Analysis of Losses and Radial Vibration in a PM Synchronous Machine with Physical Modularity

Abstract

En ModHVDC-generator er en spesielt lukrativ løsning for havvind ettersom den bidrar til et redusert antall komponenter i systemet og samtidig øker tilgjengelighet. Her bruker man fysisk modularitet, der luftgap deler opp statoren i separate deler. Dette kan føre til nye utfordringer rundt endring i magnetisk ytelse og en mindre rigid struktur. Målet i denne oppgaven er å identifisere tap og radiell vibrasjon i en tidligere designet ModHVDC-maskin og sammenligne den med en ikke-modulær ekvivalent. Dette har vært gjort gjennom endelig elementmodellering i COMSOL.

Tap i det elektriske stålet, magnetene og kobberet var estimert. Sammen utgjorde de tap på 259.8 kW ved full last i den modulære maskinen, og kobbertapene sto for hoveddelen av disse med 224.7 kW. Modularitet økte ståltap med 22 % ved full last og 31.5 % når maskinen roterer med åpne klemmer, samtidig som det hadde neglisjerbar påvirkning på magnettapene. Magnetsegmentering ble brukt for å redusere magnettap med 96 % ved full last, fra 281 kW til 10 kW.

En harmonisk analyse av radielle krefter i luftgapet var kombinert med en mekanisk analyse for å evaluere vibrasjon. Amplituden til de harmoniske i de radielle kreftene var nesten lik for den modulære maskinen og den ikke-modulære ekvivalenten. Radiell vibrasjon ble ansett som usannsynlig på grunn av 1) den laveste subharmoniske hadde 32 poler, 2) tidsfrekvensen til de harmoniske var 26.67 Hz, langt fra 322 Hz, som var den laveste mekaniske egenfrekvensen til én modul.

The ModHVDC generator is particularly lucrative for offshore wind power as it reduces the need of several grid components while also improving availability. This solution uses physical modularity, where air gaps divide the stator into separate modules. This could present new challenges concerning altered magnetic performance and loss of rigidity in the structure. The goal of this thesis is to identify losses and radial vibration in a previously designed ModHVDC machine and compare it to its non-modular equivalent. This has been done through finite element modelling in COMSOL.

Losses in the electrical steel, magnets and copper were estimated. Together these amounted to 259.8 kW at full load in the modular machine, and copper losses was the main contributor with 224.7 kW. Modularity was found to increase steel losses by 22 % at full load and 31.5 % at no load, while having negligible effect on magnet losses. Magnet segmentation was employed, reducing magnet losses by 96 % at full load in the modular machine, from 281 kW to 10 kW.

To evaluate vibration, a harmonic analysis of air gap radial forces was combined with a mechanical analysis. The amplitude of the radial force harmonics were estimated to be close to equal for the modular generator and its non-modular equivalent. Radial vibration was considered unlikely due to 1) the lowest order of the radial force subharmonics was estimated to be 32, 2) the temporal frequency of the force harmonics was 26.67 Hz, far from the module's lowest mechanical eigenfrequency of 322 Hz.