Mechatronic optimization of magnetic gears for wind turbine
Optimisation mécatronique de multiplicateurs magnétiques pour le grand éolien
Résumé
In order to optimize the cost of wind turbines, we often choose to insert a mechanical speed multiplier with gears between the turbine and the generator. Its advantage is to reduce the cost of the electric generator by reducing its mechanical torque. Unfortunately, mechanical multipliers are prone to failures that increase the cost of operating the wind turbine. Maintenance costs can therefore become so high that certain manufacturers seek to dispense with this component, especially in offshore applications. Among the alternative solutions to mechanical multiplier conversion chains, an innovative way is to replace the gear multiplier with magnetic technology. To properly assess such a solution, it is essential to adopt a transversal mechatronic approach considering both the magnetic and mechanical aspects. Such an approach is original and to carry it out, it was necessary to develop multi-physical models in order to assess performance. Thus, the work of this thesis focused on the development of electromagnetic, mechanical and thermal models of two architectures of magnetic multipliers. To carry out a global optimization, these models must be very efficient in terms of compromise between calculation time and precision. We finally carried out an overall optimization of the magnetic and mechanical parts of a magnetic multiplier for multi-megawatt wind turbines and showed that a mechatronic approach made it possible to obtain better results than a traditional method consisting in decoupling the magnetic and mechanical dimensions.
Afin d’optimiser le coût des éoliennes, on choisit souvent d’insérer entre la turbine et la génératrice un multiplicateur de vitesse mécanique à engrenages. Son intérêt est de réduire le coût de la génératrice électrique via la réduction de son couple mécanique. Malheureusement, les multiplicateurs mécaniques sont sujet à des défaillances qui augmentent le coût de fonctionnement de l’éolienne. Ainsi les coûts de maintenance peuvent devenir si importants que certains industriels cherchent à se passer de ce composant, tout particulièrement dans les applications offshore.
Parmi les solutions alternatives aux chaînes de conversion à multiplicateur mécanique, une voie innovante consiste à remplacer le multiplicateur à engrenages par une technologie magnétique. Pour évaluer de façon pertinente une telle solution, il est indispensable d'adopter une approche transversale mécatronique considérant à la fois les aspects magnétiques et mécaniques. Une telle approche est originale et pour la mener à bien, il a été nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’évaluer les performances. Ainsi, les travaux de cette thèse ont porté sur l'élaboration de modèles électromagnétiques, mécaniques et thermiques de deux architectures de multiplicateurs magnétiques. Pour mener à bien une optimisation globale, ces modèles doivent être très performants en termes de compromis temps de calcul / précision. Nous avons enfin réalisé une optimisation globale des parties magnétiques et mécaniques d'un multiplicateur magnétique pour éolienne multi-mégawatt et montré qu'une approche mécatronique permettait d'obtenir de meilleurs résultats qu'une méthode traditionnelle consistant à découpler les dimensionnements magnétiques et mécaniques.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)