Mekanisk design og konstruksjon av kraftuttak til en kontraroterende mikro vindturbin

Abstract

Med bakgrunn i FNs bærekraftsmål nr. 7 "Ren energi til alle" må verden utvikle mer bærekraftig energiproduksjon. En mikro vindturbin vil redusere forbruket av fossil energi, påvirkning på natur sammenlignet med store vindparker, og øke graden av selvforsynt energi. Med utgangspunkt i teknologi fra Alva Industries sin X60 dronemotor blir det fremlagt et design for kraftuttaket til en mikro vindturbin. Denne vindturbinen har to rotorsett, men kun én kontraroterende generator. Sammenlignet med en singelrotor vindturbin vil en dobbelrotor kontraroterende vindturbin kunne produsere mer energi.

Målet for prosjektet er å lage et mekanisk design for kraftuttaket med kontraroterende generator. Kraftuttaket skal inneholde elektronikk og akslinger, samt at generatoren skal inneholde eksisterende design for rotor og stator med back-iron fra X60 motoren. Det skal også gjennomføres en analyse av varmeutviklingen i kraftuttaket, med forslag til kjølesystem. Dette er for å unngå overoppheting av generatoren. Gjennom produktutviklingen ble den iterative metoden "Engineering design process" tatt i bruk. Ved prøving, feiling og god arbeidsstruktur ble flere konsept utviklet og sammenliknet før et endelig design ble valgt. I løpet av prosjektet ble 3D-modeller og en prototype i plast konstruert for å visualisere designet og verifisere funksjon. For gjennomførelsen ble det brukt flere modellering- og simuleringsprogramvarer, samt studentverksted for bygging av prototype.

Digitalisering har gjort at modeller og simuleringer ble gjennomført i programvarer. Hensikten er å redusere produksjon av flere prototyper og fysiske tester, og er et steg mot mer miljøvennlig produksjon. De digitale verktøyene som ble brukt har ført til at gruppen har videreutviklet ferdigheter i SolidWorks og Abaqus, samt at COMSOL har blitt lært uten tidligere erfaring.

Det endelige kraftuttaket er sammensatt med en kontraroterende generator som verifiseres av prototypen. Resultat fra beregninger, simuleringer i COMSOL og eksperiment av varmeutviklingen har blitt sammenlignet og analysert. Dette har ført til utviklingen av et design for kjølesystem bestående av en radialvifte med blokk. Simuleringer viser at dette designet fører til god luftsirkulasjon, som gir jevnere og dermed lavere temperatur. Resultatene fra varmeanalysen viser at kraftuttaket har tilstrekkelig kjøling ved optimale vindhastigheter for utnytting av energi. Samtidig viste simuleringene at vindhastigheter som utgir restvarme over 500W resulterer i høye temperaturer som reduserer effekten i generatoren.

Komponentene i kraftuttaket er sammenstilt og dimensjonert mot nedbøyning og interne krefter. Dimensjoneringen er gjennomført på bakgrunn av en materialanalyse. Det fremkommer at radialviften med blokk og rotoroppheng 3D-printes i ABS-PC for å minimere vekt og kostnad. Akslinger og lagerstøtter produseres i aluminiumslegeringen 6061-T6 ettersom enkle design gjør dem optimale for maskinering. Statoropphenget produseres derimot i karbonstålet 1020 da det er kritisk med lik varmeutvidelse som back-ironet den monteres på. Designene er valgt med hensyn på vekt og kostnad. Den totale vekten for kraftuttaket er 872g og har en estimert kostnad på 5594 NOK.

Based on UN's sustainable development goal No. 7, "Sustainable energy for all", the world needs to look closer at sustainable production of energy. A micro wind turbine will reduce the use of fossil energy and impact on the environment compared to large wind farms. Based on the X60 drone motor from Alva Industries, a design of a power take-off for a micro wind turbine will be designed. The wind turbine has two sets of rotors with a single counter rotating generator. Compared to a single-rotor wind turbine design, a double-rotor counter rotating wind turbine will have the ability of producing more energy.

The goal within the project is to make a mechanical design for the power take-off with a counter rotating generator. The design includes necessary electronics and shafts. The generator will be based on existing designs of rotor, stator and back-iron from the X60 motor. There will be an analysis of the heat development within the power take-off, with a suggestion for a cooling system. This will be used to avoid overheating of the generator. In terms of product development, an iterative process called "Engineering Design Process" is utilized. Through trial, error and an upright work structure, many concepts were developed and compared before choosing a final design. 3D models and a prototype in plastic were constructed to visualize and verify functionality. Throughout the project, different simulation softwares were used, as well as a student workshop for building of the prototype.

Digitalization has made modelling and simulation with computer software possible, This was used by the group to minimize tests and production of prototypes. This results in a more environmental-friendly production process. The usage of digital tools during the project helped strengthen the groups skills within SolidWorks and Abaqus, in addition to learning the computer software COMSOL without previous experience.

The final design of the power take-off is assembled with a counter rotating generator, verified by the prototype. Results from calculations, simulations in COMSOL and experiments of internal heat production has been compared and analyzed. This led to the development of a cooling system consisting of a radial fan with a block. The simulations shows that the design provides a better circulation of air, resulting in lower and more evenly distributed temperatures. Simulations also showed that wind speeds causing residual heat exceeding 500W will result in higher temperatures, reducing the effect of the generator.

The components in the power take-off are designed to prevent unwanted displacement and stress, taking into account the results of a material analysis. The radial fan with a block and the rotor support will be 3D-printed in ABS-PC to minimize weight and costs. Shafts and bearing supports will be produced in the aluminum alloy 6061-T6 because their simple designs make the components optimal for production by machining. The stator support will be produced in Carbon steel 1020 giving it the same heat expansion as the back-iron it is mounted on. The design is chosen on the basis of weight and costs. The total weight of the power take-off is 872g, and it has an estimated cost of 5594 NOK.