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Ce travail traite de la conception systémique de génératrices électriques à aimants permanents associées à des hélices marines. La conception systémique consiste à concevoir un composant de la chaîne de conversion tout en tenant compte des caractéristiques des autres composants du système. Cet article décrit une méthodologie de conception optimale spécifique pour les machines électriques à entraînement direct associées à une turbine marine à pas fixe. L’originalité de cette démarche met en évidence les critères et les contraintes de conception de la génératrice afin d’assurer son pilotage (écrêtage de la puissance à vitesse de courant élevée) sans recours au système d’orientation des pales. Le système d’orientation des pales et le multiplicateur mécanique de vitesse sont des composants coûteux, encombrants, source de défaillances et très exigeants en termes de maintenance. Ces inconvénients peuvent rendre ces éléments indésirables dans une chaîne d’entraînement pour hydrolienne, car la réduction de la maintenance est un facteur prédominant. Les résultats montrent que la génératrice dimensionnée selon la méthodologie proposée est capable d’être commandée sur tout un cycle de fonctionnement. Ceci permet alors l’écrêtage de la puissance uniquement par le contrôle électrique de la génératrice. Ces travaux sont financés par la Marine Nationale et bénéficient d’un soutien de la société ECA-EN.

National audience; L'article présente la comparaison de plusieurs types de génératrices directement entraînées par une turbine hydrolienne de grande puissance. Deux types de structures magnétiques (à flux radial et à flux axial) sont étudiés. Nous considérerons que ces deux structures peuvent être associées à la turbine selon deux types de technologies d'intégration (POD et RIM-Driven). Dans un concept dit " RIM-DRIVEN " la génératrice est disposée sur la périphérie de l'hélice. Pour les technologies POD, la génératrice est logée dans une nacelle étanche centrée sur l'intérieur des pales de la turbine. Pour les besoins de cette étude, deux cahiers des charges relatifs à deux sites choisis pour l'implantation d'hydroliennes préindustrielles sont utilisés. Ainsi, le site de la Baie de Fundy, en Nouvelle Ecosse, Canada caractérisé par de forts courants et un le site de Paimpol-Bréhat, France qui se différentie par des courants moins forts sont utilisés pour le dimensionnement de ces génératrices. Les outils utilisés comprennent un modèle électromagnétique et un modèle thermique intégrés dans une procédure d'optimisation visant à minimiser le coût total des parties actives. La méthode et les spécifications nécessaires pour effectuer ces dimensionnements sont données dans cet article. Des comparaisons technico-économiques des coûts et des masses des parties actives, en lien avec ces technologies, sont ainsi menées.

L’article présente la comparaison des dimensionnements de génératrices à entraînement direct pour des cahiers des charges d’hydroliennes. Deux types de structures magnétiques (à flux radial et à flux axial) sont étudiés. Nous considérons que ces deux structures peuvent être associées à une turbine à axe horizontal selon deux types de technologies d’intégration : POD et Rim-Driven. Dans un concept dit « Rim-Driven » la génératrice est disposée sur la périphérie des pales. Pour les technologies POD, la génératrice est logée dans une nacelle étanche placée au niveau de l’axe de l’hélice. Un point de dimensionnement nominal inspiré d’un projet d’hydrolienne préindustrielle est défini pour être utilisé, dans cette étude, pour le dimensionnement de ces génératrices. Les outils utilisés comprennent un modèle électromagnétique et un modèle thermique intégrés dans une procédure d’optimisation visant à minimiser le coût total des parties actives sous contraintes thermique et de rendement. Ces dimensionnements électromagnétiques des génératrices pour des configurations Rim-Driven et POD permettent de dégager des conclusions qualitatives sur le choix du type de génératrices et son mode d’accouplement avec l’hélice. The aim of the paper is to compare the design of direct-drive permanent-magnet (PM) generators associated with horizontal axis tidal turbines. The turbine/generator couplings are here examined. These turbine/generator couplings consist of a POD and Rim-driven assembly. In a Rim-Driven association the electrical generator active parts are inserted in a duct surrounding the blades. For POD generator insertion, the electrical machine is placed in a nacelle located on the turbine axis. To achieve the generators sizing, a design rated point related to an industrial MCT is defined. The used design models include an electromagnetic model which is linked to a thermal model in an optimization procedure that goals to minimize the active parts cost. Firstly, a simple side (PM) axial flux generator and a radial flux (PM) generator are designed for a rim-driven MCT specification. For these generators sizing, a comparison of the machines active parts and the machines geometrical dimensions are carried out. Secondly, radial flux (PM) generators are designed for Rim-Driven and POD coupling with the tidal turbine and a comparison is performed for this study case. Finally, the influence of the POD diameter on the generator electromagnetic design is studied. It shows that the active parts costs are minimized, when the generator diameter is around 1/3 of the turbine diameter for the considered specifications. These performed comparisons between the considered study cases aims to help designers in their technologies choices

Cette étude propose une méthode de modélisation et de conception adaptée aux machines à flux axial et à Double Stator (poly-entrefer) destinée à être intégrée comme génératrice pour une hydrolienne RIM-DRIVEN de grande puissance. La particularité du concept RIM-DRIVEN ou à entrainement circonférentiel réside dans le fait que la machine électrique se situe sur la périphérie de l’hélice. De plus, dans cette étude, l’entrefer de la machine est considéré immergé dans l’eau de mer. Les particularités du système imposent de mettre au point des modèles de dimensionnement adaptés. Ainsi, un modèle électromagnétique analytique 2D inversé permettant le calcul des dimensions géométriques principales est présenté. De même, un modèle thermique spécifique aux machines à entrefer immergé est décrit. Ces modèles permettent d’estimer la masse et le coût des parties actives. Cette machine à flux axial est comparée en termes de coûts matières, masses et comportement thermique avec une machine à flux radial à aimants permanents dimensionnée pour un même cahier des charges. Il en ressort clairement que la machine à flux axial double stator est thermiquement moins contrainte que les machines à simple stator.

International audience; Dans la présente étude une structure de machine à flux axial à double stator est présentée, un modèle électromagnétique de pré dimensionnement au premier ordre est décrit pour cette structure. Les dimensions principales de cette machine ainsi qu'un modèle thermique sont présentés pour un cahier des charges d'hydrolienne Rim-Driven. Ces structures originales d'hydroliennes, qui ont fait l'objet de précédentes études au laboratoire (IRENav), sont caractérisées par le fait que les parties actives de la machine se situent sur la périphérie de l'hélice. Les volumes des matériaux actifs et le comportement thermique de la machine axiale sont comparés avec une machine radiale à aimants permanents dimensionnée lors de travaux précédents. Cette première étude, montre un intérêt pour ce type de structures poly-entrefer, notamment en termes de compacité. En effet, l'étude démontre que ces machines sont caractérisées par un comportement thermique moins contraignant.