Segmented Stator of a PM Machine with Concentrated Windings

Abstract

Fremtidens energisystem kommer til å bære preg av en større andel fornybare energikilder. Dette medfører mindre fleksibilitet i systemet, som da må kompenseres for med for eksempel largring av energi eller oppgradering av transmisjonslinjene for å kunne overføre mer energi over store avstander. HVDC er foreslått som den nye standarden for internasjonal transmisjon i EU.

Modulære, eller segmenterte, maskiner er lette å integrere både i dagens transmisjosnett og ved eventuell utbygging av HVDC linjer i Europa. En modulær generator, forkortet ModHVDC, er forskjellig fra en vanlig generator ved at statoren er delt opp i segmenter som skilles med et luftgap. Hvor mange segmenter, og hvordan luftgapet mellom dem er, varierer. Hvert segment er koblet til likestrømspotensialet i omformerene, som fører til en høyere spenning i forhold til konvensjonelle maskiner med samme størrelse. Modulære generatorer har både miljømessige og økonomiske fordeler, men noen elektromagnetiske ulemper ifølge litteraturen. Disse utforskes mer i oppgaven.

Et pågående EU prosjekt ved NTNU har som mål å designe og bygge en slik generator. Til å begynne med blir de elektromagnetiske egenskapene sett på. The ulike maskiner med forskjellig modularitet sammenliknes med hensyn på det magnetiske feltet, rippel i momentet og tapene i maskinen. De tre maskinene er identiske, sett bort i fra at to av dem har segmentert stator. Den ene er delt i to muduler, og den andre i fire. FEM programvare blir brukt til å kjøre simuleringer av maskinene både i tomgang, og med last. Simuleringene kjøres i 3D grunnet et samarbeid med andre studenter.

Resultatene viste en økning av magnetisk fluxtetthet i statortannen der luftgapet befant seg. Segmenteringen førte til en økning i rippelen til dreiemomentet, men denne er fortsatt liten i forhold til det nominellet momentet til maskinen. Kjernetapene var også høyere for de segmenterte generatorene, mens rotor og permanentmagnettapene var høyere for den usegmenterte maskinen. Ved lasttilfellet hadde den usegmenterte maskinen det høyeste tapet.

Generelt ble det konkludert med at majorieten av resultatene var ikke nøyaktige nok til å være sikre på funnene i studien, spesielt for makinen med to moduler. Simuleringsprogrammet hadde for mange begrensninger når det kom til nøyaktighet til at resultater av stor verdi ble funnet. \cleardoublepage

The energy sector is in transition. More renewable energy sources are integrated in the existing transmission grid and new large transmission lines are built to increase the flexibility of the network. HVDC is considered as one of the options for new international transmission in Europe.

Modular HVDC, ModHVDC, generators are suggested as an option for better integration with the potential future HVDC grid or existing networks. A modular generator differs from conventional ones by having the stator divided in to modules, with air gaps between them. Each segment is connected to the DC potential of the power electronics, providing a higher induced voltage than conventional machines. The ModHVDC generator have several environmental and economical benefits, making it a good candidate for future applications. However it might have some electromagnetic drawbacks that are looked into in the thesis.

As a part of a European project at NTNU, a modular generator is going to be designed and build. To start, the electromagnetic properties of modular machines are going to be investigated in this thesis. Three types of modularity are going to be compared in terms of the magnetic field, torque ripple and losses. The machines are a conventional non modular machine, the same machine divided into two segments of the stator, and one with four segments as well. FEM software is used to simulate the machines at no load and loaded conditions to obtain comparable results. The modeling was done in 3D due to cooperation between different fields of study.

An increase in the magnetic flux density of the stator tooth with the air gap was found. Modularity also lead to an increased torque ripple of the machine, however the ripple was still small compared to nominal torque of the machines. The core losses were higher for the segmented machines, and the rotor and permanent magnet losses were higher for the non modular machine. The unsegmented machine had the highest total loss at loaded conditions.

Generally it was concluded that the majority of the results were not accurate enough to be confident about the findings, especially for the generator with two segments. The 3D modeling software provided too many limitations to obtain results of sufficient accuracy.