Academic literature on the topic 'Générateur à aimants permanents'

Les travaux présentés s'inscrivent dans le contexte de la micro-génération et de la gestion d'énergie pour systèmes autonomes. Il s'agit du développement d'un micro générateur discoïde, à aimants, sans fer et compatible avec des IJ-turbines à gaz ou à air comprimé opérant à haute vitesse de rotation (10 - 1 000 ktr/min). Le modèle multiphysique établi permet d'évaluer la performance des μ-générateurs magnétiques en fonction de leurs conditions de travail et de leurs paramètres géométriques. Un premier prototype intégré produit une puissance de 15 mW à 60 000 trs/min, un second prototype produit 5 W à 380 000 tr/min avec ηel ≈57 %. Les convertisseurs de faible puissance associés aux micro-alternateurs triphasés basse tension sont ensuite étudiés. Un micro-redresseur triphasé, sans seuil et entièrement autonome a été monolitiquement intégré en technologie CMaS 0,35 μm. La caractérisation a prouvé sa pleine fonctionnalité ainsi que les bonnes performances
This thesis deals with electric micro-generation and micro-energy management. The developed micro-generator is a millimetre-scale, planar, axial-flux, ironless, permanent magnet, synchronous machine compatible with fast rotating MEMS turbines. Established multiphysical model enables the magnetic generator performance estimation in dependence on its operating point and geometry. A 8mm diameter magnetic micro-generator has been successfully tested to speeds up to 380 000 rpm ; at this speed it generates 5W with an electrical efficiency of 57%. A prototype of a fully integrated micro-turbo-generator generated about 15mV at 60000 rpm. Low power AC/DC micro converters for low voltage micro generators were also studied. A three-phase, high efficiency, low voltage, low power and fully autonomous micro rectifier was monolithically integrated in the CMas 0,35 μm technology. The tests on the μ-rectifier cou pied to the magnetic generator confirmed its functionality and high efficiency

Ce travail porte sur la conception, le dimensionnement et l’optimisation d’un moteur-générateur pour coupleur électromagnétique destiné à une application automobile. Une étude bibliographique portant sur les coupleurs électromagnétiques, utilisés essentiellement dans les systèmes de traction, ainsi que des moteurs générateurs pouvant répondre au cahier des charges propre à l’application est présentée. Pour l’application visée par la société "Defontaine", nous avons proposé puis étudié deux solutions fonctionnant sur la base de deux principes différents. Le premier système adopte le principe de transmission de couple par friction et comporte un moteur-générateur de type synchrone à excitation homopolaire. La deuxième solution est basée sur un système de crabotage, le moteur-générateur dans ce cas est de type synchrone à aimants permanents. Les deux topologies, radiale et axiale du moteur-générateur sont étudiées. En vue du dimensionnement et de l’optimisation des trois machines retenues, des modèles électromagnétique et thermique sont présentés. Ces modèles analytiques sont ensuite couplés à un algorithme d’optimisation stochastique par essaimage particulaire. Pour le cas particulier de la machine radiale à aimants permanents, nous avons proposé une méthode d’optimisation originale basée sur le calcul analytique des grandeurs optimales recherchées. Cette méthode est exploitée ensuite pour l’étude du cas des machines rapides. Un banc d’essais a été conçu spécialement pour valider les modèles développés et les deux principes des coupleurs électromagnétiques proposés
This work focuses on the Modelling and the design optimization of an electrical motor-generator integrated in an electromagnetic coupler for automotive applications. A study of electric motor-generators and electromagnetic couplers used mainly in traction systems proposed in literature is presented. For the application witch is the aim of "Defontaine" company we proposed and studied two systems operating on the basis of two different principles. The first system adopts the principle of transmitting torque by friction and uses an axial flux homopolar motor-generator. The second is based on a system of dog clutch ; the motor-generator in this case is a permanents magnets synchronous machine. Both of the two topologies, axial and radial machines are studied. With the aim of design and optimization of the three machines, electromagnetic and thermal models are presented. These models are then coupled with a stochastic particle swarm optimization algorithm. For the particular case of the radial permanent magnet machine, we have developed an original method of optimization based on the direct calculation of the optimal parameters. This method is then used to study the case of the high speed machines. A test bench has been especially designed to validate the developed models and the two principles of electromagnetic couplers

L'énergie nécessaire au fonctionnement des systèmes électroniques est en train de surpasser les capacités des batteries actuelles. Par conséquent, l'application des technologies MEMS pour la conception de nouvelles sources de puissance à haute performance est très attractive. Cette thèse considère la fabrication de microgénérateurs entraînés par gaz froid ou chaud. Tout d'abord, nous avons développé des microgénérateurs à aimants permanents compatibles avec le fonctionnement de micromachines à combustion. Dans le contexte de la réduction des systèmes électroniques, la miniaturisation de ces dispositifs a été étudiée. Ensuite, ces microsystèmes été intégrés avec des microturbines, en polymère pour une utilisation au gaz froid (air comprimé), et en silicium pour un fonctionnement avec une micromachine à combustion. Finalement, un dispositif convertissant une source d'hydrogène en énergie électrique a été conçu. Il comprend un générateur électrique et un moteur connu sous le nom de pulsejet et réalisé par des techniques de microfabrication
The constant miniaturization of electronic systems has driven the development of new generations of ultra-compact power sources that could surpass the performance of conventional batteries. MEMS-based heat-engine-driven devices are very attractive in such small power systems. The focus of this research is to develop electromagnetic microsystems capable of generating electrical power, and driven by either cold or hot gases. First, rotary permanent-magnet microgenerators are developed for watt-level applications and compatibility with heat engines. Further miniaturization of such devices is also presented. Next, small-scale fluidic packages are coupled with these microgenerators. Polymer-based microturbines are engineered for air-driven micropower sources, and silicon-based gas-bearing microgenerators are developed for compatibility with micro heat engines. Finally, a fuel-driven power generator is presented, and consists of a MEMS-fabricated pulsejet and its electrical generator. The device, powered by a source of hydrogen fuel, demonstrates chemical-to-electrical power conversion

La conception d'un microsystème de conversion d'énergie éolienne représente le cœur de cette étude. L'attention est dérivée vers le générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, avec la configuration de rotor externe et des tensions électromotrices de forme trapézoïdale. L'objectif global de la thèse est représentée par la tentative de déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur qui donne les plus faibles pertes totales dans le système, en fonctionnant sous un cycle du vent à long terme et ainsi en augmentant l'efficacité globale du système. En avance à l'optimisation, un modèle de simulation adapté doit être développé en termes de précision des résultats et du temps de simulation. Cela se fait dans la première partie de la thèse en déterminant le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, la réduction du temps de simulation a été étudiée dans la troisième et la quatrième partie de la thèse, en développant une méthode appropriée qui permet l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent lors la détermination de la totalité des pertes de puissance du système. Par la suite, la méthode d'optimisation est présentée, même les résultats optimaux obtenus, ainsi que la comparaison de plusieurs paramètres d'entrée / sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un générateur de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle électronique
The design of a micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The attention is derived towards the brushless DC permanent magnet generator with outer rotor configuration and trapezoidal induced back-EMF voltages. The global aim of the thesis is represented by the attempt of determining the optimal geometrical and electrical design parameters of the BLDCPM generator that give the minimum total power losses in the system, over long-term wind speed cycle operation and thereby increasing the efficiency of the overall system. In advance to the optimization, an adapted simulation model needs to be developed in terms of results accuracy and simulation time. This is done in the first part of the thesis by determining the modeling level, as well as the design variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process, the reduction of the simulation time has been investigated in the third and fourth part of the thesis by developing a suitable method that allows the integration and exploitation of the available data from the wind-speed profile when determining the totality of the power losses in the system. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried out on a reference BLDCPM machine prototype in order to verify its electronic commutation and control technique

Cette Thèse présente une méthodologie pour la conception optimale multidisciplinaire des générateurs synchrones à aimants permanents appliqués à l'énergie éolienne. Telle méthodologie prend en compte les comportements électriques, géométriques, thermiques, électroniques, mécaniques et économiques de l'éolienne. La courbe d'occurrence du vent, modélisée par une fonction de densité statistique, est également prise en compte par la méthodologie de conception proposée. Considérer cette courbe dans la conception optimale permet de calculer la quantité d'énergie produite par l'éolienne, qui fonctionne sous vitesse et puissance variables par l'influence de la vitesse du vent. La proposition d'utiliser l'optimisation dans la conception est d'améliorer la compétitivité de l'énergie éolienne en concevant un générateur avec une bonne relation entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Plusieurs études portent sur la conception optimale des machines électriques liées à l'énergie éolienne, mais peu ont présenté une méthode permettant d'estimer la production d'énergie éolienne, ce qui est obligatoire pour obtenir un générateur rentable. De plus, les aspects multidisciplinaires approfondis du générateur électrique ont été considérés par la méthode proposée plus en détail que d'autres études trouvées dans la littérature. Prendre en compte tous ces aspects entraîne un grand problème d'optimisation qui compte environ 2000 variables, dont environ 250 ont des contraintes imposées. Un algorithme d'optimisation déterministe a été choisi pour traiter ce problème. Un tel algorithme est capable de trouver la solution en quelques itérations et un court laps de temps grâce au calcul de la matrice jacobienne, contenant les gradients exacts du modèle (utilisé pour décrire le comportement de l'éolienne). Les résultats présentés explorent le potentiel méthodologique proposé. La première conception optimale réalisée minimise le coût du matériau actif du générateur, ce qui présente une réduction significative des coûts par rapport à un générateur non optimal. Ensuite, la contradiction entre le coût du générateur et son efficacité est analysée et l'importance d'inclure la production d'énergie éolienne dans la conception du générateur devient évidente. En utilisant l'énergie éolienne estimée générée par l'éolienne, le générateur avec un bénéfice net maximal (égal au produit de l'énergie éolienne moins le coût du générateur) a été obtenu. Ce générateur a un bon rapport entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Ensuite, des analyses de sensibilité ont été effectuées pour vérifier comment le prix de l'électricité et la vitesse moyenne annuelle du vent influencent la conception. Enfin, deux éoliennes de différents diamètres et différents vitesses nominales du vent ont été utilisées, compte tenu de trois profils de vent distincts. Ces résultats fournissent les générateurs plus adaptés à chaque éolienne appliquée à chaque profil de vent, montrant que la méthodologie de conception proposée a la capacité de faciliter le choix de l'éolienne adéquate à chaque parc éolien
This Ph.D. dissertation presents a multidisciplinary optimum design methodology to permanent magnet synchronous generators applied to wind power. Such a methodology considers the electrical, the geometrical, the thermal, the electronic, the mechanical and the economical behaviors of the wind turbine. The wind occurrence curve, modelled by a statistical density function, is also take into account by the proposed design methodology. Considering this curve in the optimal design allows to calculate the amount of energy produced by the wind turbine, which operates under variable speed and power by the influence of the actual wind speed. The proposal of using the optimization in the design is to enhances the competitiveness of wind power by designing a generator with a good relation between its cost and its capacity to generate energy. Several studies are addressed to electrical machines optimum design related to wind power, however, few have presented a method able to estimate the wind turbine energy generation, which is mandatory to obtain a cost-effective generator. Further, the electric generator in-depth multidisciplinary aspects have been considered by the proposed method in more detail than other studies found in literature. Take into consideration all these aspects results in a large optimization problem that has approximately 2000 variables, among which approximately 250 have constraints imposed on. A deterministic optimization algorithm has been chosen to deal with this problem. Such an algorithm is capable of finding the solution within few iterations and a short time thanks to the computation of the Jacobean matrix, containing the exact gradients of the model (used to describe the wind turbine behavior) outputs. The presented results explore the proposed methodology potential. The first optimal design performed minimizes the generator active material cost, presenting a significant cost reduction compared to a non-optimal generator. Next, the contradiction between the generator cost and its efficiency is analyzed and the importance of including the wind turbine energy generation into the generator design becomes evident. Using the estimated wind turbine generated energy, the generator with maximum net earnings (equal to the wind turbine energy proceeds less the generator cost) has been obtained. This generator has a good ratio between its cost and capability to generate energy. Then, sensibility analysis have been carried out to verify how the electricity price and the annual mean wind speed influence the design. Finally, two wind turbines with different diameters and rated wind speeds have been employed, considering three distinct wind profiles. These results provide the generators more suited to each wind turbine applied to each wind profile, showing that the proposed design methodology has the ability to helps choosing the wind turbine adequate to each wind farm

La notion de degré de liberté pour l'optimisation de la conversion d'énergie est introduite et reliée aux différents dispositifs utilisables pour associer la machine synchrone au générateur. La réalisation de ces dispositifs associés à une commande numérique par microordinateur flexible et conviviale est décrite. Les fonctionnements et stratégies de commande sont étudies pour deux types de systèmes : alimentation par onduleur de courant a thyristor, a commutation naturelle avec un ou deux degrés de liberté; l'alimentation en tension ou en courant par un onduleur de tension MLI en technologie Mosfet.

La mise en place d’un nouveau canal d’alimentation électrique incorporant un générateur à aimants permanents PMG (Permanent Magnet Generator) en remplacement de l’actuel canal de génération hydraulique est l’un des sujets de recherche en cours dans le secteur aéronautique. Le choix de cette solution est motivé par de nombreux avantages : réduction de masse, meilleure disponibilité du réseau hydraulique et maintenance plus aisée. Cependant, l’utilisation d’un PMG en tant que générateur électrique au sein d’un avion implique de nouvelles problématiques, notamment en ce qui concerne la sûreté de fonctionnement lors de défaillances internes au PMG. En effet, tant que le rotor est en rotation, la présence d’une excitation permanente due aux aimants entretient la présence du défaut même si le stator n’est plus alimenté, ce qui complexifie la mise en sécurité du PMG. Il est ainsi nécessaire de connaître précisément l’état de santé du PMG afin d’assurer une bonne continuité de service en évitant d’ordonner la mise en sécurité du PMG sur des défaillances externes au générateur. C’est pourquoi les travaux de cette thèse portent sur la détection des courts-circuits inter-spires dans les PMG, ces défauts ayant été identifiés comme les plus critiques pour ce type de machine. Compte tenu du contexte aéronautique, il a été choisi de travailler sur les méthodes de détection basées sur l’estimation de paramètres via un modèle mathématique de la machine en utilisant le Filtre de Kalman Etendu (FKE). En effet, s’il est correctement paramétré, le FKE permet d’obtenir une bonne dynamique de détection et s’avère être très robuste aux variations du réseau électrique (vitesse, déséquilibre, …), critère important pour garantir un canal de génération fiable. Deux types de modèle mathématique sont présentés pour la construction d’un indicateur de défaut utilisant les estimations fournies par le FKE. Le premier est basé sur une représentation saine du PMG où l’indicateur de défaut est construit à partir de l’estimation de certains paramètres de la machine (résistance, inductance, constante de fem ou pulsation électrique). Le second modèle utilise une formulation d’un PMG défaillant qui permet d’estimer le pourcentage de spires en court-circuit. Après avoir comparé et validé expérimentalement le comportement des différents indicateurs sur un banc de test à puissance réduite, la mise en place d’un indicateur de court-circuit inter-spires au sein d’un réseau électrique aéronautique et son interaction avec les protections existantes sur avion sont étudiées dans la dernière partie de ce mémoire.

Encouragé par le facteur économique (les productions décentralisées) et le facteur politique (protocole de Kyoto, conférence de Buenos Aires, le programme EOLE 2010 qui assigne l’objectif de 22% d’énergie renouvelable en 2010 dans l’Union Européenne), le marché éolien est en pleine expansion. Jeumont Industries, partenaire industriel dans cette étude, a développé dans les années 1990 un système éolien basé en attaque directe qui emploie une génératrice synchrone à aimants permanents réalisée en utilisant une structure originale à flux axial. Prenant en compte les évolutions technologiques des différents domaines (matériaux, aimants, électronique de puissance), le but de l’étude est d’investiguer les possibilités d’augmenter la puissance d’un tel système en attaque directe, en utilisant la technologie Jeumont. L’étude est fondée sur la construction d’un modèle multi-physiques, multi-niveaux et multi-échelles, qui combine judicieusement des modèles éléments finis, des modèles dynamiques et des modèles de conception. L’exploitation des modèles a permis de trouver la topologie du système qui répond au mieux aux critères de qualité imposés : une structure polyphasée avec un nombre de phases impair et uniformément réparties. Les structures polyphasées permettent de simplifier la construction de la machine en utilisant un bobinage concentré. Les différentes configurations possibles sont déterminées, analysées et classées. Les meilleures sont optimisées et l’ensemble des compromis entre la composante économique du système et ses performances est tracé, permettant au concepteur de faire un choix final
Encouraged by the economical (decentralization of energy production) and political context (Kyoto Protocol, Buenos Aires Conference, EOLE 2010 Program), the wind energy market meets a continuous growth. Jeumont Industries, an industrial partner of this research study, has developed during the previous decade a direct drive wind generator using an original axial flux permanent magnet synchronous generator. During last decades, important technological advance was noticed in different research areas, as permanent magnets and power semiconductors. Taking into consideration these evolutions, the goal of this study is to investigate the possibility to increase the power of a direct drive wind generator using Jeumont technology. The study is based on the development of multi-physical, multi-level and multi-scale model, which properly combines finite element analysis, dynamical simulation and analytical models. The use of the numerical tools allowed finding the system configuration which better corresponds to the imposed quality criteria: an odd phase number polyphased structure having uniform distribution, which allows easier winding technique, as concentrated one. Different possible configurations of chosen structure are analytically determined, numerically analyzed and ranked. The best ones are optimized and the designer’s final option depends on the compromise to be done between the economical aspects and performances of the system

Nous avons realise un moteur supraconducteur (nb, ti, a 4,2 k) a aimants permanents (nd. Fe. B. ) de 15 kw a 750 tr/min. La structure retenue est celle d'une machine cylindrique classique a poles lisses et sans dent au niveau des toles statoriques. Les aimants sont refroidis pour ameliorer leurs performances magnetiques. La machine est dimensionnee pour resister a un court-circuit brusque sans transiter. Les performances de ce prototype sont deja remarquables: la puissance volumique ramenee a 3000 tr/min est de 2 mw/m#3. Un pre-dimensionnement d'une machine de plus forte puissance, avec des encoches statoriques, a ete effectue et a permis d'evaluer les performances de l'ensemble machine et refrigerateur