Design and Optimization of Magnetic Gears with Arrangement and Mechanical Constraints for Wind Turbine Applications

International audienceThis article focuses on the design and optimization of magnetic and mechanical (structural) parts of magnetic gears for wind turbine applications. In particular, this design takes into account the structural aspects of magnetic gears as well as the system's mechanical constraints (deformation and stress). Geometric parameters have been optimized in order to minimize the material costs for a 3.9 MW, 15 rpm wind turbine. This optimization strategy includes both magnetostatic and mechanical stationary finite element analyses. Optimization results underscore the necessity to take mechanical constraints into account, especially for the fixed ferromagnetic pole pieces

Modélisation des pertes dans les aimants d'un multiplicateur magnétique pour l'éolien

International audienceModélisation des pertes dans les aimants d'un multiplicateur magnétique pour l'éolie

Non communiqué

Afin d’optimiser le coût des éoliennes, on choisit souvent d’insérer entre la turbine et la génératrice un multiplicateur de vitesse mécanique à engrenages. Son intérêt est de réduire le coût de la génératrice électrique via la réduction de son couple mécanique. Malheureusement, les multiplicateurs mécaniques sont sujet à des défaillances qui augmentent le coût de fonctionnement de l’éolienne. Ainsi les coûts de maintenance peuvent devenir si importants que certains industriels cherchent à se passer de ce composant, tout particulièrement dans les applications offshore.Parmi les solutions alternatives aux chaînes de conversion à multiplicateur mécanique, une voie innovante consiste à remplacer le multiplicateur à engrenages par une technologie magnétique. Pour évaluer de façon pertinente une telle solution, il est indispensable d'adopter une approche transversale mécatronique considérant à la fois les aspects magnétiques et mécaniques. Une telle approche est originale et pour la mener à bien, il a été nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’évaluer les performances. Ainsi, les travaux de cette thèse ont porté sur l'élaboration de modèles électromagnétiques, mécaniques et thermiques de deux architectures de multiplicateurs magnétiques. Pour mener à bien une optimisation globale, ces modèles doivent être très performants en termes de compromis temps de calcul / précision. Nous avons enfin réalisé une optimisation globale des parties magnétiques et mécaniques d'un multiplicateur magnétique pour éolienne multi-mégawatt et montré qu'une approche mécatronique permettait d'obtenir de meilleurs résultats qu'une méthode traditionnelle consistant à découpler les dimensionnements magnétiques et mécaniques.Non communiqué

Optimisation mécatronique d'un multiplicateur magnétique pour le grand éolien

International audienceAfin d'optimiser le coût des éoliennes, on choisit souvent d'insérer entre la turbine et la génératrice un multiplicateur de vitesse mécanique à engrenages. Son intérêt est de réduire le coût de la génératrice électrique via la réduction de son couple mécanique. Malheureusement, les multiplicateurs mécaniques sont sujet à des défaillances qui augmentent le coût de fonctionnement de l'éolienne. Ainsi les coûts de maintenance peuvent devenir si importants que certains industriels cherchent à se passer de ce composant, tout particulièrement dans les applications offshores. Parmi les solutions alternatives aux chaînes de conversion à multiplicateur mécanique, une voie innovante consiste à remplacer le multiplicateur à engrenages par une technologie magnétique. Pour évaluer de façon pertinente une telle solution, il est indispensable d'adopter une approche transversale mécatronique considérant à la fois les aspects magnétiques et mécaniques. Une telle approche est originale et pour la mener à bien, il a été nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d'évaluer les performances. Ainsi, les travaux de cet article s'appuient sur l'élaboration de modèles électromagnétiques, mécaniques et thermiques d'une architecture de multiplicateur magnétique. Pour mener à bien une optimisation globale, ces modèles doivent être très performants en termes de compromis temps de calcul / précision. Nous présentons dans cet article une optimisation globale des parties magnétiques et mécaniques d'un multiplicateur magnétique pour une éolienne multi-mégawatt et nous montrons qu'une approche mécatronique permet d'obtenir de meilleurs résultats qu'une méthode traditionnelle consistant à découpler les dimensionnements magnétiques et mécaniques

Optimisation mécatronique de multiplicateurs magnétiques pour le grand éolien

Non communiqué.Afin d’optimiser le coût des éoliennes, on choisit souvent d’insérer entre la turbine et la génératrice un multiplicateur de vitesse mécanique à engrenages. Son intérêt est de réduire le coût de la génératrice électrique via la réduction de son couple mécanique. Malheureusement, les multiplicateurs mécaniques sont sujet à des défaillances qui augmentent le coût de fonctionnement de l’éolienne. Ainsi les coûts de maintenance peuvent devenir si importants que certains industriels cherchent à se passer de ce composant, tout particulièrement dans les applications offshore.Parmi les solutions alternatives aux chaînes de conversion à multiplicateur mécanique, une voie innovante consiste à remplacer le multiplicateur à engrenages par une technologie magnétique. Pour évaluer de façon pertinente une telle solution, il est indispensable d'adopter une approche transversale mécatronique considérant à la fois les aspects magnétiques et mécaniques. Une telle approche est originale et pour la mener à bien, il a été nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’évaluer les performances. Ainsi, les travaux de cette thèse ont porté sur l'élaboration de modèles électromagnétiques, mécaniques et thermiques de deux architectures de multiplicateurs magnétiques. Pour mener à bien une optimisation globale, ces modèles doivent être très performants en termes de compromis temps de calcul / précision. Nous avons enfin réalisé une optimisation globale des parties magnétiques et mécaniques d'un multiplicateur magnétique pour éolienne multi-mégawatt et montré qu'une approche mécatronique permettait d'obtenir de meilleurs résultats qu'une méthode traditionnelle consistant à découpler les dimensionnements magnétiques et mécaniques

Optimisation mécatronique de multiplicateurs magnétiques pour le grand éolien

Non communiqué.Afin d’optimiser le coût des éoliennes, on choisit souvent d’insérer entre la turbine et la génératrice un multiplicateur de vitesse mécanique à engrenages. Son intérêt est de réduire le coût de la génératrice électrique via la réduction de son couple mécanique. Malheureusement, les multiplicateurs mécaniques sont sujet à des défaillances qui augmentent le coût de fonctionnement de l’éolienne. Ainsi les coûts de maintenance peuvent devenir si importants que certains industriels cherchent à se passer de ce composant, tout particulièrement dans les applications offshore.Parmi les solutions alternatives aux chaînes de conversion à multiplicateur mécanique, une voie innovante consiste à remplacer le multiplicateur à engrenages par une technologie magnétique. Pour évaluer de façon pertinente une telle solution, il est indispensable d'adopter une approche transversale mécatronique considérant à la fois les aspects magnétiques et mécaniques. Une telle approche est originale et pour la mener à bien, il a été nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’évaluer les performances. Ainsi, les travaux de cette thèse ont porté sur l'élaboration de modèles électromagnétiques, mécaniques et thermiques de deux architectures de multiplicateurs magnétiques. Pour mener à bien une optimisation globale, ces modèles doivent être très performants en termes de compromis temps de calcul / précision. Nous avons enfin réalisé une optimisation globale des parties magnétiques et mécaniques d'un multiplicateur magnétique pour éolienne multi-mégawatt et montré qu'une approche mécatronique permettait d'obtenir de meilleurs résultats qu'une méthode traditionnelle consistant à découpler les dimensionnements magnétiques et mécaniques

Comparaison du comportement des engrenages mécaniques et magnétiques

Proceedings of the MUSME Conference held in Florianópolis, Brazil, October 24-28, 2017International audienceThis article deals with the magnetic gears with modulating ring and mechanical epicyclic gears and their operation. A power transmission analysis is done and permits to obtain an analogy of the kinematics between the two gear systems. Moreover, a transposition of the mechanical epicyclic gear arrangements to a magnetic gear arrangements can be made. Finally, a load repartition evolution description is proposed to complete the comparison between magnetic gears with modulating ring and mechanical epicyclic gears

Supporting the laminated ferromagnetic pole pieces in a magnetic gear: a structure behaviour analysis from a multibody model

Proceedings of the MUSME Conference held in Florianópolis, Brazil, October 24-28, 2017International audienceThis paper deals with the structure behaviour of a multi-bar system which maintains pole pieces in a magnetic gear. A simplified model of the system is proposed in order to be integrated in a multi-criteria global optimization for the sizing of a magnetic gear in wind power applications. For this purpose, the reduction of the computation time is taken into account. A geometry of the supporting bar is the defined and a Q bars structure is proposed. The study is based on a 1D model for each bar; variable radial and tangential magneto-mechanical pole pieces loads (generated by permanent magnets rings) are also considered. The resolution of the 6Q*6Q system permits to determine quickly the evolution of displacements for each bar. An example of a magnetic gear with 151 pole pieces (i.e. 3,9 MW wind turbine) is proposed

Dimensionnement Magneto-Mécanique des Plots Feuilletés d'un Multiplicateur Magnétique pour l'Éolien de Forte Puissance

International audienceThis article deals with the magneto-mechanical sizing of laminated ferromagnetic pole pieces of a magnetic gear. This ring is subjected to a magnetic field, which generates radial and tangential loads on the pole pieces. To ensure the mechanical strength, we propose a support bar geometry which does not lessen magnetic properties and which correctly maintains the laminated pole pieces. From a multibody model where the stiffnesses are determined from a 1-D model for the support bars, it is possible to determine a first approximation of the stress and the displacement of the different support bars due to a static magneto-mechanical load. An example of magnetic gear with 151 laminated pole pieces (3,9 MW wind turbine) is proposed.Cet article traite du dimensionnement de la couronne de plots magnétiques feuilletés d'un multiplicateur magnétique. Cette couronne subit un champ magnétique qui génère des chargements radiaux et orthoradiaux sur chacun des plots. Pour assurer la résistance mécanique de ces éléments, nous proposons de concevoir une cage constituée de flasques et de barres supports amagnétiques qui maintiennent mécaniquement les plots feuilletés et qui préservent les propriétés magnétiques du multiplicateur. A partir d'un modèle multi-corps dont les rigidités sont déterminées via un modèle de type poutre pour les barres supports, il est possible d'obtenir une première approximation des déplacements et des contraintes subis par ces barres dans le cas d'un chargement magnétique statique. Un exemple d'un multiplicateur magnétique composé de 151 plots magnétiques feuilletés dimensionné pour une éolienne de 3.9 MW est proposé

Dimensionnement magnéto-mécanique des plots magnétiques feuilletés d'un multiplicateur magnétique pour l'éolien de forte puissance

Les multiplicateurs mécaniques à engrenages sont couramment utilisés dans les chaînes indirectes de conversion d'énergie électromécanique. Ils permettent d'obtenir un plus faible coût d'investissement et une plus faible masse que les chaînes directes. En contrepartie, ils augmentent les risques de défaillance et les coûts de fonctionnement associés. Le contexte de cette étude est celui des chaînes à génératrice semi-rapide et à multiplicateur magnétique, c'est à dire sans contact mécanique. La structure du multiplicateur magnétique étudiée est composée d'un rotor rapide à aimants, d'un rotor lent à aimants et d'une couronne de plots magnétiques intercalée entre les deux rotors. Cette dernière module les ondes de force magnétomotrice créées par les rotors dans les entrefers et produit un couple magnéto-mécanique moyen non nul ce qui génère une transmission de puissance. Cette architecture compétitive offre des performances potentiellement élevées pour des applications à fort couple comme l'éolien de forte puissance. Cette compétitivité est cependant à évaluer dans ce contexte éolien où le système est soumis à de fortes perturbations du couple aérodynamique pouvant générer des problèmes magnéto-mécaniques comme le désaccouplement magnétique des deux rotors ou la vibration des différentes pièces. Cette étude traite du dimensionnement de la couronne de plots magnétiques feuilletés. Cette couronne subit un champ magnétique qui génère des chargements radiaux et orthoradiaux sur chacun des plots. Pour assurer la résistance mécanique de ces éléments, nous proposons de définir et d'optimiser des barres supports qui maintiennent mécaniquement les plots feuilletés et qui préservent les propriétés magnétiques du multiplicateur (pas de modification du champ magnétique ni des entrefers). A partir d'un modèle multi-corps dont les rigidités sont déterminées avec un modèle de type poutre pour les barres supports, il est possible de déterminer une première approximation des déformations et des contraintes subies par ces barres dans le cas d'un chargement magnéto-mécanique statique. Une optimisation est proposée pour un multiplicateur de 6MW dans le contexte de l'éolien. L'objectif de cette optimisation est de minimiser le coût des matériaux magnétiques du multiplicateur et de maximiser la raideur des barres supports. L'optimisation comprend sept paramètres : les épaisseurs des aimants , des culasses , des pots ferromagnétiques et les nombres de paires de pôles des rotos à aimants . Dans un premier temps, les chargements radiaux et tangentiels sont déterminés. La procédure d'optimisation est basée sur un algorithme OEP (optimisation par essaims particulaires) ; les contraintes d'optimisation prennent en compte les contraintes mécaniques et magnétiques et seront présentées dans le papier final. Nous montrons alors qu'il est possible de maintenir les plots magnétiques à l'aide des barres supports avec des déplacements inférieurs à 5% des entrefers