Permanent magnet rotor optimization
Suuronen, Otto (2019)
Diplomityö
2019
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019062622068
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019062622068
Tiivistelmä
In this thesis different embedded magnet rotors are designed for a 10.4 MW wind turbine’s permanent magnet synchronous generator which originally has a surface-magnet rotor. Their manufacturing cost, efficiency and operating properties are compared.
The study starts with a literary review of surface magnet and embedded magnet rotor properties. Pros and cons of the surface magnet and the embedded magnet rotor configurations are studied. After literary review, three different embedded magnet rotor structures are introduced and compared for further development. The rotor types are named based on the magnet layouts, which are radially embedded magnets, tangentially embedded magnets and two magnets per pole in V-position. The properties, that contribute to the machine properties are studied, too. Then the study continues with designing of an embedded magnet rotor. In the design process finite-element analysis (FEA) is utilized and the process consists of rated load, short circuit and no-load operation analysis. First, different magnet grades with different remanence and coercive force are compared from the cost point of view. Second, torque ripple is decreased with suitable magnet width, slot wedges, air gap length, skewing and rotor surface shaping. Third, efficiency is optimized to fulfil the required value. In efficiency optimization slot wedges, air gap length and shape and magnet segmentation are considered. Then, both two- and three-phase short circuits and demagnetization are analysed. Finally, no load operation is simulated, and analysed, and synchronous inductances are calculated.
During the design process, the radially embedded magnets rotor was abandoned in an early phase because it needs a high amount of magnets. The other two layouts succeeded all the way to the short circuit tests. The demagnetization analysis pointed out that rotor with two magnets per pole in V-position could not tolerate short circuits well whereas with tangential layout there should be no danger of demagnetization. All the analyses, that were done, show, that the tangentially embedded magnets rotor offers the best properties with the highest efficiency and pull-out torque without danger of demagnetization at short circuit. Diplomityössä suunnitellaan uppomagneettiroottori 10.4 MW tuuliturbiinin kestomagneettitahtigeneraattoria varten. Alun perin generaattorissa on pintamagneettiroottori. Työssä verrataan roottoreiden tuotantokustannuksia ja ominaisuuksia.
Työ alkaa kirjallisuuskatsauksella, jossa tutustutaan uppo- ja pintamagneettiroottoreiden ominaisuuksiin. Kirjallisuuskatsauksessa tutustutaan uppo- ja pintamagneettiroottoreiden hyviin ja huonoihin puoliin. Kirjallisuuskatsaukseen perustuen esitellään kolme uppomagneettiroottorityyppiä ja vertaillaan niitä jatkokehitystä varten. Roottorityypit on nimetty magneettiasetelmien perusteella ja ne ovat radiaalinen, tangentiaalinen ja V-muoto. Lisäksi tutustutaan ominaisuuksiin, jotka vaikuttavat generaattorin toiminta-arvoihin. Kirjallisuusosion jälkeen työ jatkuu uppomagneettiroottorin suunnittelulla. Suunnitteluprosessissa hyödynnetään numeerisiin menetelmiin perustuvaa analyysia (FEA) ja prosessi koostuu kuormitus-, oikosulku- ja tyhjäkäyntitilan analyyseistä. Ensimmäisenä vertaillaan kustannusnäkökulmasta koersiivivoiman ja remanenssin suhteen erilaisia magneettilaatuja. Toisena vääntövärettä pienennetään etsimällä sopivaa magneetin leveyttä, urakiilaa, ilmavälin pituutta, napojen vinoutusta ja roottorin pinnan muotoilua. Kolmantena optimoidaan hyötysuhde täyttämään vaadittu raja-arvo. Hyötysuhteen optimoinnissa tarkastellaan urakiilojen, ilmavälin pituuden ja muodon sekä magneettien segmentoinnin vaikutuksia. Seuraavaksi analysoidaan kaksi- ja kolmivaiheoikosulut sekä mahdolliset demagnetoitumat. Lopuksi simuloidaan ja analysoidaan koneen tyhjäkäyntiä sekä lasketaan tahti-induktanssit.
Suunnitteluprosessin aikana radiaalinen magneettiasetelma hylättiin hyvin aikaisessa vaiheessa suuren magneettimateriaalin tarpeen takia. Kaksi muuta roottorityyppiä selviytyivät oikosulkutesteihin asti. Demagnetoitumien analysointi osoitti, että V-muotoinen asetelma ei siedä hyvin oikosulkutilanteita, kun taas tangentiaalisella asetelmalla ei pitäisi olla demagnetoitumisen vaaraa. Kaikki tehtävät analyysit osoittavat, että tangentiaalinen asetelma tarjoaa parhaat ominaisuudet korkeimmalla hyötysuhteella ja kippivääntömomentilla ilman demagnetoitumisen vaaraa.
The study starts with a literary review of surface magnet and embedded magnet rotor properties. Pros and cons of the surface magnet and the embedded magnet rotor configurations are studied. After literary review, three different embedded magnet rotor structures are introduced and compared for further development. The rotor types are named based on the magnet layouts, which are radially embedded magnets, tangentially embedded magnets and two magnets per pole in V-position. The properties, that contribute to the machine properties are studied, too. Then the study continues with designing of an embedded magnet rotor. In the design process finite-element analysis (FEA) is utilized and the process consists of rated load, short circuit and no-load operation analysis. First, different magnet grades with different remanence and coercive force are compared from the cost point of view. Second, torque ripple is decreased with suitable magnet width, slot wedges, air gap length, skewing and rotor surface shaping. Third, efficiency is optimized to fulfil the required value. In efficiency optimization slot wedges, air gap length and shape and magnet segmentation are considered. Then, both two- and three-phase short circuits and demagnetization are analysed. Finally, no load operation is simulated, and analysed, and synchronous inductances are calculated.
During the design process, the radially embedded magnets rotor was abandoned in an early phase because it needs a high amount of magnets. The other two layouts succeeded all the way to the short circuit tests. The demagnetization analysis pointed out that rotor with two magnets per pole in V-position could not tolerate short circuits well whereas with tangential layout there should be no danger of demagnetization. All the analyses, that were done, show, that the tangentially embedded magnets rotor offers the best properties with the highest efficiency and pull-out torque without danger of demagnetization at short circuit.
Työ alkaa kirjallisuuskatsauksella, jossa tutustutaan uppo- ja pintamagneettiroottoreiden ominaisuuksiin. Kirjallisuuskatsauksessa tutustutaan uppo- ja pintamagneettiroottoreiden hyviin ja huonoihin puoliin. Kirjallisuuskatsaukseen perustuen esitellään kolme uppomagneettiroottorityyppiä ja vertaillaan niitä jatkokehitystä varten. Roottorityypit on nimetty magneettiasetelmien perusteella ja ne ovat radiaalinen, tangentiaalinen ja V-muoto. Lisäksi tutustutaan ominaisuuksiin, jotka vaikuttavat generaattorin toiminta-arvoihin. Kirjallisuusosion jälkeen työ jatkuu uppomagneettiroottorin suunnittelulla. Suunnitteluprosessissa hyödynnetään numeerisiin menetelmiin perustuvaa analyysia (FEA) ja prosessi koostuu kuormitus-, oikosulku- ja tyhjäkäyntitilan analyyseistä. Ensimmäisenä vertaillaan kustannusnäkökulmasta koersiivivoiman ja remanenssin suhteen erilaisia magneettilaatuja. Toisena vääntövärettä pienennetään etsimällä sopivaa magneetin leveyttä, urakiilaa, ilmavälin pituutta, napojen vinoutusta ja roottorin pinnan muotoilua. Kolmantena optimoidaan hyötysuhde täyttämään vaadittu raja-arvo. Hyötysuhteen optimoinnissa tarkastellaan urakiilojen, ilmavälin pituuden ja muodon sekä magneettien segmentoinnin vaikutuksia. Seuraavaksi analysoidaan kaksi- ja kolmivaiheoikosulut sekä mahdolliset demagnetoitumat. Lopuksi simuloidaan ja analysoidaan koneen tyhjäkäyntiä sekä lasketaan tahti-induktanssit.
Suunnitteluprosessin aikana radiaalinen magneettiasetelma hylättiin hyvin aikaisessa vaiheessa suuren magneettimateriaalin tarpeen takia. Kaksi muuta roottorityyppiä selviytyivät oikosulkutesteihin asti. Demagnetoitumien analysointi osoitti, että V-muotoinen asetelma ei siedä hyvin oikosulkutilanteita, kun taas tangentiaalisella asetelmalla ei pitäisi olla demagnetoitumisen vaaraa. Kaikki tehtävät analyysit osoittavat, että tangentiaalinen asetelma tarjoaa parhaat ominaisuudet korkeimmalla hyötysuhteella ja kippivääntömomentilla ilman demagnetoitumisen vaaraa.