Εtude et cοnceptiοn de structures de génératrices électriques de 15 ΜW pοur l'éοlien οffshοre : dimensiοnnement et οptimisatiοn

Study and design of 15 ΜW electrical generator structures for offshore wind power : dimensiοnment and οptimisatiοn

• Auteur / Autrice : Amina Bensalah
• Direction : Georges Barakat, Yacine Amara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/11/2022
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Bernard, Sami Hlioui, Noureddine Takorabet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bernard, Sami Hlioui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maxwell, Équations de

Ferrites (matériaux magnétiques)

Énergie éolienne en mer

Mots clés libres

Eoliennes à attaque directe

Aimants terres rares

Ferrites

Direct-drive wind turbine

Rare earth permanent magnet,

Ferrites

Résumé

Pour répondre à la croissance rapide de la production d'électricité, Les travaux de recherche récents discutent l'idée d’agrandir les éoliennes. Une éolienne de grande puissance conduit à une puissance nominale nette élevée et à un faible coût moyen de l'énergie. En effet, avec des altitudes plus élevées, l'éolienne capte un vent plus fort et plus stable que les petites et moyennes éoliennes. De plus, des pales plus longues captent le vent plus efficacement puisque la puissance générée par l'éolienne est proportionnelle à la surface balayée. Ensuite, l'éolien offshore semble être une bonne solution pour augmenter l’exploitation d’énergie éolienne à moindre coût.Avec le développement des installations de production d'énergie électrique à partir de l'éolien les performances de la génératrice électrique revêtent dorénavant un caractère stratégique. Avec l'augmentation continue de la puissance unitaire (>10 MW) des turbines, la masse et la compacité de la génératrice représentent un enjeu majeur pour le maintien et la stabilité de ces turbines, la génératrice est un des éléments les plus lourds de la chaîne de conversion électromécanique installée dans la nacelle. Si les aimants à base de terres rares (NdFeB) permettent d'augmenter la compacité de la génératrice et donc de réduire sa masse, leur disponibilité sur le marché mondial n'est pas garantie compte tenu du monopole que détient la Chine sur les matières premières nécessaires à leur fabrication.Cette thèse s’inscrit dans la continuité des activités de notre équipe thématique portant sur l’optimisation de l'efficacité énergétique des systèmes de production de l’énergie électrique. Elle constitue une contribution à l’investigation des génératrices de 15 MW destinées à une application éolienne en mer. Elle s’attaque à la recherche des structures d’aérogénérateurs et des méthodes de modélisations légères pour le pré-dimensionnement des machines électriques, en vue de la conception de génératrices répondant aux contraintes de l'éolien de forte puissance en termes de masse, de rendement, de compacité et de modularité. Le but est de rechercher les solutions optimales dans un domaine de recherche vaste contenant entre un grand nombre de variables d’optimisation, tout en respectant un cahier de charge bien précis. Afin d’y parvenir, un modèle multi-physique a été développé permettant la détermination des distributions du champ électromagnétique et de température dans les topologies de génératrices choisies. La méthode des constantes localisées couplée aux fonctions d’interpolations a été choisie comme solution offrant un bon rapport temps de calculs/précision, prenant ainsi en considération les caractéristiques des matériaux (thermiques et magnétiques). Dans un second temps, une approche basée sur la résolution formelle des équations de Maxwell dans les différentes régions constitutives de la machine a été proposée afin de réduire le temps de calcul du modèle électromagnétique. Comparée à la méthode des constantes localisées la seule hypothèse adoptée consiste à négliger la saturation des parties ferromagnétiques en utilisant un calcul linéaire.Les modèles développés ont été couplé à un algorithme d’optimisation génétique, NSGAII, permettant dans un premier temps ; de comparer à la fois temps de calcul et précision des deux modèles. Dans un second temps, d’investiguer le poids nécessaire des aimants permanents et des parties actives de deux topologies de génératrices synchrones à aimant permanent ou dans la première les aimants sont montés en surfaces et dans la seconde insères en concentration de flux (quatre grades d’aimant permanent ont été investiguées deux grades de Ferrite et deux grades de NdFeB). L’objectif est de trouver une structure de génératrice qui permet d’obtenir une densité de couple électromagnétique réduite avec un faible coût.

To meet the rapid growth in electricity generation, recent research is discussing the idea of ​​larger wind turbines. A large wind turbine leads to a high net power rating and a low average energy cost. Indeed, with higher altitudes, the wind turbine captures a stronger and more stable wind than small and medium wind turbines. In addition, longer blades capture the wind more efficiently since the power generated by the wind turbine is proportional to the area swept. Then, offshore wind seems to be a good solution to increase the exploitation of wind energy at a lower cost.With the development of facilities for the production of electrical energy from wind power, the performance of the electric generator is now of a strategic nature. With the continuous increase of the unit power (>10 MW) of the turbines, the mass and the compactness of the generator represent a major stake for the maintenance and the stability of these turbines, the generator is one of the heaviest elements of the electromechanical conversion chain installed in the nacelle. Although rare-earth (NdFeB) magnets make it possible to increase the compactness of the generator and therefore reduce its mass, their availability on the world market is not guaranteed given China's monopoly on raw materials. necessary for their manufacture.This thesis is part of the continuity of the activities of our thematic team on the optimization of the energy efficiency of electrical energy production systems. It constitutes a contribution to the investigation of 15 MW generators intended for an offshore wind application. the design of generators meeting the constraints of high-power wind power in terms of mass, efficiency, compactness and modularity. The goal is to seek optimal solutions in a vast research field containing a large number of optimization variables, while respecting very specific specifications. In order to achieve this, a multi-physics model has been developed allowing the determination of the electromagnetic field and temperature distributions in the chosen generator topologies. The method of localized constants coupled with interpolation functions was chosen as a solution offering a good ratio of calculation time/accuracy, thus taking into consideration the characteristics of the materials (thermal and magnetic). Secondly, an approach based on the formal resolution of Maxwell's equations in the different constituent regions of the machine was proposed in order to reduce the computation time of the electromagnetic model. Compared to the method of localized constants, the only hypothesis adopted consists in neglecting the saturation of the ferromagnetic parts by using a linear calculation.The models developed were coupled to a genetic optimization algorithm, NSGAII, initially allowing; to compare both computation time and accuracy of the two models. In a second step, to investigate the necessary weight of the permanent magnets and the active parts of two topologies of synchronous generators with permanent magnet where in the first the magnets are mounted on the surfaces and in the second insert in flux concentration (four grades of permanent magnet were investigated two grades of Ferrite and two grades of NdFeB). The objective is to find a generator structure which makes it possible to obtain a reduced electromagnetic torque density with a low cost.