BEZŻŁOBKOWY 1-FAZOWY GENERATOR MAŁEJ MOCY O STRUMIENIU OSIOWYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/214 (14) 9 Adrian Młot *, Mariusz Korkosz **, Marian Łukaniszyn * * Politechnika Opolska ** Politechnika Rzeszowska BEZŻŁOBKOWY 1-FAZOWY GENERATOR MAŁEJ MOCY O STRUMIENIU OSIOWYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI 1-PHASE SLOTLESS AXIAL FLUX GENERATOR WITH PERMANENT MAGNETS FOR SMALL-SCALE Streszczenie: Przedmiotem badań w niniejszym artykule jest prototyp generatora tarczowego, przewidzianego do zastosowania w małej elektrowni wiatrowej. Przedstawiono pomiary i obliczenia numeryczne ważniejszych parametrów funkcjonalnych takich jak: sprawność, moc wyjściowa, moment elektromagnetyczny i siłę magnetyczną wywieraną w kierunku osiowym na wirnik generatora tarczowego o strumieniu osiowym, z magnesami ferrytowymi. Zbudowany prototyp generatorów o 4 biegunach stojana i wirnika posiada jednofazowe uzwojenie bezżłobkowe. W badanym generatorze zastosowano magnesy trwałe o przekroju prostokątnym oraz cewki owalne. Zasadniczym parametrem generatora jest napięcie rotacji, które powinno być wystarczająco wysokie do naładowania określonej liczby akumulatorów. Do obliczeń pola magnetycznego zastosowano metodę trójwymiarową (3-D) bazujący na metodzie elementów skończonych (MES). Abstract: The design and development of an axial-flux ferrite magnet slotless generator for use a small-scale wind turbine is described. The 4/4-pole and one-phase machine is designed for simplicity and ease of manufacture and consist one slotless stator disc. The generator produces approx. 12W at 1rpm with electrical efficiency up to 46%. Because the efficiency of the machine is important, the power curve characteristics and voltage produces by generator are investigated. Finally, the finite element results are compared with measurements on a prototype. The calculated values coincide very well with the experimental results. Słowa kluczowe: generatory jednofazowe ze strumieniem osiowym, małe turbiny wiatrowe, sprawność Keywords: one-phase axial-flux machine, ferrite magnet generator, wind turbine application, efficiency 1. Wstęp Maszyny elektryczne o strumieniu osiowym są bardzo chętnie stosowane w aplikacjach w których wymagane jest ograniczenie długości przy relatywnie dużej wartości średnicy zewnętrznej. Tego typu maszyny są coraz częściej stosowane jako generatory w bardzo małych elektrowniach wiatrowych [1-7, 11], czy też jako napęd elektryczny pojazdu umieszczany w kołach. Jedną z potencjalnych konstrukcji, którą można z powodzeniem zastosować w tego typu aplikacjach, jest maszyna tarczowa (ang. axial-flux machine). Maszyny te są wykonywane w różnych konfiguracjach i o różnej geometrii [8-1, 12, 14-17]. W najprostszym przypadku dla pracy generatorowej maszyny ilość faz można ograniczyć do jednej. Sam wirnik może być umieszczony pomiędzy stojanami lub stanowić zewnętrzną część maszyny. Tak jak w przypadku maszyny o strumieniu promieniowym magnesy trwałe mogą mieć różne kształty oraz różnie mogą być montowane (na powierzchni, zagłębione, itp.). W maszynach tarczowych stojan najczęściej wykonuje się jako bezżłobkowy w którym uzwojenia są montowane powierzchniowo na jarzmie stojana. Istnieją też rozwiązania bezrdzeniowe w których uzwojenia są zalewane żywicą. Potencjalne osiągi maszyny będą zależeć od uzyskania pożądanych parametrów funkcjonalnych generatora takich jak napięcie indukowane, moc wyjściowa czy też sprawność [8-1, 12, 14-17]. Jednym z elementów składowych maszyny tarczowej, który w sposób istotny wpływa na wypadkowy koszt wytworzenia generatora jest magnes trwały [19]. Przy stosowaniu np. magnesów trwałych wytworzonych z pierwiastków ziem rzadkich należy brać pod uwagę możliwie maksymalne ograniczanie ich rozmiarów, przy utrzymaniu na odpowiednim poziomie parametrów funkcjonalnych projektowanego generatora [21]. Z uwagi na szeroki zakres możliwości konfiguracji generatora tarczowego,

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/214 (14) w niniejszej pracy ograniczono się tylko do wybranej konstrukcji generatora tarczowego o konfiguracji 4/4. Dla analizowanej konstrukcji generatora tarczowego 4/4 o magnesach prostokątnych przeprowadzono badania symulacyjne. Na bazie obliczeń symulacyjnych został wyznaczony moment elektromagnetyczny, napięcie indukowane oraz moc na wyjściu maszyny. Wybrane wyniki obliczeń symulacyjnych zostały porównane z wynikami badań laboratoryjnych. 2. Analizowana konstrukcja maszyny tarczowej z magnesami trwałymi Na rysunku 1 pokazano rozebrany prototyp maszyny tarczowej 4/4 z uzwojeniami owalnymi i magnesami prostokątnymi. Na stojanie przewidziano zastosowanie 1-fazowego uzwojenia naklejonego na pakietowane jarzmo stojana. Owalne cewki uzwojenia stojana połączono szeregowo. Dla zapewnienia odpowiedniej sztywności uzwojeń, zostały one zalane włóknem szklanym nasyconym żywicą o właściwościach paramagnetycznych. Zastosowane uzwojenia są uzwojeniami skupionymi, które charakteryzują się stosunkowo krótkimi połączeniami czołowymi. Dzięki temu ogranicza się zużycie miedzi (mniejsze koszty) oraz ogranicza straty mocy w miedzi a tym samym zmniejsza przyrost temperatury maszyny. Rys. 1. Badany prototyp generatora tarczowego wraz ze stanowiskiem badawczym Na wirniku, wykonanym z tarczy stalowej, zastosowano naklejane na jarzmo wirnika magnesy prostokątne. Rozmieszczenie magnesów badanego prototypu generatora tarczowego widoczne jest na rysunku 1. Przekrój osiowy generatora pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Przekrój osiowy badanego prototypu W tabeli 1 zamieszczono ważniejsze parametry badanego prototypu. Tabela 1. Parametry badanego prototypu Parametry generatora Rodzaj magnesu ferryt Grubość magnesu (d m) 12,5mm Wysokość magnesu (w m) 35mm Szerokość magnesu (l m) 45mm Indukcja remanentu magnesu (B r),4t Promień zewnętrzny wirnika(r Rout) 69,2mm Promień wewnętrzny wirnika (R Rin) 17,2mm Grubość tarczy wirnika (d r) 2,5mm Promień zewnętrzny stojana (R Sout) 58mm Promień wewnętrzny stojana (R Sin) 34mm Grubość tarczy stojana (d s) 7mm Liczba zwojów w jednej cewce (n t) 5 Liczba biegunów wirnika i stojana 4/4 Grubość cewki (d c ) 7mm Szczelina powietrzna (δ) 1,5mm Rezystancja uzwojenia (połączenie szeregowe) 78,6 Ω W przypadku maszyn tarczowych, stosunek średnicy wewnętrznej do zewnętrznej rdzenia stojana powinien mieścić się w przedziale,5-,6 [13, 18]. W badanym prototypie zastosowano współczynnik równy,59.

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/214 (14) 11 Warunki pracy generatora będą zależne od prędkości wiatru [5]. Wzrost prędkości wiatru powoduje nie tylko wzrost mocy wyjściowej badanego generatora. Wzrasta również moment elektromagnetyczny oraz siły osiowe przenoszone przez łożyska. Dlatego w badanym generatorze zastosowano łożyska toczne przystosowane do przenoszenia sił promieniowych i osiowych. 3. Model numeryczny Model numeryczny generatora został zbudowany w programie służącym do wyznaczania rozkładu pola magnetycznego na bazie metody elementów skończonych 3-D [2]. Na rysunku 3 pokazano widok przestrzenny rozmieszczenia uzwojeń i magnesów w rozpatrywanym generatorze tarczowym. Ze względu na symetryczną geometryczną strukturę, analizę pola magnetycznego wykonano dla modeli matematycznych z ograniczonym obszarem obliczeniowym równym jednej podziałce biegunowej wirnika (rys.3). Poprzez zmianę wartości rezystancji R obc w warunkach symulacyjnych czy też laboratoryjnych możliwe jest obciążanie generatora określoną wartością prądu. Na rysunku 5 pokazano wybrany rozkład gęstości strumienia magnetycznego dla wybranego punktu pracy generatora. Duże nasycenie pola magnetycznego można zoobserwować w rdzeniu wirnika. Maksymalna wartość indukcji magnetycznej odczytana z obwodu magnetycznego generatora nie przekraczała 1.53T. Rys. 5. Przykładowy rozkład gęstości strumienia magnetycznego dla wybranego punktu pracy badanego generatora tarczowego Rys. 3. Widok przestrzenny rozmieszczenia uzwojeń i magnesów w generatorze tarczowym Do wyznaczania charakterystyki zewnętrznej generatora zastosowano model polowoobwodowy. Schemat elektryczny modelu polowo-obwodowego pokazano na rysunku 4. Uzwojenie i ph V1 D1 V3 D3 V2 D2 V4 D4 R obc Rys. 4. Obwód elektryczny do wyznaczenia prądów oraz napięć na obciążeniu rezystancyjnym 4. Wybrane wyniki badań numerycznych i laboratoryjnych Na bazie modelu symulacyjnego polowoobwodowego przeprowadzono obliczenia numeryczne. W warunkach symulacyjnych testowano pracę badanego generatora tarczowego od stanu jałowego do stanu zwarcia (R obc =1mΩ). Jednocześnie w warunkach badań symulacyjnych zakładano stałą prędkość pracy generatora. W warunkach laboratoryjnych zostały przeprowadzone badania praktyczne. Badany generator został napędzony silnikiem prądu stałego. Stanowisko było wyposażone w bezpośredni pomiar momentu. Fragment stanowiska badawczego został pokazany na rysunku 1. W trakcie wyznaczania charakterystyk zewnętrznych badanego generatora utrzymywano zadane wartości prędkości obrotowej. W pierwszym etapie badań symulacyjnych wyznaczona moment na wale generatora pracującego w stanie zwarcia. Obliczenia przeprowadzono dla prędkości obrotowej

12 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/214 (14) n=1 obr/min. W warunkach laboratoryjnych przeprowadzono identyczne badania. Wyniki badań zostały również umieszczone na rysunku 6, w postaci punktów. Widoczna jest 3.5% zbieżność pomiędzy wynikami badań numerycznych a laboratoryjnych. Wytwarzany moment hamujący nie przekracza wartości,6 Nm, dla prądu zwarciowego równego =,75A (rys. 6). Prostoliniowa charakterystyka momentu hamującego od prądu obciążenia świadczy o stałym strumieniu w szczelinie powietrznej badanego generatora tarczowego. T [Nm].6.5.4.3.2.1 Obliczenia Pomiary.2.4.6.8 Rys. 6. Średni moment na wale generatora T w funkcji prądu, dla prędkości 1obr/min Wyznaczoną moc wyjściową P out badanego generatora tarczowego z zależności Pout = U DC I DC w funkcji prądu obciążenia dla kilku wybranych prędkości obrotowych pokazano na rysunku 7. Na tym samym rysunku pokazano zarówno wyniki badań numerycznych jaki i symulacyjnych. Obliczona moc wyjściowa badanego prototypu nie przekraczała 12,1W (częstotliwość elektryczna f e =33,33Hz), dla prędkości n=1obr/min. P out [W] 14 12 1 8 6 4 2 5 obr/min 25 obr/min 1 obr/min 75 obr/min Obliczenia Pomiary.1.2.3.4.5.6.7.8 Rys. 7. Moc wyjściowa generatora P out w funkcji prądu, dla różnych prędkości obrotowych Zarówno w przypadku badań symulacyjnych jak i laboratoryjnych, dla każdej prędkości obrotowej można określić taką wartość prądu obciążenia generatora, przy której występuje maksimum mocy wyjściowej P out. Dalsze obciążanie generatora skutkuje zmniejszaniem się mocy wyjściowej generatora. Na rysunku 8 pokazano zależność wartości napięcia na wyjściu układu prostownikowego U DC w funkcji prądu obciążenia dla kilku prędkości obrotowych n=const. U DC [V] 7 6 5 4 3 2 1 5 obr/min 25 obr/min 1obr/min 75 obr/min Obliczenia Pomiary.1.2.3.4.5.6.7.8 Rys. 8. Wartość średnia napięcia U DC w funkcji prądu na obciążeniu rezystancyjnym, dla różnych prędkości obrotowych Jak można zauważyć na podstawie rysunku 8 sztywność charakterystyk zewnętrznych badanego generatora jest bardzo mała. Jest to jednak bardzo mały generator o relatywnie bardzo dużej rezystancji uzwojenia (R ph =78,6 Ω). Przy tak dużej rezystancji uzwojenia nie można uzyskać zadawalającej sztywności charakterystyki zewnętrznej. Na podstawie obliczonej mocy wyjściowej (P out ) oraz mocy wejściowej (P in ) wyznaczono sprawność ogólną Pout η = 1% (1) P in badanego generatora, której wartość maksymalna dla n=1obr/min wynosiła η=45%, dla badanej konstrukcji. Zależność sprawności ogólnej η generatora w funkcji prądu obciążenia pokazano na rysunku 9, dla kilku prędkości obrotowych.

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/214 (14) 13 η [%] 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 25 [obr/min] 5 [obr/min].1.2.3.4.5.6.7.8 75 [obr/min] 1 [obr/min] Rys. 9. Sprawność ogólna η generatora w funkcji prądu, dla różnych prędkości obrotowych Moc wejściową P in obliczono jako sumę mocy mechanicznej mocy na wale generatora P mech =T ω (iloczyn średniej wartości momentu elektromagnetycznego i prędkości kątowej - ω) oraz strat mechanicznych P mech (zależne od prędkości obrotowej). W obliczeniach uwzględniono straty w układzie prostowniczym oraz straty w miedzi. Z uwagi na stosunkowo niewielką wartość częstotliwości elektrycznej f e w obliczeniach numerycznych pominięto straty w rdzeniu generatora. W badanym przypadku ich pominięcie ma marginalny wpływ na wynik końcowy obliczeń numerycznych. Analizując charakterystyki sprawności ogólnej badanego generatora można zauważyć, że występują wyraźnie określone maksima sprawności dla każdej prędkości obrotowej. Należy zauważyć, że maksima wartości maksymalnej mocy wyjściowej P out i sprawności ogólnej występują przy praktycznie tej samej wartości prądu obciążenia. Jak można zauważyć występuje pewna rozbieżność pomiędzy wynikami obliczeń numerycznych a laboratoryjnych. W warunkach laboratoryjnych uzyskano mniejszą wartość mocy wyjściowej przy prędkości n=1 obr/min. Zaistniałe rozbieżności pomiędzy pomiarami i obliczeniami są wynikiem błędu dyskretyzacji elementami skończonymi w modelach numerycznych generatorów, uproszczonego modelu układu prostownikowego, przybliżonym odzwierciedleniem strat mechanicznych w modelu numerycznym oraz niepewności pomiarowej zastosowanej aparatury pomiarowej w badaniach laboratoryjnych. 5. Wnioski W artykule przedstawiono i omówiono prototyp generatora tarczowego małej mocy z magnesami ferrytowymi. W badanym prototypie, ukierunkowanym na redukcję kosztów wykonania, zastosowano magnesy ferrytowe o przekroju prostokątnym oraz uzwojenia owalne zamontowane na pakietowanym jarzmie stojana. Prototyp generatora jest bardzo łatwy do wykonania praktycznego w warunkach warsztatowych. Jest to jego niewątpliwie duża zaleta. Uzyskane wyniki badań numerycznych i laboratoryjnych sugerują, że badana konstrukcja 4/4 charakteryzuje się bardzo dużą zmiennością napięcia wyjściowego, przy jednocześnie niewielkiej wartości mocy wyjściowej. Maksymalna sprawność ogólna generatora przy prędkości 1 obr/min nie przekracza 45%. Uzyskane wyniki badań symulacyjnych i laboratoryjnych sugerują szukanie innych rozwiązań maszyn o strumieniu osiowym np. pod kątem zwiększenia sprawności generatora. Jednym z nich może być zwiększenie ilości biegunów wirnika oraz zmiana kształtu magnesu trwałego. 6. Literatura [1]. Parviainen A., Pyrhonen J., Kontkanen P.: Axial flux PM generator with concentrated winding for small wind power applications. Electric Machines and Drives, IEEE, 25, pp. 1187-1191 [2]. Vansompel H., Sergeant P., Dupre L.: Optimized design considering the mass influence of an axial flux permanent-magnet synchronous generator with concentrated pole windings. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, No. 12, December 21, pp. 411-417 [3]. Khan M.A., Pillay P., Batane N.R., Morrison D.J.: Prototyping a composite SMC/steel axial-flux PM wind generator. Industry Applications Conference, 41 st IAS Annual Meeting, IEEE, Vol. 5, October 26, pp. 2374-2381 [4]. Hsieh Min-Fu., Dorrell D.G., Ekram S.: Cogging torque reduction in axial flux machines for small wind turbines. Industrial Electronics, 35 th Annual Conference, IEEE, November 29, pp. 4435-4439 [5]. Ani S.O., Polinder H., FerreiraJ. A.: Energy yield of two generator system for small wind turbine application. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC, May 211, pp. 735-74 [6]. Louie H.: Experiences in the construction of open source low technology off-grid wind turbines.

14 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/214 (14) Power and Energy Society General Meeting, IEEE, July 211, pp. 1-7 [7]. Andriollo M., Bertoli M., Martinelli G., Morini A., Torella A.: Permanent magnet axial flux disc generator for small wind turbines. Electrical Machines, ICEM, IEEE, September 28, pp. 1-6 [8]. Gerlando A., Foglia G., Iacchetti M., Perini R.: Axial flux PM machines with concentrated armature windings: Design analysis and test validation of wind energy generators. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 9, September 211, pp. 3795-385 [9]. Yicheng C., Pragasen P.: Axial-flux PM wind generator with a soft magnetic composite core. Industry Applications Conference, Fourtieth IAS Annual Meeting, IEEE, Vol. 1, October 25, pp. 231-237 [1]. Javadi S., Mirsalim M.: Design and analysis of 42-V coreless axial-flux permanent magnet generators for automotive applications. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, No. 4, April 21, pp. 115-123 [11]. Bumby J.R., Stannard N., Dominy J., McLeod N.: A permanent magnet generator for small scale wind and water turbines. Electrical Machines, IEEE, September 28, pp. 1-6 [12]. Mendrela E., Moch J., Paduch P.: Właściwości elektromechaniczne bezszczotkowego silnika tarczowego prądu stałego. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej,Nr 5, Studia i Materiały Nr 22, 2, s.189-198 [13]. Glinka T., Wolnik T., Król E.: Silnik tarczowy z wirnikiem wewnętrznym obliczenia obwodu elektromagnetycznego.zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 92, 211, s.23-28 [14]. Glinka T., Król E., Wolnik T.: Model polowy bezrdzeniowej maszyny tarczowej. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 86, 21, s.187-19 [15]. Glinka T., Tomaszkiewicz W.: Silniki tarczowe. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 8, 28, s.232-237 [16]. Glinka T., Jakubiec M.: Rozwiązania silników tarczowych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 77, 27, s.243-249 [17]. Glinka T., Król E., Białas A., Wolnik T.: Silniki tarczowe z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 87, 21, s.63-68 [18]. Cierzniewski P.: Bezrdzeniowy silnik tarczowy z magnesami trwałymi.. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 77, 27, s.161-166 [19]. Hosseini S.M., Agha-Mirsalim M., Mizaei M.: Design, prototyping and analysis of a low-cost disk permanent magnet generator with rectangular flatshaped magnets. Iranian Journal of Science and Technology, Transaction B, Engineering, No. B3, 28, pp. 191-23 [2]. Flux 11.1Documentation, 212, Cedrat Group [21]. Giangrande P., Cupertino F., Pellegrino G., Ronchetto D., Gerada C., Sumner M.: Analysis of two-part rotor, axial flux permanent magnet machines. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), IEEE, 17-22 September 211, pp.1576-1581 Autorzy Dr inż. Adrian Młot, Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole, (77)44988, a.mlot@po.opole.pl Dr inż. Mariusz Korkosz, Politechnika Rzeszowska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, (17)8651277, mkosz@prz.edu.pl Prof. dr hab. inż. Marian Łukaniszyn, Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole, (77)44987, m.lukaniszyn@po.opole.pl