Cοntributiοn à l'étude des engrenages électrοmagnétiques pοur les applicatiοns énergies renοuvelables

Contribution to the study of electromagnetic gears for renewable energy applications

• Auteur / Autrice : Haidar Diab
• Direction : Yacine Amara, Georges Barakat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 07/11/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre (Le Havre, Seine-Maritime ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Espanet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elena Lomonova, Smaïl Mezani, Mazen Ghandour, Jean Le Besnerais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elena Lomonova, Smaïl Mezani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie des mers

Énergies renouvelables

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Engrenages magnétiques

Modélisation électromagnétique

Circuit magnétique équivalent

Énergies marines renouvelables

Machines linéaires tubulaires

Magnetic gears

Electromagnetic modeling

Magnetic equivalent circuit

Finite element method

Marine renewable energy

Tubular linear machines

Résumé

Les systèmes de conversion d'énergie pour les énergies renouvelables reposent sur des boîtes de vitesses mécaniques pour transmettre la puissance mécanique à la machine électrique à des vitesses plus élevées et pour éviter d'avoir de très gros générateurs. Le principal problème des engrenages mécaniques est leur faible fiabilité et la nécessité d'une lubrification et d'un entretien réguliers. Les engrenages magnétiques assurent la transmission de puissance entre deux ports grâce à l'interaction sans frottement des forces magnétiques. Certains avantages potentiels de l'utilisation d'engrenages magnétiques sont une maintenance réduite, une isolation possible entre les arbres d'entrée et de sortie et une protection inhérente contre les surcharges. Afin de couvrir l'ensemble des objectifs définis, le travail a été divisé en quatre chapitres. L'aperçu de la littérature du premier chapitre a montré que des engrenages magnétiques remarquablement performants ont été développés. Dans le deuxième chapitre, des modèles de circuits équivalents magnétiques efficaces en calcul 3D et quasi-3D qui pourraient prendre en compte la saturation magnétique et les effets de bord ont été présentés. Il a été constaté que ces méthodes pouvaient réaliser un gain de temps important par rapport à la méthode des éléments finis, mais avec une légère réduction de la précision. Le troisième chapitre comprenait un aperçu des systèmes d'énergie marine renouvelable et des applications des engrenages magnétiques dans ce domaine, puis une étude d'optimisation a été réalisée pour proposer une conception d'engrenage magnétique qui pourrait convenir aux applications des énergies marines renouvelables. Le quatrième chapitre a présenté une étude et une analyse sur le défaut d'excentricité qui pourrait se produire dans les machines linéaires tubulaires, où un modèle de méthode d'éléments finis 3D a d'abord été utilisé, puis pour réduire le temps de calcul un élément fini quasi-3D outil méthodologique a été développé.

Energy conversion systems for renewable energy rely on mechanical gearboxes to transmit mechanical power to the electrical machine at higher speeds and to avoid having very large generators. The main issue with mechanical gears is their low reliability and requirement for regular lubrication and maintenance. Magnetic gears perform power transmission between two ports through the frictionless interaction of magnetic forces. Some potential advantages of using magnetic gears are reduced maintenance, possible isolation between input and output shafts, and inherent overload protection. To cover all the objectives defined, the work was divided into four chapters. The literature overview of the first chapter has shown that remarkably high-performance magnetic gears were developed. In the second chapter, 3D and quasi-3D computationally efficient magnetic equivalent circuit models that could consider the magnetic saturation and the end-effects were presented. It was found that these methods could achieve an important time gain against the finite element method, albeit with a slight reduction in the accuracy. The third chapter included an overview of the marine renewable energy systems and the magnetic gear applications in this field, and then an optimization study was done to propose a magnetic gear design that could be suitable for marine renewable energy applications. The fourth chapter presented a study and analysis on the eccentricity defect that could occur in tubular linear machines and magnetic gears, where a 3D finite element method model was used in the analysis first, and then to reduce the computation time a quasi-3D finite element method tool was developed.