Conception optimale d’une génératrice synchrone à flux axial et aimants permanents pour une éolienne de 5MW en attaque directe

Design and optimization of an axial flux permanent magnet synchronous generator for high torque for a 5MW direct-drive wind turbine

• Auteur / Autrice : Darius Vizireanu
• Direction : Pascal Brochet, Stéphane Brisset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecole Centrale de Lille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à aimants permanents

Générateurs électriques

Conception technique

Éoliennes

Énergie éolienne

Mots clés libres

Flux axial

Attaque directe

Bobinage concentré

Système polyphasé

Résumé

Encouragé par le facteur économique (les productions décentralisées) et le facteur politique (protocole de Kyoto, conférence de Buenos Aires, le programme EOLE 2010 qui assigne l’objectif de 22% d’énergie renouvelable en 2010 dans l’Union Européenne), le marché éolien est en pleine expansion. Jeumont Industries, partenaire industriel dans cette étude, a développé dans les années 1990 un système éolien basé en attaque directe qui emploie une génératrice synchrone à aimants permanents réalisée en utilisant une structure originale à flux axial. Prenant en compte les évolutions technologiques des différents domaines (matériaux, aimants, électronique de puissance), le but de l’étude est d’investiguer les possibilités d’augmenter la puissance d’un tel système en attaque directe, en utilisant la technologie Jeumont. L’étude est fondée sur la construction d’un modèle multi-physiques, multi-niveaux et multi-échelles, qui combine judicieusement des modèles éléments finis, des modèles dynamiques et des modèles de conception. L’exploitation des modèles a permis de trouver la topologie du système qui répond au mieux aux critères de qualité imposés : une structure polyphasée avec un nombre de phases impair et uniformément réparties. Les structures polyphasées permettent de simplifier la construction de la machine en utilisant un bobinage concentré. Les différentes configurations possibles sont déterminées, analysées et classées. Les meilleures sont optimisées et l’ensemble des compromis entre la composante économique du système et ses performances est tracé, permettant au concepteur de faire un choix final.

Encouraged by the economical (decentralization of energy production) and political context (Kyoto Protocol, Buenos Aires Conference, EOLE 2010 Program), the wind energy market meets a continuous growth. Jeumont Industries, an industrial partner of this research study, has developed during the previous decade a direct drive wind generator using an original axial flux permanent magnet synchronous generator. During last decades, important technological advance was noticed in different research areas, as permanent magnets and power semiconductors. Taking into consideration these evolutions, the goal of this study is to investigate the possibility to increase the power of a direct drive wind generator using Jeumont technology. The study is based on the development of multi-physical, multi-level and multi-scale model, which properly combines finite element analysis, dynamical simulation and analytical models. The use of the numerical tools allowed finding the system configuration which better corresponds to the imposed quality criteria: an odd phase number polyphased structure having uniform distribution, which allows easier winding technique, as concentrated one. Different possible configurations of chosen structure are analytically determined, numerically analyzed and ranked. The best ones are optimized and the designer’s final option depends on the compromise to be done between the economical aspects and performances of the system