Electromagnetic Design of Modular Generators for Offshore Wind Power Applications
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2778243Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2503]
Sammendrag
Vindkraftproduksjonen har blitt mer konkurransedyktig sammenlignet med tradisjonelleenergikilder. Likevel er det fortsatt mange områder av vindkraftproduksjon som kan dranytte av økt effektivitet og andre foredringer. En modulær PM-maskin kan være et viktigskritt for å forbedre det generelle vindkraftproduksjonssystemet. Modulære maskinerskiller seg fra tradisjonelle PM-maskiner grunnet segmentering av statoren, rotoren ellerbegge deler. Denne masteroppgaven er begrenset til en segmentert statorstruktur. Enmodulær statorstruktur gjør det mulig å oppnå en høyere nominell spenning uten at detfører til en lav fyllfaktor ved å fordele spenningen over statorsegmentene. Den modulærestrukturen er for denne masteroppgaven såkalt, symmetrisk modulær. Dette innebæreren modulær struktur hvor hver modul har samme faserepresentasjon. Modulstrukturenkan knyttes opp mot baseviklingene for maskinene.To maskiner ble designet og testet, ved hjelp av FEM simuleringsprogramvaren COMSOL, en direkte drevet og giret maskin. Begge disse maskinene må oppfylle de sammekravene, og den eneste forskjellen i utgangspunktet for maskindesignet var hastigheten.Designvalgene foretatt var de samme for begge maskinene, og de må også oppfylle desamme generelle maskinbegrensningene. Maskindesign ble utforsket, og dette inkluderertradisjonelle aspekter og modulære struktureffekter på designet. De modulære aspektene ble inkludert i designprosessen. De modulære maskinene ble sammenlignet medumodulære maskiner som var like med unntak av den fysiske segmenteringen for å observere ytelsesendringer. Maskinoppførselen studert er relatert til magnetiske- og elektriskeaspekter, i tillegg til tap. Noen maskin resultater som er spesielt påvirket av fysiskmodularitet, ble studert videre med tre forskjellige luftspaltebredder. Disse inkludererback-EMF, dreiemoment og kjernetap.Generell symmetrisk modulær struktur for PM-maskiner ble studert i forhold til effektenav antall segmenter for å kategorier fordelene og ulempend ved å konstruere maskinermed en modulær struktur. Disse aspektene inkluderer maskinenes isolasjons krav, polerog stator slot kombinasjoner, viklingsfaktor og frekvens. Det ble observert at isolasjonsreduksjonen grunnet modularitet konvergerer når antall segmenter øker. Det minimaleantall slots for en mulig grad av segmentering dobles kontinuerlig når antall moduler øker.Den mulige frekvensen som oppnås for en høy grad av segmentering er begrenset grunnetkrav til kombinasjonen av stator slot og poler. En høyere hastighet begrenser ytterligerefrekvensen.Maskinenes prestasjon ble påvirket av å inkludere en modulære struktur grunnet luftspaltene, i tillegg til å påvirke design prosessen. Luftspalten mellom maskin modulene haddeen negativ effekt på maskindriften og ytelse. Effekten av luftspalter mellom statorsegmenter resulterte i størst avvik fra ikke-modulær maskinatferd for den girede maskinen.Årsaken til dette knyttes til maskindimensjonene og antall stator slots sammenlignetmed størrelsen på luftspaletene. Likevel ble maskinytelsen minimalt endret på grunnav den modulære strukturen for begge maskinene. De negative aspektene ved luftspalteimplementasjon økte med en økning i luftspaltebredden. Wind power production have become more and more competitive compared to traditionalenergy sources. Nevertheless, there are still many areas of wind power production thatcould benefit from an increased efficiency and other improvements. A modular PM machine could be an important step for improving the overall wind power production system.Radial modular machines differ from traditional PM machines due to the segmentationof the stator, rotor or both. This thesis is limited to a segmented stator structure. Amodular stator structure facilitate a higher nominal voltage without an unsuitably lowfill factor by distributing the voltage across the stator segments. The modular structureis for this thesis so called symmetric modularity. This entail a modular structure whereeach module have the same phase representation in each module and can be closely linkedto the base windings expression.Two machines were designed and tested, utilising FEM simulation software, a direct driveand geared machine. Both of these machines must meet the same requirements and theonly difference in the machine design premise was the speed. Design choices includedwere the same for both machines and they had to adhere to the same general machinelimitations. Machine design and construction theory were explored, which included traditional aspects and modular structure effects on the design. The modular aspects wereincorporated in the design process. The machines designed were benchmarked againstthe same machine excluding modularity in order to observe the performance alterations.The machine aspects studied related to magnetic, electrical and loss. Some behaviouralaspects especially affected by physical modularity were studied further. These includeback-EMF, torque and core losses.General symmetric modular structures for PM machines were studied in relation to theeffect of the number of segments in order to categories the benefits and drawback of constructing a machine with a modular structure. Some of the findings related to the machineinsulation requirements, pole and slot combinations, winding factor and frequency. It wasobserved that the insulation reduction due to modularity converge when the number ofsegments increase. The minimal number of slots are continuously doubled as the numberof modules increase. The possible frequency obtained for increased modularity is limitedby an increase in the number of modules, and a higher speed further limits the possiblefrequencies.The machine design were affected by implementing modular structures due to flux gapsbetween the stator modules. The flux gaps between the modules had a deteriorating effecton the machine performance. The effect of air gaps between stator segments resulted inthe greatest deviation from non-modular machine behaviour for the geared machine. Thecause of this was linked to the machine dimensions and slot number compared to the fluxgap width. Nevertheless, the machine performance were minimally altered due to themodular structure for both machines. The negative aspects of the flux gaps implementedincreased with an increase in the flux gap width.