GENERADOR DE FLUJO AXIAL ESTATÓRICO PERMANENTES

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1 GENERADOR DE FLUJO AXIAL ESTATÓRICO DE IMANES PERMANENTES Autor: María Ibáñez Martín Director: Juan Antonio Talavera Entidad Colaboradora: ICAI- Universidad Pontifica Comillas RESUMEN DEL PROYECTO El objetivo del presente proyecto es el diseño y estudio de la viabilidad de un generador de imanes permanentes de flujo axial en el estator para aerogeneradores en parques eólicos offshores, que tienen la ventaja de trabajar en unas condiciones mejores que los onshores, al poder aprovechar mejor el viento debido a que en el mar existe menos fricción que en la tierra. Se ha decidido realizar el estudio prescindiendo de multiplicadora, de modo que el generador irá directamente unido al eje que acciona las palas. Esta máquina funcionará a una velocidad muy lenta, así como a un par muy elevado. El hecho de que gire a una velocidad lenta trae consigo menor esfuerzo y desgaste a lo largo de la vida útil del aerogenerador. Por otra parte, al prescindir de esta serie de engranajes, se reducirán considerablemente las averías y el número de operaciones de mantenimiento. Las especificaciones dadas para realizar este diseño son las continuación: que se muestran a Potencia nominal de 5 MW Velocidad nominal de 10 rpm Frecuencia de 50 Hz De entre los posibles generadores que pueden formar parte de un aerogenerador: generador síncrono, asíncrono y de imanes permanentes, se ha elegido diseñar este último ya que una de las ventajas que posee reside en la forma de generar el campo inductor: la excitación se realiza a través de imanes permanentes, evitando de esta manera tener que acceder al rotor mediantes escobillas, que crean problemas de mantenimiento

2 Dentro de este tipo de generadores, se encuentran los de imanes permanentes de tipo radial, axial en el rotor y axial en el estator. El diseño de este último tipo es el que se va a realizar en este proyecto, concretamente el que tiene una configuración de rotor dentado. Este generador es el más complicado en cuanto a diseño de ente las 3 posibilidades, así como el que más se aleja del concepto clásico del generador eléctrico. A diferencia de las máquinas convencionales, este generador está compuesto por un rotor situado externamente y un estator que se encuentra en el interior. El generador de imanes permanentes de flujo axial en el estator, como su propio nombre indica, tiene un flujo en el estator en dirección axial. También es conocido como generador de flujo transversal, por ser de este tipo la dirección del flujo que tiene en el rotor. La inducción se produce en un devanado circular en torno a un eje, que circula por el interior de una pieza estatórica en forma de U. Es precisamente el devanado una ventaja muy importante de este diseño con respecto a los demás, ya que es mucho más sencillo al ser de forma circular y, además, se necesita menos cantidad de cobre, por lo que las pérdidas del cobre serán pequeñas con respecto a las de los otros generadores, así como el coste de éste. El diseño se ha realizado considerando que se puede configurar como 3 monofásicas acopladas a un mismo eje, dando lugar a una trifásica. En este proyecto se va a realizar el diseño de cada una de las monofásicas por separado. Bastará con construir una, y las otras dos serán iguales. Para conseguir las dimensiones del generador se ha llevado a cabo un proceso iterativo, mediantee el cual se han tenido que ir variando estass dimensiones hasta conseguir un par tan elevado como el requerido (que se obtiene a través de las especificaciones). Este proceso iterativo se ha realizado con el programa matemático DERIVE. Finalmente, una vez que se ha obtenido el diseño, se ha procedido a implantarlo en la herramienta de diseño en 3 dimensiones CATIA

3 Los valores obtenidos son los siguientes: Potencia 5MW Diámetro 9.5m Par KN*m Longitud 3.51m Pares de polos 300 Masa total Kg Al calcular el rendimiento del generador, se ha obtenido un valor de % También se ha obtenido el presupuesto de éste, que asciende a un valor de Analizando los resultados obtenidos, se puede concluir que este diseño es viable, ya que, a pesar de no obtener unos valores demasiado buenos para un generador, se trata de unos valores muy aceptables para un primer diseño. A este diseño habría que añadirle fases de optimización. Tras estas fases se obtendrán mejores resultados. A continuación se muestra cómo quedaría el generador construido. Figura 1: Generador Figura 2: Zoom de la vista frontal - 3 -

4 PERMANENT MAGNETS AXIAL FLUX STATORIC GENERATOR Author: María Ibáñez Martín Director: Juan Antonio Talavera Supporting entity: ICAI- Universidad Pontificia Comillas PROJECT SUMMARY The aim of this project is designing and studying the viability of a Permanent magnets Axial Flux statoric generator for wind generators located on offshore wind farm, these fields have the advantage of working better than the onshore wind farms, for having the capability of taking advantage of the wind due to the friction is minor than on other surface. It has been decided to perform the study without considering the gearbox, this implies that the generator is directly coupled to the rotor that is moved by the blades. This machine will work at very slow speed, that implies a very high torque. The fact of rotating at very slow speed implies less force and less wearing out that could reduce the lifetime. Besides these advantages, the maintenance operations will be reduced, the time between maintenance operations will be longer and the breakdowns will be reduced. The main parameters for the design of this project are the following: - Nominal power: 5 MW - Nominal speed: 10 rpm - Frequency: 50 Hz For the design of the model we had some families of generators: Synchronous, Induction generator and permanent magnet. For this project we have chosen the permanent magnet motor, the main reason of this choice is thatt the magnetic field generation is done through permanent magnets, avoiding brushes that cause maintenance problems

5 Within this family of generators, there are some kinds of generators: Radial flux permanent magnet generator, Axial rotor flux permanent magnet generator and Axial stator flux permanent magnet generator. The kind that has been chosen for this project is the Axial stator flux permanent magnet generatorr with teethed rotor. This kind of generator is the most complicated regarding the design between the other 2 possibilities, apart from being completely different from the electric generator concept. The main difference comparing it with the conventional machines is that the rotor is rotating externally around the stator. The Axial stator flux permanent magnet generator has a flux created by the stator in axial direction. This machine is also known as the transversal flux generator, due to the direction of the flux in the rotor. The induction is produced in the circular winding around the shaft, and it flows through the interior of a stator s piece with U shape. The winding is a very important advantage of this design comparing it with the other families and the other kind of permanent magnet generators, and besides, it needs less copper and it implies less copper losses comparing them with the other 2 generators, as well as the cost of the quantity of copper. The design has been done considering that the 3 phases can be coupled to the same rotor, involving 3 phases. This project is aimed of developing the design of every phase separately, the other 2 will remain the same as the one built. In order to get the feasible dimensions of the generator, an iterative process was carried out, with this method the dimensions of the generator were modified until the torque complies with the requirements (stated in the specifications). This iterative process has been carried out by the mathematic software DERIVE. Finally, and once the design was developed, It has been introduced in the 3D design tool CATIA

6 These are the values obtained: Power 5MW Diameter 9.5m Torque KN*m Length 3.51m Pair Poles 300 Weight Kg To calculate the efficiency of the generator, a value of % has been obtained. The estimated price for this generator is Examining the obtained data, we can conclude this design is feasible, despite data got from the design are not so good for a generator, these values are very acceptable for the first design. This design could be optimized with future and further modifications. Find below some pictures showing the generator model built. Figure 3: Generator Figure 4: Zoom - 6 -