Electromagnetic Design of Modular Generators for Offshore Wind Power Applications

Abstract

Vindkraftproduksjonen har blitt mer konkurransedyktig sammenlignet med tradisjonelle energikilder. Likevel er det fortsatt mange områder av vindkraftproduksjon som kan dra nytte av økt effektivitet og andre foredringer. En modulær PM-maskin kan være et viktig skritt for å forbedre det generelle vindkraftproduksjonssystemet. Modulære maskiner skiller seg fra tradisjonelle PM-maskiner grunnet segmentering av statoren, rotoren eller begge deler. Denne masteroppgaven er begrenset til en segmentert statorstruktur. En modulær statorstruktur gjør det mulig å oppnå en høyere nominell spenning uten at det fører til en lav fyllfaktor ved å fordele spenningen over statorsegmentene. Den modulære strukturen er for denne masteroppgaven såkalt, symmetrisk modulær. Dette innebærer en modulær struktur hvor hver modul har samme faserepresentasjon. Modulstrukturen kan 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 samme kravene, og den eneste forskjellen i utgangspunktet for maskindesignet var hastigheten. Designvalgene foretatt var de samme for begge maskinene, og de må også oppfylle de samme generelle maskinbegrensningene. Maskindesign ble utforsket, og dette inkluderer tradisjonelle aspekter og modulære struktureffekter på designet. De modulære aspektene ble inkludert i designprosessen. De modulære maskinene ble sammenlignet med umodulære maskiner som var like med unntak av den fysiske segmenteringen for å observere ytelsesendringer. Maskinoppførselen studert er relatert til magnetiske- og elektriske aspekter, i tillegg til tap. Noen maskin resultater som er spesielt påvirket av fysisk modularitet, ble studert videre med tre forskjellige luftspaltebredder. Disse inkluderer back-EMF, dreiemoment og kjernetap. Generell symmetrisk modulær struktur for PM-maskiner ble studert i forhold til effekten av antall segmenter for å kategorier fordelene og ulempend ved å konstruere maskiner med en modulær struktur. Disse aspektene inkluderer maskinenes isolasjons krav, poler og stator slot kombinasjoner, viklingsfaktor og frekvens. Det ble observert at isolasjonsreduksjonen grunnet modularitet konvergerer når antall segmenter øker. Det minimale antall 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 grunnet krav til kombinasjonen av stator slot og poler. En høyere hastighet begrenser ytterligere frekvensen. Maskinenes prestasjon ble påvirket av å inkludere en modulære struktur grunnet luftspaltene, i tillegg til å påvirke design prosessen. Luftspalten mellom maskin modulene hadde en 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 sammenlignet med størrelsen på luftspaletene. Likevel ble maskinytelsen minimalt endret på grunn av den modulære strukturen for begge maskinene. De negative aspektene ved luftspalte implementasjon økte med en økning i luftspaltebredden.

Wind power production have become more and more competitive compared to traditional energy sources. Nevertheless, there are still many areas of wind power production that could 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 segmentation of the stator, rotor or both. This thesis is limited to a segmented stator structure. A modular stator structure facilitate a higher nominal voltage without an unsuitably low fill factor by distributing the voltage across the stator segments. The modular structure is for this thesis so called symmetric modularity. This entail a modular structure where each module have the same phase representation in each module and can be closely linked to the base windings expression. Two machines were designed and tested, utilising FEM simulation software, a direct drive and geared machine. Both of these machines must meet the same requirements and the only difference in the machine design premise was the speed. Design choices included were the same for both machines and they had to adhere to the same general machine limitations. Machine design and construction theory were explored, which included traditional aspects and modular structure effects on the design. The modular aspects were incorporated in the design process. The machines designed were benchmarked against the same machine excluding modularity in order to observe the performance alterations. The machine aspects studied related to magnetic, electrical and loss. Some behavioural aspects especially affected by physical modularity were studied further. These include back-EMF, torque and core losses. General symmetric modular structures for PM machines were studied in relation to the effect 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 machine insulation requirements, pole and slot combinations, winding factor and frequency. It was observed that the insulation reduction due to modularity converge when the number of segments increase. The minimal number of slots are continuously doubled as the number of modules increase. The possible frequency obtained for increased modularity is limited by an increase in the number of modules, and a higher speed further limits the possible frequencies. The machine design were affected by implementing modular structures due to flux gaps between the stator modules. The flux gaps between the modules had a deteriorating effect on the machine performance. The effect of air gaps between stator segments resulted in the greatest deviation from non-modular machine behaviour for the geared machine. The cause of this was linked to the machine dimensions and slot number compared to the flux gap width. Nevertheless, the machine performance were minimally altered due to the modular structure for both machines. The negative aspects of the flux gaps implemented increased with an increase in the flux gap width.