Conception de machines à aimants permanents à haute densité de couple pour les éoliennes de forte puissance

Design of high torque density permanent magnet machine for high power wind turbine

• Auteur / Autrice : Stéphane Mouty
• Direction : Christophe Espanet, Frédéric Gustin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 30/05/2013
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Jury : Président / Présidente : Brayima Dakyo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Espanet, Frédéric Gustin, Juliette Soulard, Bernard Multon, Alain Berthon, Daniel Depernet, Lionel Durantay, Noureddine Takorabet, Abdollah Mirzaian Dehkordi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juliette Soulard, Bernard Multon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aimants permanents

Énergie éolienne en mer

Éoliennes

Machines électriques

Mots clés libres

Machine électrique

Aimants permanents

Eolien

Attaque directe

Densité de couple

Dimensionnements

Essais

Oscillations de couple

Electric machine

Permanent magnets

Wind

Direct drive

Torque density

Design

Tests

Torque oscillations

Résumé

Les directives européennes visant à produire 20% de l’énergie à base de sources renouvelables imposent aux gouvernements d’investir dans de nouveaux moyens de production. Un bilan du marché de l’énergie sera réalisé et permettra de montrer la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie. Après les moyens de conversion de l’énergie hydraulique, les éoliennes sont les systèmes, utilisant une source renouvelable, les plus rencontrées. Les objectifs fixés ont conduit à s’intéresser à l’installation d’éoliennes en mer. Les contraintes spécifiques rencontrées ont poussé les acteurs du marché à développer de nouveaux systèmes et donc des alternateurs adaptés : utilisation des aimants permanents et de l’attaque directe. La modélisation des machines à aimants permanents est décrite. Une topologie classique est d’abord présentée. D’autres solutions seront ensuite étudiées dans le but d’augmenter les densités de couple. L’une d’elles est la machine à bobinage à pas fractionnaire qui permet d’éviter les enchevêtrements des têtes de bobines. D’autre part, l’utilisation de systèmes polyphasés, permettant d’augmenter la disponibilité des systèmes en autorisant des fonctionnements en modes dégradés, est un moyen intéressant afin d’être en présence de systèmes plus fiables. La démarche, qui a permis d’effectuer le choix du dimensionnement de la génératrice pour répondre au mieux à l’appel d’offre d’un client, est présentée ainsi que les résultats des essais réalisés sur les prototypes. Au final, l’éolienne qui est équipée de cet alternateur a une puissance massique qui est au moins 15% plus importante que les solutions disponibles en 2013 sur le marché.

Given the European guidelines, which consist into producing 20% of the energy from renewable sources, the governments are obliged to invest in new types of production systems. An energy market survey will show the part of renewable energy in the energy consumption. After the hydroelectric systems, the wind turbines are the most common systems using renewable sources. The current objectives have led to consider the installation of offshore wind turbine. The specific limitations led the market players to develop new systems with adapted generators: direct drive permanent magnet generator. Model of the permanent magnet machines is described. First a conventional machine topology is presented, then other solutions will be studied with the objective of increasing the torque density. One of them is the concentrated winding machines where the end winding overlapping is avoided. On the other hand, use multiphase system becomes very interesting in order to increase system reliability and work in fault tolerant modes. The strategy that was adopted for the design of the generator to fit the best the specification is also discussed as well as the results of the tests. At the end, the wind turbine equipped with this alternator, has a power density at least 15% higher than the 2013’s available solutions.