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Magnetic gear are an alternative that deserves to be studied for its high reliability potential (no friction or lubrication). We are dealing here with the dynamic behavior of a magnetic gear used in a high power (multi-MW) wind application. The study is based on a dynamic non-linear mechatronic model including the components of a wind conversion chain comprising a magnetic multiplier. The rotating resonances of the rotating parts, linked to the magnetic coupling and its low stiffness, are analyzed finely in order to best size the conversion chain and in particular to avoid the risks of stalling. A dynamic pre-sizing procedure is proposed in order to optimize the relationship between the nominal torque of the turbine and the maximum torque transmissible by the magnetic multiplier. This minimizes the oversizing and associated overhead of the multiplier which requires high performance permanent magnets. Simulations taking into account the fluctuations in the aerodynamic torque of the wind turbine illustrate in particular the importance of dynamic dimensioning of magnetic gear., Les multiplicateurs magnétiques constituent une alternative qui mérite d'être étudiée pour son potentiel de haute fiabilité (pas de frottements, ni lubrification). Nous traitons ici du comportement dynamique d'un engrenage magnétique utilisé dans une application éolienne de forte puissance (multi-MW). L'étude est basée sur un modèle dynamique mécatronique non linéaire incluant les composants d'une chaîne de conversion éolienne comprenant un multiplicateur magnétique. Les résonances en rotation des parties tournantes, liées au couplage magnétique et à sa faible raideur, sont analysées finement afin de dimensionner au mieux la chaîne de conversion et notamment d'éviter les risques de décrochage. Une procédure de pré-dimensionnement dynamique est proposée afin d'optimiser le rapport entre le couple nominal de la turbine et le couple maximal transmissible par le multiplicateur magnétique. Cela permet de minimiser le surdimensionnement et le surcoût associé du multiplicateur qui nécessite des aimants permanents à haute performance. Des simulations prenant en compte les fluctuations du couple aérodynamique de la turbine éolienne illustrent en particulier l'importance d'un dimensionnement dynamique des multiplicateurs magnétiques.

International audience; 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 offshores. 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 cet article s'appuient sur l'élaboration de modèles électromagnétiques, mécaniques et thermiques d'une architecture de multiplicateur magnétique. Pour mener à bien une optimisation globale, ces modèles doivent être très performants en termes de compromis temps de calcul / précision. Nous présentons dans cet article une optimisation globale des parties magnétiques et mécaniques d'un multiplicateur magnétique pour une éolienne multi-mégawatt et nous montrons qu'une approche mécatronique permet d'obtenir de meilleurs résultats qu'une méthode traditionnelle consistant à découpler les dimensionnements magnétiques et mécaniques.

This article deals with the magneto-mechanical sizing of laminated ferromagnetic pole pieces of a magnetic gear. This ring is subjected to a magnetic field, which generates radial and tangential loads on the pole pieces. To ensure the mechanical strength, we propose a support bar geometry which does not lessen magnetic properties and which correctly maintains the laminated pole pieces. From a multibody model where the stiffnesses are determined from a 1-D model for the support bars, it is possible to determine a first approximation of the stress and the displacement of the different support bars due to a static magneto-mechanical load. An example of magnetic gear with 151 laminated pole pieces (3,9 MW wind turbine) is proposed., Cet article traite du dimensionnement de la couronne de plots magnétiques feuilletés d'un multiplicateur magnétique. Cette couronne subit un champ magnétique qui génère des chargements radiaux et orthoradiaux sur chacun des plots. Pour assurer la résistance mécanique de ces éléments, nous proposons de concevoir une cage constituée de flasques et de barres supports amagnétiques qui maintiennent mécaniquement les plots feuilletés et qui préservent les propriétés magnétiques du multiplicateur. A partir d'un modèle multi-corps dont les rigidités sont déterminées via un modèle de type poutre pour les barres supports, il est possible d'obtenir une première approximation des déplacements et des contraintes subis par ces barres dans le cas d'un chargement magnétique statique. Un exemple d'un multiplicateur magnétique composé de 151 plots magnétiques feuilletés dimensionné pour une éolienne de 3.9 MW est proposé.

This article deals with a bi-objective mass-efficiency optimization approach of a magnetic gear for high power wind turbine applications (a few MW). This optimization evaluates the magnetic performances of the magnetic gear from a magnetostatic analytical model based on Laplace's and Poisson's equation resolutions. This model permits to determine the magnetic torque, eddy current losses in magnets, iron losses in yokes and also iron losses in pole pieces by coupling this model with a permeance network. Finally, a particle swarm optimization algorithm (PSO) is implemented to optimize mass of active parts and efficiency of a 6 MW magnetic gear., Cet article présente une démarche d'optimisation bi-objective masse-rendement d'un multiplicateur magnétique pour l'éolien de forte puissance (plusieurs MW). Cette optimisation évalue les performances magnétiques du multiplicateur à partir d'un modèle magnétostatique explicite basé sur la résolution formelle des équations de Laplace et de Poisson. Ce modèle permet alors de déterminer le couple magnétique, les pertes par courants induits dans les aimants, les pertes dans les culasses et aussi dans les plots en couplant ce modèle avec un réseau de perméances. Enfin, un algorithme d'optimisation par essaims particulaires (PSO) est mis en oeuvre pour optimiser la masse des parties actives et le rendement d'un multiplicateur magnétique de 6 MW.

Non communiqué.; 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.

International audience; Cet article présente une modélisation explicite des pertes magnétiques (par courants induits) dans les aimants d'un multiplicateur magnétique dédié à l'éolien de forte puissance. Le modèle 2D proposé est basé sur l'hypothèse d'une réaction magnétique des courants induits négligeable sur la répartition du champ des aimants. L'épaisseur de peau est ainsi supposée très grande devant les dimensions des aimants. Ce modèle simplifié sera confronté aux résultats obtenus par un modèle éléments finis magnétodynamique en régime transitoire. Seront également analysées les limites du modèle explicite vis-à-vis des dimensions des aimants et de la fréquence de rotation. L'objectif final du modèle proposé est de s'intégrer à un ensemble de modèles destinés à l'optimisation mécatronique du dimensionnement d'un multiplicateur magnétique dans le cadre de son insertion dans une chaine semi rapide pour l'éolien de forte puissance (MW). Par ailleurs, ce modèle permettra de compléter l'analyse du comportement mécanique dynamique (décrochage, résonances, …) vis-à-vis des perturbations liées au vent.

Cet article présente une modélisation explicite des pertes magnétiques (par courants induits) dans les aimants d'un multiplicateur magnétique dédié à l'éolien de forte puissance. Le modèle 2D proposé est basé sur l'hypothèse d'une réaction magnétique des courants induits négligeable sur la répartition du champ des aimants. L'épaisseur de peau est ainsi supposée très grande devant les dimensions des aimants. Ce modèle simplifié sera confronté aux résultats obtenus par un modèle éléments finis magnétodynamique en régime transitoire. Seront également analysées les limites du modèle explicite vis-à-vis des dimensions des aimants et de la fréquence de rotation. L'objectif final du modèle proposé est de s'intégrer à un ensemble de modèles destinés à l'optimisation mécatronique du dimensionnement d'un multiplicateur magnétique dans le cadre de son insertion dans une chaine semi rapide pour l'éolien de forte puissance (MW). Par ailleurs, ce modèle permettra de compléter l'analyse du comportement mécanique dynamique (décrochage, résonances, …) vis-à-vis des perturbations liées au vent.

Proceedings of the MUSME Conference held in Florianópolis, Brazil, October 24-28, 2017; International audience; This article deals with the magnetic gears with modulating ring and mechanical epicyclic gears and their operation. A power transmission analysis is done and permits to obtain an analogy of the kinematics between the two gear systems. Moreover, a transposition of the mechanical epicyclic gear arrangements to a magnetic gear arrangements can be made. Finally, a load repartition evolution description is proposed to complete the comparison between magnetic gears with modulating ring and mechanical epicyclic gears.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les multiplicateurs mécaniques à engrenages sont couramment utilisés dans les chaînes indirectes de conversion d'énergie électromécanique. Ils permettent d'obtenir un plus faible coût d'investissement et une plus faible masse que les chaînes directes. En contrepartie, ils augmentent les risques de défaillance et les coûts de fonctionnement associés. Le contexte de cette étude est celui des chaînes à génératrice semi-rapide et à multiplicateur magnétique, c'est à dire sans contact mécanique. La structure du multiplicateur magnétique étudiée est composée d'un rotor rapide à aimants, d'un rotor lent à aimants et d'une couronne de plots magnétiques intercalée entre les deux rotors. Cette dernière module les ondes de force magnétomotrice créées par les rotors dans les entrefers et produit un couple magnéto-mécanique moyen non nul ce qui génère une transmission de puissance. Cette architecture compétitive offre des performances potentiellement élevées pour des applications à fort couple comme l'éolien de forte puissance. Cette compétitivité est cependant à évaluer dans ce contexte éolien où le système est soumis à de fortes perturbations du couple aérodynamique pouvant générer des problèmes magnéto-mécaniques comme le désaccouplement magnétique des deux rotors ou la vibration des différentes pièces. Cette étude traite du dimensionnement de la couronne de plots magnétiques feuilletés. Cette couronne subit un champ magnétique qui génère des chargements radiaux et orthoradiaux sur chacun des plots. Pour assurer la résistance mécanique de ces éléments, nous proposons de définir et d'optimiser des barres supports qui maintiennent mécaniquement les plots feuilletés et qui préservent les propriétés magnétiques du multiplicateur (pas de modification du champ magnétique ni des entrefers). A partir d'un modèle multi-corps dont les rigidités sont déterminées avec un modèle de type poutre pour les barres supports, il est possible de déterminer une première approximation des déformations et des contraintes subies par ces barres dans le cas d'un chargement magnéto-mécanique statique. Une optimisation est proposée pour un multiplicateur de 6MW dans le contexte de l'éolien. L'objectif de cette optimisation est de minimiser le coût des matériaux magnétiques du multiplicateur et de maximiser la raideur des barres supports. L'optimisation comprend sept paramètres : les épaisseurs des aimants , des culasses , des pots ferromagnétiques et les nombres de paires de pôles des rotos à aimants . Dans un premier temps, les chargements radiaux et tangentiels sont déterminés. La procédure d'optimisation est basée sur un algorithme OEP (optimisation par essaims particulaires) ; les contraintes d'optimisation prennent en compte les contraintes mécaniques et magnétiques et seront présentées dans le papier final. Nous montrons alors qu'il est possible de maintenir les plots magnétiques à l'aide des barres supports avec des déplacements inférieurs à 5% des entrefers.

International audience; This article deals with the dynamic behaviour of magnetic gear. This study is based on a nonlinear analytical model of magnetic gear which gives an analytical expression of the magnetic torque for a step disturbance. From this expression, various criteria will be defined in order to reach a good performance of the magnetic gear with step or sinusoidal disturbance. These results will be compared with a nonlinear simulation. Simulations show that it is possible to have, in a transitory regime, a load angle higher than the limit load angle maintaining a coupling between the low speed and the high speed rotor. Simulations will illustrate the importance of defining design rules based on the system application domain. A high power wind turbine (MW) example is proposed. In that case studies, loads generated by wind induce strong disturbances.