Génératrices électriques de forte puissance pour une application éolienne

Description et historique de l’énergie éolienne

Il y a bien longtemps que des scientifiques ont inventé des moulins à vent pour exploiter le vent. Un moulin à vent est un dispositif qui transforme une partie de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique (mouvement rotatif). Il est utilisé le plus souvent pour moudre des céréales, broyer, piler, pulvériser diverses substances, ou même pour actionner une pompe. Il y a des spéculations contradictoires sur les origines historiques des moulins à vent. Une discussion plus détaillée sur ce sujet est présentée dans les références . Cependant, les auteurs de la référence ont affirmé que la première information de sources historiques fiable sur l’existence de moulins à vent date du 7ième siècle Av-JC.
Après la révolution industrielle de 1760-1850, l’énergie électrique est devenue un enjeu économique et stratégique majeur se présentant comme un véritable facteur de développement. Les crises pétrolières, l’augmentation conséquente de la consommation énergétique durant ces dernières années et la prise de conscience quant à la disponibilité limitée des ressources énergétiques fossiles entraineront la raréfaction et l’augmentation du coût de ces ressources fossiles. De plus, les émissions de gaz à effet de serre qui accompagnent la consommation croissante d’énergie électrique risquent de provoquer un changement climatique néfaste pour l’ensemble de la planète. Tous ces facteurs font que le mode de consommation d’énergie actuel est non fiable à long terme. Des conférences environnementales ont été organisées dans le but d’élaborer des plans pour réaliser une transition énergétique. Le processus de transition énergétique consiste le passage d’un système énergétique reposant sur des ressources énergétiques fossiles à un système énergétique durable et moins polluant. Dans la littérature scientifique, plusieurs travaux de recherches ont été menés sur les énergies renouvelables. De nos jours, aucun pays au monde n’exploite 100% des énergies renouvelables.
Mais il y a des pays qui ont pris des engagements dans cette direction comme la France par exemple. La France s’est fixée comme objectif de réduire de 40 % les émissions de gaz à effet de serre en 2030 par rapport à 1990, de porter la part des énergies renouvelables à plus de 30 % de la consommation énergétique finale d’énergie en 2030 et de baisser à 50 % la part du nucléaire dans la production d’électricité à horizon 2025.

Génératrices électriques à flux axial

L’histoire des machines électriques a débuté vers la fin de l’année 1819 . Dans la littérature scientifique, le premier moteur électromagnétique a été inventé par Michael Faraday en 1821 . Les premières machines étaient plus ou moins réalisées sous la forme d’une machine à flux axial. Les machines à flux radial ont été inventées plus tard et elles ont été brevetées par Davenport en 1837. Depuis, les machines à flux radial ont dominé de manière excessive les marchés des machines électriques. Les premières tentatives d’entrée sur le marché de l’automobile avec des machines à flux radial datent dans les années 1980 . La machine à flux axial n’avait pas pu se développer à cause d’un certain nombre de difficultés à savoir : une force d’attraction axiale entre le stator et le rotor, des difficultés de fabrication des noyaux feuilletés pour diminuer le développement des courants de Foucault et des difficultés dans le montage de la machine tout en gardant un entrefer uniforme. Le développement des matériaux magnétiques durs au cours de ces dernières années a permis aux machines à aimants permanents à flux axial (MAPAF) de connaitre un progrès et de reconquérir une domination du marché pour les applications dans lesquelles un couple élevé est recherché .
Les machines à flux axial à aimants permanents ont une forme discoïde et la longueur axiale de ces machines est beaucoup plus petite par rapport à celle des machines à flux radial, ce qui est très souvent crucial dans les applications encastrées. Les machines à flux axial constituent une alternative intéressante aux machines à flux radial à cause de sa forme compacte, son encombrement réduit et à sa densité de couple élevée. Une étude de comparaison de performances entre les machines à flux radial et à flux axial est présentée dans les références. La machine à flux axial est une machine dont le flux dans l’entrefer est parallèle à l’axe de rotation de la machine. L’augmentation du couple peut se faire en dupliquant les entrefers sur le même arbre. Le principe de fonctionnement d’une machine à flux axial à aimants permanents est similaire à celui des machines à flux radial à aimants permanents. Lorsqu’une force externe entraine le rotor, un flux magnétique variant dans le temps est vu par les enroulements statoriques et cette variation temporelle du flux magnétique induit une force électromotrice (F.é.m.) dans les différents enroulements du stator. En fonctionnement moteur, un courant externe est imposé dans chaque phase de la machine. Ces courants alternatives entraînent la création des champs magnétiques tournants qui interagissent avec celui produit par les aimants permanents et entraîne une rotation du rotor.

Différentes structures de machines à flux axial

Plusieurs configurations de machines à flux axial peuvent être trouvées dans la littérature scientifique selon la position du (des) stator (s) par rapport à la position du (des) rotor (s). Les différentes structures de machines à flux axial possibles sont: Structure avec un rotor et un stator. Structure avec un rotor situé entre deux stators . Structure avec un stator situé entre deux rotors . Structure à plusieurs étages comprenant plusieurs rotors et stators .
La structure à un seul rotor et à un seul stator , est la configuration de machine à aimants permanents à flux axial la plus simple .
Cette structure souffre toutefois d’une force axiale déséquilibrée entre le rotor et le stator, ce qui nécessite des agencements de paliers plus complexes et un disque de rotor plus épais, par rapport aux structures dans lesquelles les forces axiales sont équilibrées . Cette force doit être prise en compte afin d’éviter son impact sur les roulements et sur la déflexion des disques du rotor et du stator. Dans les références , les auteurs ont exposé une expression approchée de cette force d’attraction axiale. Dans la référence , la dérivée de la coénergie magnétique de la machine dans la direction axiale est utilisée tandis que la force axiale est déduite à partir de la pression magnétique dans la référence .
Pour les machines à double entrefer, deux structures sont étudiées dans la littérature scientifique . Dans les deux structures, les stators peuvent être alimentés en parallèle pour permettre à la machine de fonctionner en cas de dysfonctionnement de l’un des deux stators suite à un défaut dans le bobinage par exemple. Le stator peut être déconnecté électriquement de l’autre. Les auteurs de la référence ont effectué une étude de comparaison de performance de la structure , avec un stator situé entre deux rotors pour trois différents types de bobinages (deux bobinage dentaires et un bobinage distribué). Les auteurs ont comparé le couple et la masse du cuivre pour une machine de 1 kW avec 12 paires de pôles. L’analyse par la méthode des éléments finis et les résultats expérimentaux ont montré que les bobinages dentaires sont plus meilleurs que les bobinages distribués. Elles permettent d’avoir une meilleure performance (couple) et aident à réduire la masse de cuivre à 15% par rapport aux bobinages distribués. D’autres auteurs ont également effectué une comparaison entre deux types de bobinages dentaires.

Machines à flux axial à double excitation de flux

Le sujet révélant de la conception des machines à flux axial à double excitation de flux n’est pas encore bien traité dans la littérature scientifique. Dans les manuels ou les articles pertinents, la double excitation de flux est généralement effectuée pour les machines à flux radial. En revanche, les auteurs de la référence ont proposé une machine à flux axial à double excitation de flux dont les aimants permanents sont montés en surface . Cette nouvelle machine FCT (Field Controlled Torus) est la première machine à aimants permanents monté en surface à flux axial capable de contrôler le flux magnétique dans l’entrefer . Une analyse par la méthode des éléments finis 3D de la topologie a été effectuée pour différents courants d’excitation afin d’optimiser le nombre de pôles de la machine de 10 KW et de maximiser la densité de puissance. La machine FCT présente deux stators constitués de deux anneaux encochés et séparé par une bobine d’excitation à courant continu. La bobine DC est placée circonférentiellement entre les bagues du stator (interne et externe) et un bobinage distribué est utilisé au stator. La machine comprend aussi deux rotors discoïdaux portant les aimants permanents de type néodyme-fer-bore (NdFeB) magnétisés axialement. Les aimants permanents supérieurs d’un rotor sont tous des pôles nord, tandis que les aimants permanents inférieurs sont des pôles Sud. Sur l’autre rotor, les aimants permanents ont une aimantation opposée. Un pôle de rotor est constitué d’un aimant permanent et d’une pièce ferromagnétique.
Il existe un espace entre l’aimant et la pièce de ferromagnétique afin de minimiser le flux de fuites. L’avantage de cette topologie est que le champ magnétique dû au courant continu d’excitation traverse les pièces de fer et non les aimants permanents, donc il n’y a pas de risque de démagnétisation des aimants permanents lors d’une désexcitation important .

Matériaux magnétique des machines électriques

Depuis l’invention des machines électriques au XIXe siècle, divers matériaux magnétiques ont été utilisés pour les dispositifs électromagnétiques. Les propriétés magnétiques des matériaux utilisés ont un fort impact sur les performances de ces dispositifs et doivent être soigneusement sélectionnés lors de la phase de conception de la machine. L’objectif de cette partie consiste à effectuer une revue des principaux matériaux magnétiques utilisés pour la fabrication des machines tournantes en particulier la machine à flux axial, et permettant d’améliorer ses performances. Dans la littérature scientifique, des chercheurs ont mené des études sur l’utilisation de nouveaux matériaux afin de réduire les pertes et d’augmenter la densité de puissance. Le choix des matériaux utilisés dans la fabrication du circuit magnétique de la machine dépend des objectifs de performance recherchés, le coût, la température du milieu et la contrainte mécanique subi par les matériaux. Les principaux matériaux magnétiques utilisés pour la fabrication des machines tournantes se classent généralement en deux grandes familles :
Matériaux magnétiques doux : Les matériaux magnétiques doux ont un rôle fondamental dans de nombreux systèmes électriques et électroniques de la société moderne. Ils ne présentent des propriétés magnétiques que lorsqu’ils sont soumis à une force magnétisante telle que le champ magnétique créé par un aimant permanent ou par une bobine d’excitation.
Matériaux magnétiques durs : Les aimants permanents sont utilisés de plus en plus dans les machines électriques. Les aimants sont principalement caractérisés par leurs cycles d’hystérésis et plus particulièrement par le deuxième quadrant de ce cycle qui correspond à la courbe de désaimantation, dont les grandeurs principales sont : induction magnétique rémanente Br, champ coercitif de la polarisation magnétique HcJ et (BH)max : produit d’énergie volumique maximale.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. état de l’art
I.1. Introduction
I.2. Génératrices électriques de forte puissance pour une application éolienne
I.2.1. Eolienne
I.2.1.1. Description et historique de l’énergie éolienne
I.2.1.2. Développement de l’énergie éolienne en France
I.2.2. Chaines de conversion d’énergie électrique
I.2.2.1. Entrainement indirect
I.2.2.2. Entrainement direct
I.2.2.3. Comparaison (avantages et inconvénients)
I.2.3. Génératrices électriques à flux axial
I.2.3.1. Introduction
I.2.3.2. Différentes structures de machines à flux axial
I.2.3.3. Machines à flux axial à double excitation
I.2.3.4. Matériaux magnétique des machines électriques
I.3. Modèles pour le pré-dimensionnement des machines électriques
I.3.1. Modélisation par réseau de réluctances
I.3.2. Modélisation analytique
I.3.3. Modélisation analytique hybride
I.4. Conclusion
Chapitre II. Modèles bidimensionnels pour le pré-dimensionnement des machines synchrones à aimants permanents et validation
II.1. Introduction
II.2. Modélisation par réseau de réluctances
II.2.1. Réseaux de réluctances maillés
II.2.1.1. Avantages et inconvénients
II.2.1.2. Description de l’approche
II.2.2. Prise en compte de la saturation magnétique
II.3. Modélisation analytique hybride
II.3.1. Modèle analytique
II.3.1.1. Principe de l’approche et ces limites
II.3.1.2. Solution formelle des équations de Maxwell en magnétostatique
II.3.2. Approche de modélisation hybride
II.3.2.1. Description de l’approche analytique hybride
II.3.2.2. Génération du système d’équations
II.4. Étude de performances des machines électriques
II.4.1. Grandeurs Locales (induction magnétique)
II.4.2. Grandeurs globales
II.4.2.1. Couple
II.4.2.1.1. Calcul du couple par la méthode énergétique
II.4.2.1.2. Calcul du couple par la méthode du tenseur de Maxwell
II.4.2.2. Flux magnétique et force électromotrice
II.4.2.3. Pertes fer
II.4.2.3.1. Modèle de Bertotti
II.4.2.4. Pertes par courants de Foucault dans les aimants permanents
II.5. Conclusion
Chapitre III. Modélisation Analytique Hybride Quasi-3D et Modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à aimants permanents
III.1. Introduction
III.2. Approche de modélisation analytique hybride quasi-3D
III.2.1. Modélisation analytique hybride quasi-3D d’une machine à flux axial
III.2.1.1. Description du modèle analytique hybride quasi-3D
III.3. Machines synchrones à aimant permanent à flux axial
III.4. Etude de performances de machines synchrones à aimant permanent à flux axial
III.4.1. Pertes fer des machines (MSAPFA)
III.4.2. Calcul du couple de détente de MSAPFA
III.5. Modélisation par réseau de réluctances tridimensionnelle des machines synchrones à aimant permanents
III.5.1. Description de l’approche de modélisation par réseau de réluctances en 3D
III.5.1.1. Génération du système d’équation
III.5.1.2. Possibilité de prendre en compte le feuilletage des tôles
III.5.1.3. Optimisation du code réseau de réluctance
III.6. Etude des performances des machines électriques
III.6.1.1. Induction magnétique
III.6.1.2. Force de détente
III.6.1.3. Couple de détente
III.6.1.4. Pertes fer
III.6.1.5. Energie magnétique
III.7. Conclusion
Conclusion générale et perspectives