turbine operation based on pitch and speed control. In this case, it is necessary to find a compromise between the simulation model accuracy and the control loop computational speed. The Blade Element Momentum (BEM) approach is then used for the turbine modeling. As the developed simulation model is intended to be used as a sizing and site evaluation tool for current turbine installations, it has been applied to evaluate the extractable power from the Raz de Sein (Brittany, France). Indeed, tidal current data from the Raz de Sein are used to run the simulation model over various flow regimes and yield the power capture with time

Machines électriques intégrées à des hélices marines : contribution à une modélisation et conception multi-physique

The present works aim at studying, within the frame of a multi-physical modeling, an innovative system where the blades of a propeller or a marine turbine are rim driven by a synchronous permanent magnet and radial flux electrical machine. Both applications are considered : a propeller for naval propulsion and a turbine for the extraction of currents kinetic energy. After an extensive bibliographic analysis, it is considered necessary to investigate more in details the specificities and potential application areas of theses structures. A robust, fast and fairly precise analytical tool for the systematic pre dimensioning of these systems is thus put in place. The model is of mutiphysic order such that most of the phenomenons that potentially have an impact on the performances of the system are considered. The models are of different natures : electromagnetic, thermal and hydrodynamical. Some of them are specifically built in order to take into account some of the studied structure specificities : a short axial length or a large immersed gap. The conditions of validity of these models are discussed. Several sets of specification are then considererd : the performances and working conditions are calculated and analysed. In parallel, the rim driven system is compared to a more traditionnal POD structure. The principle of a multiphysic approach is also analysed in order to understand the real interest of such an approach compared to a more traditional sequential one. Some of the results show that this tool may be of real relevance. Finally, the design and manufacture of a small prototype are described. They will be followed by a program of tests that is scheduled for 2011.L'objet des présents travaux est d'étudier, à la lumière d'une modélisation multiphysique, une association hélice / machine électrique innovante où la machine synchrone à aimants permanents et à flux radial est déportée en périphérie d'hélice. Cette technologie dite " Rim Driven " est envisagée pour la propulsion comme pour la récupération de l'énergie cinétique des courants. Dans la continuité d'une étude bibliographique exhaustive, il nous apparait essentiel de chercher à cerner plus finement les spécificités et les domaines d'application potentiels de telles structures. Un outil analytique de pré dimensionnement systématique robuste, rapide et de bonne précision est ainsi développé. Une approche multiphysique est privilégiée afin d'englober l'ensemble des phénomènes susceptibles d'influencer les performances globales du système. Elle fait intervenir des modèles d'ordre électromagnétique, thermique et hydrodynamique. Certains sont spécifiquement développés pour la structure Rim Driven qui présente quelques particularités intéressantes telles qu'une longueur axiale courte ou un entrefer épais et immergé. Les hypothèses conditionnant leur validité sont par ailleurs discutées. Plusieurs cahiers des charges sont ensuite étudiés : les performances et conditions de fonctionnement pour ces différentes applications sont mises en évidence et analysées. La structure Rim Driven est par ailleurs comparée à une structure de référence en nacelle de type POD. Finalement, c'est l'idée même d'un modèle multi-physique couplé qui est analysée et pour laquelle nous cherchons à appréhender la pertinence par rapport à une approche séquentielle plus classique. Les résultats obtenus révèlent que, dans un certain nombre de cas, une telle approche peut être pertinente. En dernier lieu, la conception et la fabrication d'une petite maquette développée en parallèle de la présente étude est décrite dans la perspective d'essais en bassin au cours de l'année 2011

Investigations on the performances of the electrical generator of a rim-driven marine current turbine”

In this paper, the electrical generator of a rim-driven horizontal-axis current turbine is modeled in detail. Its main characteristics and performances are evaluated (efficiency, mass, cost, etc). This generator is of permanent magnet direct-driven synchronous type and is connected to a variable speed power electronics drive. It is then compared to a more traditional technology (a pod generator) in terms of mass and cost for a common set of specification. In addition, due to the specific geometry of the machine, the use of low-cost ferrite magnets is investigated in place of NdFeB magnets.In this paper, the electrical generator of a rim-driven horizontal-axis current turbine is modeled in detail. Its main characteristics and performances are evaluated (efficiency, mass, cost, etc). This generator is of permanent magnet direct-driven synchronous type and is connected to a variable speed power electronics drive. It is then compared to a more traditional technology (a pod generator) in terms of mass and cost for a common set of specification. In addition, due to the specific geometry of the machine, the use of low-cost ferrite magnets is investigated in place of NdFeB magnets

Machines électriques intégrées à des hélices marines (contribution à une modélisation et conception multi-physique)

L'objet des présents travaux est d'étudier, à la lumière d'une modélisation multiphysique, une association hélice / machine électrique innovante où la machine synchrone à aimants permanents et à flux radial est déportée en périphérie d'hélice. Cette technologie dite Rim Driven est envisagée pour la propulsion comme pour la récupération de l'énergie cinétique des courants. Dans la continuité d'une étude bibliographique exhaustive, il nous apparait essentiel de chercher à cerner plus finement les spécificités et les domaines d'application potentiels de telles structures. Un outil analytique de pré dimensionnement systématique robuste, rapide et de bonne précision est ainsi développé. Une approche multiphysique est privilégiée afin d'englober l'ensemble des phénomènes susceptibles d'influencer les performances globales du système. Elle fait intervenir des modèles d'ordre électromagnétique, thermique et hydrodynamique. Certains sont spécifiquement développés pour la structure Rim Driven qui présente quelques particularités intéressantes telles qu'une longueur axiale courte ou un entrefer épais et immergé. Les hypothèses conditionnant leur validité sont par ailleurs discutées. Plusieurs cahiers des charges sont ensuite étudiés : les performances et conditions de fonctionnement pour ces différentes applications sont mises en évidence et analysées. La structure Rim Driven est par ailleurs comparée à une structure de référence en nacelle de type POD. Finalement, c'est l'idée même d'un modèle multi-physique couplé qui est analysée et pour laquelle nous cherchons à appréhender la pertinence par rapport à une approche séquentielle plus classique. Les résultats obtenus révèlent que, dans un certain nombre de cas, une telle approche peut être pertinente. En dernier lieu, la conception et la fabrication d'une petite maquette développée en parallèle de la présente étude est décrite dans la perspective d'essais en bassin au cours de l'année 2011.The present works aim at studying, within the frame of a multi-physical modeling, an innovative system where the blades of a propeller or a marine turbine are rim driven by a synchronous permanent magnet and radial flux electrical machine. Both applications are considered : a propeller for naval propulsion and a turbine for the extraction of currents kinetic energy. After an extensive bibliographic analysis, it is considered necessary to investigate more in details the specificities and potential application areas of theses structures. A robust, fast and fairly precise analytical tool for the systematic pre dimensioning of these systems is thus put in place. The model is of mutiphysic order such that most of the phenomenons that potentially have an impact on the performances of the system are considered. The models are of different natures : electromagnetic, thermal and hydrodynamical. Some of them are specifically built in order to take into account some of the studied structure specificities : a short axial length or a large immersed gap. The conditions of validity of these models are discussed. Several sets of specification are then considererd : the performances and working conditions are calculated and analysed. In parallel, the rim driven system is compared to a more traditionnal POD structure. The principle of a multiphysic approach is also analysed in order to understand the real interest of such an approach compared to a more traditional sequential one. Some of the results show that this tool may be of real relevance. Finally, the design and manufacture of a small prototype are described. They will be followed by a program of tests that is scheduled for 2011.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

A Global Approach for the Design of a Rim- Driven Marine Turbine Generator for Sail Boat

Development of new ways to provide clean onboard electric energy is a key feature for the sailing boat industry and sail race teams. This is why marine turbines (MT), are considered to provide onboard energy. These turbines can be used to harness kinetic energy of the water flow related to the ship motion. In this paper we propose to study an unconventional design of such a turbine where the electrical generator is located in the periphery of the blades and where the magnetic gap is water filled. This kind of solution called "RIM DRIVEN" structure allows to increase the compactness and the robustness of the system. Due to the strong interaction of the multi physical phenomena, an electromagnetic model and a thermal model of the PM generator are associated with a hydrodynamic model of the blades and of the water flow in the underwater air gap. These models are used in a global coupled design approach in order to optimize, under constraints, the global efficiency of the system. This solution allows to optimize the system design

A coupled electromagnetic / hydrodynamic model for the design of an integrated rim - driven naval propulsion system

This paper presents an analytical multi-physic modeling tool for the design optimization of a new kind of naval propulsion system. This innovative technology consists in an electrical permanent magnet motor that is integrated into a duct and surrounds a propeller. Compared with more conventional systems such as pods, the electrical machine and the propeller have the same diameter. Thus, their geometries, in addition to speed and torque, are closely related and a multidisciplinary design approach is relevant. Two disciplines are considered in this analytical model: electromagnetism and hydrodynamics. An example of systematic design for a typicalapplication (a rim-driven thruster for a patrol boat) is thenpresented for a set of different design objectives (efficiency,mass, etc). The effects of each model are commente

Modélisation couplée multi-physique d’une hydrolienne RIM-DRIVEN

Le travail présenté concerne le développement d’une méthodologie de conception de systèmes hydroliens innovants de type RIM-DRIVEN pour la récupération de l’énergie des courants de marée. L’originalité d’un système RIM-DRIVEN réside dans la structure même de l’hydrolienne, inspirée directement des nouveaux systèmes de propulsion navale, où le rotor et le stator sont placés en périphérie de l’hélice et protégés par une tuyère, l’entrefer étant immergé. Au sein d’une structure de type RIM-DRIVEN les phénomènes électromécaniques, thermiques et hydrodynamique sont intimement couplés. Du fait du très fort couplage des phénomènes physiques au sein du système,cette méthodologie associe au sein d’un même environnement d’optimisation des modèles électromagnétiques et thermiques spécifiques de la génératrice avec des modèles hydrodynamique des performances de l’hélice et de l’écoulement dans l’entrefer. L’approche proposée est illustrée par une étude de cas qui concerne une machine de 10m de diamètre destinée à être implantée dans le Raz de Sein. Les modèles ont été validés par des résultats issus d’une campagne expérimentale sur un démonstrateur dédié.Le travail présenté concerne le développement d’une méthodologie de conception de systèmes hydroliens innovants de type RIM-DRIVEN pour la récupération de l’énergie des courants de marée. L’originalité d’un système RIM-DRIVEN réside dans la structure même de l’hydrolienne, inspirée directement des nouveaux systèmes de propulsion navale, où le rotor et le stator sont placés en périphérie de l’hélice et protégés par une tuyère, l’entrefer étant immergé. Au sein d’une structure de type RIM-DRIVEN les phénomènes électromécaniques, thermiques et hydrodynamique sont intimement couplés. Du fait du très fort couplage des phénomènes physiques au sein du système,cette méthodologie associe au sein d’un même environnement d’optimisation des modèles électromagnétiques et thermiques spécifiques de la génératrice avec des modèles hydrodynamique des performances de l’hélice et de l’écoulement dans l’entrefer. L’approche proposée est illustrée par une étude de cas qui concerne une machine de 10m de diamètre destinée à être implantée dans le Raz de Sein. Les modèles ont été validés par des résultats issus d’une campagne expérimentale sur un démonstrateur dédié

Modélisation couplée multiphysique d'une hydrolienne RIM-DRIVEN

Le travail présenté concerne le développement d’une méthodologie de conception de systèmes hydroliens innovants de type RIM‑DRIVEN pour la récupération de l’énergie des courants de marée. L’originalité d’un système RIM‑DRIVEN réside dans la structure même de l’hydrolienne, inspirée directement des nouveaux systèmes de propulsion navale, où le rotor et le stator sont placés en périphérie de l’hélice et protégés par une tuyère, l’entrefer étant immergé. Au sein d’une structure de type RIM‑DRIVEN les phénomènes électromécaniques, thermiques et hydrodynamique sont intimement couplés. Du fait du très fort couplage des phénomènes physiques au sein du système, cette méthodologie associe au sein d’un même environnement d’optimisation des modèles électromagnétiques et thermiques spécifiques de la génératrice avec des modèles hydrodynamique des performances de l’hélice et de l’écoulement dans l’entrefer. L’approche proposée est illustrée par une étude de cas qui concerne une machine de 10m de diamètre destinée à être implantée dans le Raz de Sein. Les modèles ont été validés par des résultats issus d’une campagne expérimentale sur un démonstrateur dédié.Le travail présenté concerne le développement d’une méthodologie de conception de systèmes hydroliens innovants de type RIM‑DRIVEN pour la récupération de l’énergie des courants de marée. L’originalité d’un système RIM‑DRIVEN réside dans la structure même de l’hydrolienne, inspirée directement des nouveaux systèmes de propulsion navale, où le rotor et le stator sont placés en périphérie de l’hélice et protégés par une tuyère, l’entrefer étant immergé. Au sein d’une structure de type RIM‑DRIVEN les phénomènes électromécaniques, thermiques et hydrodynamique sont intimement couplés. Du fait du très fort couplage des phénomènes physiques au sein du système, cette méthodologie associe au sein d’un même environnement d’optimisation des modèles électromagnétiques et thermiques spécifiques de la génératrice avec des modèles hydrodynamique des performances de l’hélice et de l’écoulement dans l’entrefer. L’approche proposée est illustrée par une étude de cas qui concerne une machine de 10m de diamètre destinée à être implantée dans le Raz de Sein. Les modèles ont été validés par des résultats issus d’une campagne expérimentale sur un démonstrateur dédié