Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorNilssen, Robert
dc.contributor.advisorNøland, Jonas Kristiansen
dc.contributor.advisorDong, Jianning (TU Delft)
dc.contributor.authorTomé Robles, Dany Josué
dc.date.accessioned2021-09-22T16:00:45Z
dc.date.available2021-09-22T16:00:45Z
dc.date.issued2021
dc.identifierno.ntnu:inspera:81111919:67670136
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2780440
dc.description.abstractEn undersøkelse av AC-superledende spoler utføres med en permanentmagnetgenerator for en vindkraftturbin på 15 MW. To referansemodeller er dimensjonert: på den ene siden blir en DTU og NREL 15 MW vindturbinmodell tatt som en referanse for å stille den mekaniske hastigheten i henhold til utgangseffekten og de mekaniske begrensningene til bladene; og på den annen side er et 10 MW superledende PM-design av Dong Liu tatt som en referanse for å sette geometri og spaltepolskombinasjon, og endre størrelse på maskinen til 15 MW. Begge referansemodellene er fraksjonerte spaltekonsentrerte viklinger. Målet er å studere effekten av flerfasede symmetriske viklinger på AC HTS-spolene og den totale ytelsen til en superledende PM-maskin. Og dermed: 1) En sammenligning er laget mellom 3-fasede og 12-fasede viklinger med samme maskingeometri. 2) En utforming av en 24-faset vikling er laget for å godkjenne funnene og forstå de flerfasede symmetriske viklingene og fordelene deres. 3) AC-superledende tap vurderes for de forskjellige viklingsoppsettene med samme strøm og svinger per spole, med fokus på oppførselen til magnetfeltene inn i HTS-spolene. Analysen fant at flerfasede symmetriske viklinger forbedrer maskinens magnetiske oppførsel ved å gjøre den jevnere og eliminere rom-subharmonikken. Videre forårsaker reduksjon av fluktdensitetens krusende oppførsel i luftgapet og jernet en reduksjon i hysterese og dynamiske tap. Dessuten forbedrer den bedre viklingsfaktoren for flerfasede viklinger utgangseffekten, noe som gjør maskinen enda mer kompakt. Videre må fasorene være unike for å oppnå et utmerket flerfaset symmetrisk viklingsoppsett. Imidlertid observeres det at bruk av symmetriske flerfaseviklinger ikke kan forbedre vekselstrømstap og effektfaktor. På den første siden avhenger de hysteretiske superledende tapene for HTS-båndspoler av magnetfluxlinjens innfallsvinkel. På den annen side avhenger kraftfaktoren sterkt av den magnetiske energien som er lagret i magneter, relatert til volum og gjenværende flytdensitet. Videre er det funnet at å ha vekselstrøm superledende anker spoler, magnetfelt frastøtelse skaper en svingende oppførsel i luftgapet, som påvirker de tangentielle og radiale kreftene i maskinen. Derfor blir en parametrisk feiing gjort for å variere HTS-spolens vinkelposisjon, og finne at vinkelrette flukselinjer til spolesiden reduserer vekselstrømstapene ytterligere. Ikke desto mindre skaper dette mer frastøting av magnetfelt, noe som gir en sterkere svingende magnetisk flytdensitet i luftgapet, noe som gir høyere radiale krefter som kan skade maskinens struktur. En ny design er foreslått for å forbedre effektfaktoren og bevise at å ha unike faser i flerfasede symmetriske viklingsoppsett forbedrer maskinens ytelse. Til slutt trekkes tre hovedkonklusjoner: 1) flerfasede symmetriske viklinger forbedrer maskinens ytelse ved å bruke unike faser, noe som bidrar til å redusere magnetisk krusende oppførsel ytterligere. 2) AC-hysterese superledende tap og Meisner-effekten for HTS-bånd er avhengig av fluxlinjevinkelen. Dermed må en 3D-spole utformes og vurderes. Til slutt, 3) Superledende maskiner med større permanente magneter kan oppnå bedre effektfaktorer.
dc.description.abstractAn investigation into AC superconducting coils is performed with a permanent magnet generator for a wind power turbine of 15 MW. Two reference models are sized: on the one hand, a DTU and NREL 15 MW wind turbine model is taken as a reference to set the mechanical speed according to the output power and the mechanical constraints of the blades; and on the other hand, a 10 MW AC superconducting PM design by Dong Liu is taken as a reference to set the geometry and slot-pole combination, and resized the machine to 15 MW. Both reference models are fractional slot concentrated windings. The aim is to study the effects of multi-phase symmetric windings on the AC HTS coils and the overall performance of a superconducting PM machine. Thus: 1) A comparison is made between 3-phase and 12-phase windings with the same machine geometry. 2) A design of a 24-phase winding is made to endorse the findings and comprehend the multi-phase symmetric windings and their advantages. 3) The AC superconducting losses are assessed for the different winding layouts with the same current and turns per coil, focusing on the behaviour of the magnetic fields into the HTS coils. The analysis found that multi-phase symmetric windings enhance the machine's magnetic behaviour by making it smoother and eliminating the space sub-harmonics. Furthermore, reducing the flux densities' rippling behaviour in the airgap and the iron causes a reduction in hysteresis and dynamic losses. Also, the better winding factor of multi-phase windings improves the output power, making the machine even more compact. Moreover, to achieve an excellent multi-phase symmetric winding layout, the phasors must be unique. However, it is observed that using symmetric multi-phase windings cannot improve the AC losses and power factor. On the first hand, the hysteretic superconducting losses for HTS tape coils depend on the magnetic flux line's incident angle. On the other hand, the power factor strongly depends on the magnetic energy stored in the magnets, related to the volume and remanent flux density. Furthermore, it is found that having AC superconducting armature coils, the magnetic field repulsion creates a fluctuating behaviour in the airgap, affecting the tangential and radial forces in the machine. Therefore, a parametric sweeping is done to vary the HTS coil's angular position, finding that perpendicular flux lines to the coil's side reduce further the AC losses. Nonetheless, this creates more repulsion of magnetic fields, making a stronger fluctuating magnetic flux density in the airgap, producing higher radial forces that can harm the machine's structure. A new design is proposed to improve the power factor and prove that having unique phasors into multi-phase symmetric winding layouts enhances the machine's performance. Finally, three main conclusions are made: 1) multi-phase symmetric windings enhance the machine's performance by using unique phasors, helping to reduce further the magnetic rippling behaviour. 2) AC hysteresis superconducting losses and the Meisner effect for HTS tapes firmly depend on the flux lines angle. Thus, a 3D coil must be designed and assess. Finally, 3) Superconducting machines with bulkier permanent magnets can achieve better power factors.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleSuperconducting Multiphase Wind Power Generator
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel