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

Electrical machines fitted to a marine propeller or turbine Contribution to a modeling and multiphysic design

• Auteur / Autrice : Laurent Drouen
• Direction : Stéphane Clénet, Jean-Frédéric Charpentier, Éric Semail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydroliennes

Hélices marines

Électrotechnique -- Mathématiques

Résumé

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.