بهینه‌سازی طراحی، بهبود کیفیت ولتاژ و نوسانات گشتاور یک ژنراتور آهنربای دائم سطحی با رتور خارجی به‌منظور کاربرد در توربین‌های‌ بادی بدون جعبه‌دنده

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر،دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

در این مقاله طراحی بهینۀ یک ژنراتور سنکرون آهنربای دائم سطحی با رتور خارجی به‌منظور کاهش هزینۀ ساخت ارائه شده است. نوآوری این پژوهش ارائۀ ابعاد جدید برای آهنربای دائم سطحی است که منجر به سینوسی شدن منحنی چگالی شار مغناطیسی فاصلۀ هوایی و بهبود کیفیت ولتاژ القایی، کاهش گشتاور دندانه‌ای و نوسانات گشتاور خواهد شد. همچنین به‌منظور مطالعۀ بیشتر، چهار طرح به‌صورت ترکیبی از سیم‌پیچی توزیع‌شده و سیم‌پیچی متمرکز و آهنربای سطحی متداول و آهنربای سطحی پیشنهادی برای ژنراتور در نظر گرفته شده است. به همین منظور یک مدل طراحی دقیق برای ژنراتور استخراج شده است. سپس متغیرهای طراحی بر اساس این مدل و با توجه به تابع هدف مورد نظر توسط الگوریتم بهینه‌سازی ژنتیک بهینه‌‌یابی شده‌اند. در ادامه از تحلیل اجزای محدود برای اعتبارسنجی طراحی‌های بهینه استفاده می‌شود. با مقایسۀ نتایج بهینه‌سازی و شبیه‌سازی چهار طرح بهینه مشاهده می‌شود که ژنراتور با سیم‌پیچی متمرکز و آهنربای سطحی پیشنهادی دارای راندمان بیشتر است درحالی‌که دارای حجم کلی، هزینۀ ساخت، گشتاور دندانه‌ای و نوسانات گشتاور کمتری در مقایسه با طرح‌های دیگر است. بنابراین این طرح گزینه مناسبی برای کاربرد در توربین‌های بادی بدون جعبه‌دنده است.

کلیدواژه‌ها


[1] Chen, Y., Pillay, P. and A. Khan, "PM wind generator topologies", IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 41, No. 6, pp. 1619-1626, Nov-Dec. 2005. [2] Li, H. and Chen, Z., "Design optimization and site matching of direct-drive permanent magnet wind power generator systems", Renewable Energy, Vol. 34, No. 4, pp. 1175-1184, April 2009. [3] Chen, J., Nayar, C. V. and Xu, L., "Design and finite-element analysis of an outer-rotor permanent-magnet generator for directly coupled wind turbines", IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 36, No. 5, pp. 3802-3809, September 2000. [4] Polinder, H., Pijl, F., Vilder, G. and Tavner, P., "Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines", IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 23, No. 3, pp. 725-733, September 2006. [5] Potgieter, J. H. J. and Kamper, M. J., "Torque and voltage quality in design optimization of low-cost non-overlap single layer winding permanent magnet wind generator", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 59, No. 5, pp. 2147-2156, May 2012. [6] Lee, S., Kim, Y., Lee, K. and Kim, S., "Multiobjective optimization design of small-scale wind power generator with outer rotor based on box–behnken design", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 26, No. 4, pp. 605-609, Jun. 2016. [7] McDonald A. and Bhuiyan, N., "On the optimization of generators for offshore direct drive wind turbines", IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 32, No. 1, pp. 348-358, March 2017. [8] Öztürk, N., Dalcal, A., Çelik E. and Sakar, S., "Cogging Torque Reduction by Optimal Design of PM Synchronous Generator for Wind Turbines", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 28, pp. 17593-17600, Jul. 2017. [9] Puri, V., Chauhan, Y. K. and Singh, N., "A comparative design study and analysis of inner and outer rotor permanent magnet synchronous machine for power generation in vertical axis wind turbine using GSA and GSA-PSO", Sustainable Energy Technologies and Assessments, Vol. 23, pp. 136-148, October 2017. [10] Bazzo, T. P. M., Kolzer, J. F., Carlson, R., Wurtz, F. and Gerbaud, L., "Multiphysics design optimization of a permanent magnet synchronous generator", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 64, No. 12, pp. 9815 - 9823, December 2017. [11] Yizhou, H., Huangqiu. Z. and Ying X., "Multi-Objective optimization design of bearingless permanent magnet synchronous generator", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 30, No. 4, June 2020. [12] Hua, Y., Zhu, H., Lee, K. and Xu, Y., "Multi-Objective optimization design of bearingless permanent magnet synchronous generator", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 30, No. 4, 5201250, Jan. 2020. [13] Prashanth, N. A., "Flux maximization in wind turbine permanent magnet synchronous generator made of ndfeb permanent magnets", Materials Today: Proceedings, Vol. 42, No. 28, pp. 731-737, May. 2021. [14] Gieras, J. F., "Permanent magnet motor technology, design and applications", 3rd edition. New York: CRC Press. [15] Tapia, J., Pyrhönen, J., Puranen, J., Lindh, P. and Nyman, S., "Optimal design of large permanent magnet synchronous generators", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 49, No. 1, pp. 642-650, January 2013. [16] Khan, A. and Pillay, P., "Design of a PM wind, optimized for energy capture over a wide operating range", IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, pp. 1501-1506, May 2005. [17] Pyrhönen, J., Jokinen, T. and Hrabovcová, V., "Design of rotating electrical machines", 1st edition, U.K: Wiley, 2009. [18] Ahsanullah, K., Dutta, R. and Rahmam, M. F., "Analysis of low-speed ipmms with distributed and fractional slot concentrated windings for wind energy applications", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 53, No. 11, pp. 1-11, Nov. 2017. [19] Yokoi, Y., Higuchi, T. and Miyamoto, T., "General formulation of winding factor for fractional-slot concentrated winding design", IET Electric Power Applications, Vol. 10, No. 4, pp. 1-9, April 2016. [20] Bianchi, N., Bolognani, S. and Frare, P., "Design criteria for high-efficiency spm synchronous motors", IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 2, pp. 396-404, Jun. 2006. [21] Bazzo, T. P. M., Kolzer, J. F., Carlson R., Wurtz, F. and Gerbaud, L., "Multidisciplinary Design Optimization of direct-drive PMSG considering the site wind profile", Electric Power System Research, Vol. 141, pp. 467-475, Dec. 2016. [22] Pirkandi J., Mashhadi, M. and Nosratelahi, M., "Simulation and analysis of wind turbine configurations in wind farm by using CFD", Energy Engineering & Management, Vol. 5, No. 4, pp. 50-61, 2016. [23] Atashgar, K. and Abbassi, L., "Wind turbine power curve modeling using parametric approach", Energy Engineering & Management, Vol. 10, No, 3, pp. 70-77, 2020.