Réalisation des prototypes et validation à partir d’essais

Le choix fait par l’entreprise de proposer des solutions compétitives dans le domaine des génératrices à fort couple et faible vitesse pour le marché de l’énergie, l’a conduit à s’intéresser à des topologies de machines qu’elle ne réalisait pas auparavant. En particulier l’utilisation des aimants permanents lui a permis de s’affranchir de l’alimentation du rotor et de retrouver des machines ayant des puissances massiques importantes. Ces machines pour lesquelles il est intéressant d’avoir des diamètres importants pour des applications éoliennes à attaque directe nécessitent des investissements pour pouvoir les réaliser au sein de l’atelier actuel. En revanche, se tourner vers une solution qui permet d’éviter le passage en cuve d’imprégnation permet de limiter ces investissements. Des premiers dimensionnements ont alors été réalisés pour des études de faisabilité et de crédibilité technicoéconomiques. Des clients potentiels ont montré un intérêt pour ce type de solution ce qui a permis de lancer des études plus approfondies sur les machines décrites au chapitre 3. Une fois ces études réalisées l’un des clients a décidé de se lancer dans l’aventure d’un développement commun d’une éolienne de forte puissance pour une installation offshore et de la réalisation de deux prototypes dans le but de pouvoir les tester en charge.

Solution retenue

L’utilisation d’aimants permanents montés en surface associés à un bobinage à pas fractionnaire reposant sur une technologie modulaire est la solution retenue. L’alimentation de la machine sera réalisé par des convertisseurs de tensions qui délivreront des courants sinusoïdaux. Les dimensionnements de la machine nous ont conduits vers des puissances massiques intéressantes pour l’application. C’est principalement ce critère qui a motivé le client à retenir cette solution.

Stator à plots motif 9/8

Le motif retenu est le motif 9 encoches/8 pôles. Le recours à la basse tension conduit à de forts courants. Les variateurs de vitesses développés en interne pour ces tensions ont des puissances limitées à 2.4MVA L’utilisation de 3 convertisseurs s’est avérée nécessaire pour atteindre la puissance nominale à convertir. Ce choix de motif étant compatible avec l’utilisation de 9 phases, il a été décidé, dans le but d’améliorer les performances de la machine, de passer à une technologie polyphasée. Le choix du nombre de pôles a été effectué de sorte à dépasser 10Hz à la vitesse nominale pour être dans la plage de fonctionnement des variateurs de vitesses et ainsi ne pas les déclasser en puissance. Le nombre de motifs devra également être pair pour imposer des symétries au niveau des forces. Avec cette stratégie, les efforts se compensent à 180 degrés mécaniques de la machine. Plusieurs configurations pouvaient alors être rencontrées, comme on le voit Table 5.2. Il est plus intéressant d’avoir un multiple de 4 car cela permet d’avoir 2 aimants de même polarité à 180 degrés mécaniques. Il faut par ailleurs limiter la fréquence dans le but de limiter les pertes dues à la présence d’harmoniques, car on a vu dans le chapitre 3 que les sous-harmoniques peuvent être importants. Un autre avantage dans ce choix est que moins il y a d’éléments au stator et au rotor, plus la fabrication est rapide (moins il y a d’éléments à assembler). Il a donc été choisi de prendre 64 paires de pôles. Et dans le but de limiter les pertes par courants induits dans les aimants, liées aux sous harmoniques, nous avons recours à la segmentation des pôles au rotor. Les neuf phases de la machine sont connectées de manière à obtenir 3 systèmes triphasés indépendants. On se retrouve avec la configuration de la Figure 5.1 : système triple étoile où les étoiles sont déphasées de 40 degrés électriques (2pi/9) et où les neutres ne sont pas reliés. 

Caractéristiques principales

La machine alors dimensionnée pour l’application a les dimensions données dans la Table 5.3. Pour des raisons de confidentialités, ce sont les seuls paramètres de la machine qui seront communiqués. Ces valeurs correspondent aux parties actives (cuivre, aimants et tôles ferromagnétiques), c’est-à-dire les parties nobles qui réalisent la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique. Ces parties ne représentent pas la plus grosse partie du système en termes de masse mais ont un impact non négligeable sur le coût. Table 5.3 Dimensions des parties actives Longueur de fer 1m Diamètre d’entrefer 7m Nombre de spire par bobines 70 Entrefer électrique 7 mm Masse des parties actives . En plus de ces parties actives il est cependant nécessaire de considérer les carcasses pour maintenir les différentes parties : les roulements, le système de refroidissement, les connexions, les systèmes auxiliaires (capteurs, boite à bornes…). Ces éléments ont une masse et des dimensions non négligeables qui apparaissent dans les caractéristiques globales de la génératrice qui sont données Table 5.4.