Design of a High-speed Permanent Magnet Synchronous Generator for a Wind Turbine

Abstract

This thesis focuses on the enhancement of the performance efficiency generated by the High-speed Permanent Magnet Synchronous Generator (HSPMSG) due to brushless slip rings and high-power densities. It especially accounts for the interaction between the mechanical and electrical parts of the wind turbine and aims to give low losses which apply at the design phase of the generator.

In the first phase, an overview of the machine design of Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) and their associated analyses are done. A comparative analysis of the existing machine design topologies is done, and the influence of the generator’s various design parameters and variables is discussed. Finally, the analytical and finite element method (FEM) applied to the HSPMSG are reported, and especially those aiming to fulfill basic machine requirements for a wind turbine system.

In the second phase, a fully integrated analytical model of the HSPMSG and electrical quantities of the machine is established in MATLAB. This model aims at computing the machine characteristics (input power, efficiency, etc.) and its adjacent parameters are estimated. Some of these simulation results are validated with 2-D FEM in MotorXP-PM.

In the third phase, the prototype model of the two different methods is merged based on the validated input and output design parameters in order to design a new high-performance easily convertible generator for a medium and large-scale wind turbine system. Furthermore, this new prototype successfully reached the specified output power without increasing iron losses or phase current.

Tämä opinnäytetyö keskittyy HSPMSG:n (High-Speed Permanent Magnet Synchronous Generator) tuottaman suoritustehokkuuden parantamiseen harjattomien liukurenkaiden ja suuritehoisten tiheyksien ansiosta. Opinnäytetyö huomioi erityisesti tuuliturbiinin mekaanisten ja sähköisten osien välisen vuorovaikutuksen ja pyrkii antamaan pienet häviöt, jotka ovat voimassa generaattorin suunnitteluvaiheessa.

Ensimmäisessä vaiheessa tehtiin yleiskatsaus PMSG:n (Permanent Magnet Synchronous Generator) konesuunnittelusta ja niihin liittyvistä analyyseistä. Tehtiin olemassa olevien konesuunnittelutopologioiden vertaileva analyysi ja pohdittiin generaattorin erilaisten suunnitteluparametrien ja muuttujien vaikutusta. Lopuksi raportoitiin HSPMSG:ssä sovelletut analyyttiset ja elementtimenetelmät (FEM) ja erityisesti sellaiset, joilla pyrittiin täyttämään tuuliturbiinijärjestelmän koneen perusvaatimukset.

Toisessa vaiheessa MATLABissa luotiin täysin integroitu analyyttinen malli HSPMSG:stä ja koneen sähköisistä suureista. Tämän mallin tavoitteena oli laskea koneen ominaisuudet (syöttöteho, hyötysuhde jne.) ja siihen liittyvät parametrit arvioitiin. Jotkut näistä simulaatiotuloksista on validoitu 2-D FEM:llä MotorXP-PM:ssä.

Kolmannessa vaiheessa kahden eri menetelmän prototyyppimalli yhdistettiin validoitujen tulo- ja lähtösuunnitteluparametrien perusteella, jotta voitiin suunnitella uusi tehokas, helposti muunnettavissa oleva generaattori keskikokoiseen ja suureen tuuliturbiinijärjestelmään. Lisäksi tämä uusi prototyyppi saavutti onnistuneesti määritellyn lähtötehon lisäämättä rautahäviöitä tai vaihevirtaa.

Den här avhandlingen fokuserar på förbättringen av prestandaeffektiviteten som genereras av High-Speed Permanent Magnet Synchronous Generator (HSPMSG) på grund av borstlösa släpringar och höga effektdensiteter. Den tar särskilt hänsyn till samverkan mellan de mekaniska och elektriska delarna av vindturbinen och syftar till att ge låga förluster som gäller i generatorns designfas.

I den första fasen görs en översikt över maskinkonstruktionen av Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) och deras tillhörande analyser. En jämförande analys av de befintliga maskindesigntopologierna görs och generatorns inverkan på olika designparametrar och variabler diskuteras. Slutligen rapporteras den analytiska och finita elementmetoden (FEM) som tillämpas på HSPMSG, och särskilt de som syftar till att uppfylla grundläggande maskinkrav för ett vindturbinsystem.

I den andra fasen etableras en helt integrerad analytisk modell av HSPMSG och maskinens elektriska kvantiteter i MATLAB. Denna modell syftar till att beräkna maskinens egenskaper (ingångseffekt, effektivitet, etc.) och dess närliggande parametrar uppskattas. Vissa av dessa simuleringsresultat är validerade med 2-D FEM i MotorXP-PM.

I den tredje fasen slås prototypmodellen av de två olika metoderna samman baserat på de validerade designparametrarna för input och output för att designa en ny högpresterande lätt konverterbar generator för ett medelstort och storskaligt vindturbinsystem. Dessutom nådde denna nya prototyp framgångsrikt den specificerade uteffekten utan att öka järnförlusterna eller fasströmmen.