Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques

Projecte de anàlisis de grups de
recerca de màquines elèctriques
per a generadors elèctrics en
molins de vent. (II)
Titulación: Ingeniería Técnica Industrial en Electricidad.
AUTOR: Luis Bel Cuartielles.
DIRECTOR: Lluís Massagués Vidal.
FECHA: Septiembre del 2012.
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................... 3
2. OBJETO. ................................................................................................................... 7
3. CLASIFICACIÓN POR PAIS DE PROCEDENCIA. .......................................... 8
3.1. INGLATERRA. ..................................................................................................... 9
3.1.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. .................................................................. 9
3.1.2. ARTÍCULOS. ............................................................................................. 10
3.2. ITALIA. ................................................................................................................ 62
3.2.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. ................................................................ 62
3.2.2. ARTÍCULOS. ............................................................................................. 63
3.3. GRECIA. .............................................................................................................. 81
3.3.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. ................................................................ 81
3.3.2. ARTÍCULOS. ............................................................................................. 82
3.4. ALEMANIA. ........................................................................................................ 88
3.4.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. ................................................................ 88
3.4.2. ARTÍCULOS. ............................................................................................. 89
3.5. BÉLGICA. ............................................................................................................ 97
3.5.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. ................................................................ 97
3.5.2. ARTÍCULOS. ............................................................................................. 98
3.6. DINAMARCA.................................................................................................... 102
3.6.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. .............................................................. 102
3.6.2. ARTÍCULOS. ........................................................................................... 103
3.7. ESPAÑA. ............................................................................................................ 107
3.7.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. .............................................................. 107
3.7.2. ARTÍCULOS. ........................................................................................... 108
3.8. FINLANDIA. ..................................................................................................... 112
3.8.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. .............................................................. 112
3.8.2. ARTÍCULOS. ........................................................................................... 113
3.9. FRANCIA. .......................................................................................................... 117
3.9.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. .............................................................. 117
3.9.2. ARTÍCULOS. ........................................................................................... 118
3.10. HOLANDA. ...................................................................................................... 124
3.10.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. ............................................................ 124
3.10.2. ARTÍCULOS. ......................................................................................... 125
3.11. POLONIA. ....................................................................................................... 127
3.11.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. ............................................................ 127
3.11.2. ARTÍCULOS. ......................................................................................... 128
3.12. RUMANIA. ...................................................................................................... 130
3.12.1. MAPA DE UNIVERSIDADES. ............................................................ 130
3.12.2. ARTÍCULOS. ......................................................................................... 131
4. ARTICULOS POR UNIVERSIDAD. ................................................................. 135
4.1. INGLATERRA. ................................................................................................. 135
4.2. ITALIA. .............................................................................................................. 138
4.3. GRECIA. ............................................................................................................ 140
4.4. ALEMANIA. ...................................................................................................... 140
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elèctrics en molins de vent. (II)
4.5. BELGICA. .......................................................................................................... 141
4.6. DINAMARCA.................................................................................................... 141
4.7. ESPAÑA. ............................................................................................................ 142
4.8. FINLANDIA. ..................................................................................................... 142
4.9. FRANCIA. .......................................................................................................... 143
4.10. HOLANDA. ...................................................................................................... 144
4.11. POLONIA. ....................................................................................................... 144
4.12. RUMANIA. ...................................................................................................... 144
5. CONCLUSIONES. ............................................................................................... 146
6. REFERENCIAS. .................................................................................................. 150
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elèctrics en molins de vent. (II)
1. INTRODUCCIÓN.
Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el
viento (turbina eólica). Sus precedentes directos son los molinos de viento que se
empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía eólica, en
realidad es la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a
un rotor de hélices que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el
rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía
mecánica rotacional en energía eléctrica.
Existen diferentes tipos de aerogeneradores, dependiendo de su potencia, la
disposición de su eje de rotación, el tipo de generador, etc.
Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada
o agrupados en parques eólicos o plantas de generación
eólica, distanciados unos de otros, en función del
impacto ambiental y de las turbulencias generadas por
el movimiento de las palas.
Para
aportar
energía
a
la
red
eléctrica,
los
aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de
sincronización para que la frecuencia de la corriente
generada se mantenga perfectamente sincronizada con
la frecuencia de la red.
Figura 1.1. Parque eólico
La energía eólica se está volviendo más popular en la actualidad, al haber demostrado
su viabilidad industrial, y nació como búsqueda de una diversificación en el abanico
de generación eléctrica ante un crecimiento de la demanda y una situación geopolítica
cada vez más complicada en el ámbito de los combustibles tradicionales.
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elèctrics en molins de vent. (II)
Hasta ahora los generadores eólicos estaban formados principalmente por generadores
asíncronos ya que su peso es menor que los síncronos, pero en la actualidad se están
investigando y desarrollando generadores síncronos de imanes permanentes y
superconductores ya que aumentan las prestaciones de la máquina.
SUPERCONDUCTORES
Los superconductores son materiales capaces de permitir el paso de la corriente
eléctrica presentando una resistencia prácticamente nula. Cuando fluye corriente a
través de un superconductor, no se produce ninguna pérdida de energía eléctrica en
determinadas condiciones (bajas temperaturas).
Los superconductores de alta temperatura HTS fueron descubiertos en 1986 por Karl
Alexander Müller y Johannes Georg Bednorz. Este tipo de superconductores tiene una
temperatura crítica (temperatura límite por encima de la cual un gas miscible no puede
ser licuado por compresión) mayor que la temperatura de ebullición del nitrógeno
(77K).
Se utilizan para el transporte de la electricidad, los cuales se enfrían con nitrógeno
líquido para conseguir la propiedad de la superconductividad, lo que les permite tener
un precio asequible para proyectos industriales o de obras públicas y no únicamente en
proyectos de investigación.
En la actualidad los fabricantes de superconductores más importantes a nivel
internacional son:
-
Oxford Instruments.
-
BICC General superconductors.
-
ARSS Asociates.
-
Everson Electric C.O.
-
THEVA.
-
Southwire.
-
Daesung.
-
American Superconductor.
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elèctrics en molins de vent. (II)
IMANES
Los imanes son sustancias que tiene la propiedad de atraer al hierro y, en menor
medida, al níquel, el cobalto y a algunas aleaciones. Los imanes naturales son
conocidos y utilizados desde la antigüedad; el más común es la magnetita, formada por
óxido ferroso o férrico. Desde el siglo XII se fabrican imanes artificiales, poniendo en
contacto un material conductor con un campo magnético, por ejemplo, otro imán. El
conductor así imantado mantiene sus propiedades durante cierto tiempo, perdiéndolas
paulatinamente según un ritmo característico del material, llamado ciclo de histéresis.
Los imanes que no pierden sus propiedades magnéticas se denominan imanes
permanentes y son muy apreciados en la industria. En la actualidad, es posible
producir imanes de manera que mantengan sus propiedades durante un largo periodo
utilizando distintas aleaciones.
En las máquinas eléctricas se utilizan fundamentalmente los imanes permanentes. Se
distinguen los siguientes tipos: imanes de ferrita, de alnico y de tierras raras.
-
Los imanes de ferrita de Bario y Estroncio son componentes económicos y de
calidad, su temperatura de funcionamiento esta entre -40 y 250º C, tienen una
gran dureza pero son frágiles y pueden producir de 0.2 a 0.4 teslas. Este tipo de
imanes se están utilizando cada vez menos en las máquinas eléctricas debido a
su baja densidad de flujo que no permite alcanzar grandes rendimientos.
-
Los imanes de alnico es una aleación formada principalmente de cobalto,
aluminio y níquel. Antes del descubrimiento de los imanes de tierras raras, fue
el tipo más fuerte de imán ya que pueden producir de 0.6 a 1.4 tesla, y son
capaces de mantener su magnetismo útil hasta los 583º C.
-
Los imanes de tierras raras son los imanes conocidos más fuertes pero son
extremadamente quebradizos y también vulnerables a la corrosión, así que
usualmente son cubiertos con una capa de metal o de pintura para protegerlos
de romperse o astillarse. Existen dos tipos: de neodimio (de 1 a 1.4 teslas) y de
Samario-cobalto (de 0.9 a 1.15 teslas).
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elèctrics en molins de vent. (II)
En la industria de los aerogeneradores los imanes más utilizados por su gran fuerza y
por su coste cada vez más bajo son los de neodimio.
En la actualidad los fabricantes de imanes permanentes más importantes a nivel
internacional son:
-
IMA.
-
Calamit.
-
Supermagnet.
-
HKCM.
-
Grippo.
-
China rare earth permanent magnet C.O.
-
PMLINDIA.
-
Stanford magnets.
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2. OBJETO.
Este proyecto tiene como objeto la investigación, el análisis y la clasificación de
artículos de generadores eléctricos, diseñados para ser utilizados en la creación de
electricidad a partir de la energía eólica. Este estudio se centra en trabajos realizados
en Europa.
Se han estudiado y clasificado los artículos por el país de procedencia de los autores,
dependiendo de la universidad que proceden, año de publicación y por la constitución
de los prototipos (superconductores o imanes permanentes).
Para la búsqueda de información se ha utilizado el buscador “Knowledge” que es una
plataforma basada en tecnología Web que recoge las referencias de las principales
publicaciones científicas de cualquier disciplina del conocimiento. A la cual está
suscrita la universidad Rovira i Virgili y que ha permitido el acceso a dicho buscador
desde sus campus universitarios.
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3. CLASIFICACIÓN POR PAIS DE PROCEDENCIA.
PAISES ESTUDIADOS:
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3.1. INGLATERRA.
3.1.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
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elèctrics en molins de vent. (II)
3.1.2. ARTÍCULOS.
[1]
Título del artículo: AXIAL-FLUX PERMANENT-MAGNET AIR-CORED
GENERATOR FOR SMALL-SCALE WIND TURBINES.
Autores: J.R. Bumby (Universidad de Durham).
R. Martin (Universidad de Durham).
Palabras clave: Wind turbines, axial-flux, permanent magnet.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 5 de septiembre de 2005.
Resumen de contenidos:
El artículo se basa en el diseño y desarrollo de un generador de flujo axial de imanes
permanentes, sin núcleo para usarlo en pequeños
generadores de accionamiento directo con viento y
agua. El generador está diseñado para que sea
simple y fácil de fabricar; el rotor está formado por
dos discos, cada uno contiene imanes permanentes
que están situados alrededor de su periferia. El
estator está hecho de plástico y tiene una serie de
bobinas del inducido situadas alrededor de su
Figura 3.1.1. Concepto del
generador.
periferia.
Se ha diseñado y construido un prototipo de
generador trifásico con 16 imanes por disco del rotor, 12 bobinas del inducido (cuatro
por
fase) y un diámetro total de
495mm. El generador produce 1000
W a 300 rpm o 2000 W a 500 rpm
con una eficiencia eléctrica mucho
mayor del 90%. El generador se ha
Figura 3.1.2. Trayectorias del flujo.
llevado a cabo según el diseño.
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elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este documento se ha descrito el diseño y la construcción de un generador sin
núcleo de flujo axial. Aunque inicialmente se diseñó como un generador de
accionamiento directo para aerogeneradores
de pequeña potencia, se ha visto que tiene
aplicaciones en otras áreas de las energías
renovables donde se requiere un generador
de pequeña potencia y transmisión directa,
como por ejemplo en pequeñas turbinas
hidráulicas. El generador fue desarrollado
específicamente con un concepto facilidad
de fabricación y una serie de fabricantes de
turbinas
han
construido
o
Figura 3.1.3. Discos del rotor y del estator.
están
construyendo versiones de este generador,
lo cual confirma la facilidad de fabricación.
Una característica particularmente atractiva
del generador es que no tiene ningún par de
retención y por lo tanto no presenta
resistencia mecánica a la turbina. Esta es
una
característica
importante
ya
que
algunas turbinas eólicas de eje vertical
Figura 3.1. 4. Distribución de la densidad de
flujo del inducido.
tienen un bajo par de arranque. Como las pérdidas importantes son las causadas por el
efecto Joule en la armadura, se considera que la máquina
es eficaz ya que consigue una eficiencia eléctrica superior
al 90% para la mayoría del rango de operación. Se ha
construido un segundo generador como el del prototipo el
cual está funcionando como turbina eólica desde febrero de
2004.
Figura 3.1.5. Prototipo.
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elèctrics en molins de vent. (II)
[2]
Título del artículo: CONSTRUCTION OF A 100 KVA HIGH
TEMPERATURE SUPERCONDUCTING SYNCHRONOUS GENERATOR.
Autores: Maitham K. Al-mosawi (Universidad de Southampton).
C. Beduz (Universidad de Southampton).
Y. Yang (Universidad de Southampton).
Palabras clave: High temperature superconducting coils, rotating superconducting
machines, superconducting generators and motors, superconducting power machines.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 2 de junio de 2005.
Resumen de contenidos:
En este documento se realiza un informe sobre el diseño y construcción de un
generador de 100 kVA con superconductores de alta temperatura. Se ha construido con
éxito en la universidad de Southampton. El generador es una máquina síncrona
trifásica de 2 polos en el estator y un rotor HTS que está formado a partir de placas
apiladas de acero con el 9% de níquel. El
devanado del rotor opera en el rango de
temperaturas comprendidas entre 73 y 77 K.
La temperatura de funcionamiento es
relativamente alta, esto es posible gracias a
la utilización del núcleo metálico así como
los desviadores de flujo entre las bobinas.
Figura 3.1.6. Fotografía del generador
Estas bobinas se han fabricado y probado
con éxito en varios ciclos de enfriamiento. Estos proporcionan el apoyo mecánico
necesario, reduciendo al mínimo el consumo de calor en el núcleo del rotor. Las
bobinas generan una densidad de flujo en el entrehierro de 0,6 T a 77 K, mientras se
produce un campo magnético perpendicular de sólo 0.038 T en una cara de la cinta
superconductora.
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Conclusiones del artículo:
Se ha diseñado y construido con éxito un generador síncrono HTS de 100 kVA con
superconductores. Se ha demostrado su viabilidad a 77 K, abordando y resolviendo
una serie de problemas técnicos y estableciendo los principios de diseño para el futuro.
Estos problemas incluyen la elección del núcleo
magnético del rotor y el flujo de derivación así
como el material y la geometría de la máquina.
Para el funcionamiento a temperaturas cercanas al
punto de ebullición del nitrógeno líquido, que es
de gran importancia para reducir el componente de
campo
magnético
perpendicular
de
los
Figura 3.1.7. Bobinas HTS.
superconductores. Esto se logra en nuestro diseño
con el modelado y optimización de los anillos magnéticos entre las bobinas
superconductoras. Hemos diseñado, construido y probado con éxito tubos de fibra de
vidrio para proporcionar el soporte mecánico necesario y reducir el consumo de calor
en el espacio frío, lo cual es un logro importante para cualquier aplicación de potencia
en la rotación. Para garantizar un buen rendimiento de los componentes a largo plazo
se requiere mayor investigación.
Figura 3.1.8. Partes de los tubos de
torsión.
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elèctrics en molins de vent. (II)
[3]
Título del artículo: A HOMOPOLAR HTSG TOPOLOGY FOR LARGE
DIRECT-DRIVE WIND TURBINES.
Autores: Ozan Keysan (Universidad de Edinburgh).
Markus A. Mueller (Universidad de Edinburgh).
Palabras clave: Direct drive, homopolar generator, offshore wind energy,
superconducting generator, wind-power generation, wind turbine.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 5 de octubre de 2011.
Resumen de contenidos:
En la energía eólica, hay una tendencia hacia las turbinas eólicas más grandes. Al
aumentar la masa de la turbina también aumenta el costo de la instalación. Los
generadores
de
directo
con
pueden
reducir
accionamiento
superconductores
el
costo
de
instalación en las turbinas eólicas.
Para entrar con éxito al mercado de
la energía eólica con un generador
con
superconductores
de
alta
temperatura debe ser tan fiable
como
los
generadores
convencionales. Se propone que un
superconductor con devanado de
corriente continua de campo puede
aumentar
generador.
la
Se
fiabilidad
del
propone
un
generador homopolar de flujo axial
para ser utilizado a velocidades
bajas y alto par. La topología se
Figura 3.1.9. (a) estator y rotor de la máquina.
(b) Detalle del montaje.
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elèctrics en molins de vent. (II)
modifica por el uso de dos devanados de campo con superconductores para obtener
una densidad de flujo bipolar de distribución mayor. Fueron examinados diferentes
tipos de generadores para encontrar el diseño más adecuado, y se presenta un diseño
de un generador de 6 MW 12 r/min.
Conclusiones del artículo:
Este trabajo se ha dedicado a determinar los requisitos de un sistema HTSG para
grandes turbinas de energía eólica marina. Primero, se han comparado un gran número
de generadores de accionamiento directo en términos
de densidad de par. Con los mismos requisitos de par
los generadores HTSG generalmente tienen menor
masa, especialmente para aplicaciones que requieren
más de 3000 kN·m de esfuerzo de torsión. En
segundo lugar, se han definido las necesidades en el
arranque de las turbinas eólicas en alta mar. En
contraste con las primeras aplicaciones HTSG, donde
la eficiencia era el tema principal, ahora el énfasis
debe estar en la fiabilidad del generador. Para
responder a ello se han propuesto dos topologías
diferentes. El generador HTSG de flujo axial
homopolar tiene una estructura muy simple, con su
estructura de núcleo modular y devanado de campo
Figura 3.1.10. (a) Densidad de flujo
en la superficie lateral de la
máquina.
(b) Densidad de flujo en la máquina.
con superconductores estacionarios, pero tiene una
única distribución polar de flujo magnético, lo que reduce la magnitud de la tensión
inducida. La máquina de flujo axial bipolar puede alcanzar grandes variaciones de
densidad de flujo, por eso son necesarios dos devanados de superconductores de
campo separados. Para el tipo de núcleo que se ha propuesto en primer lugar, hay una
considerable cantidad de flujo de dispersión. Se ha demostrado que, mediante el uso
de diferentes tipos de núcleos, la cantidad de flujo de dispersión puede ser reducida y
la densidad de potencia puede ser aumentada. La composición óptima se aplica sobre
una turbina de 6 MW 12 r/min, y el generador resultante es de 134 t, incluyendo la
masa estructural, que corresponde a una relación m/T, de 28 kg/kN·m, que es
ligeramente más grande que un generador de imanes permanentes.
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elèctrics en molins de vent. (II)
[4] Título del artículo: A PERMANENT MAGNET GENERATOR FOR SMALL
SCALE WIND AND WATER TURBINES.
Autores: J.R. Bumby (Universidad de Durham).
N. Stannard (Empresa Zeph Renewable Technologies).
J. Dominy (Empresa Carbon Concepts, Derbyshire).
N. McLeod (Empresa Carbon Concepts, Derbyshire).
Palabras clave: Wind turbines, permanent magnet generator.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 9 de octubre de 2008.
Resumen de contenidos:
Este trabajo describe el diseño y desarrollo de un generador de flujo axial sin núcleo
de 5 kW, 150 rpm, para su uso como generador de accionamiento directo con el viento
y pequeñas turbinas de agua. El generador utiliza imanes de forma trapezoidal para
obtener una mayor longitud activa que la proporcionada por los imanes circulares. Las
bobinas del inducido tienen también forma
trapezoidal. Se ha probado un generador
prototipo y produce hasta 5000W a 150
rpm con una eficiencia eléctrica mucho
mayor del 90%. El generador lleva a cabo
según lo descrito en el proceso de diseño.
El documento también describe cómo se
puede usar el generador para controlar la
Figura 3.1.11. Generador montado de 2.5 KW.
velocidad de la turbina con fuertes vientos. Esto se logra mediante la introducción de
una carga adicional de resistencias de descarga a la salida eléctrica del generador. Si la
carga de las baterías se aplica y luego se libera, el generador se puede mantener dentro
de su límite de potencia nominal. Se modela una turbina eólica de eje vertical y un
generador de flujo axial para examinar el sistema de control de velocidad. La
simulación se ha verificado con una prueba práctica.
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elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Este artículo ha descrito el diseño y la construcción de una máquina de flujo axial sin
núcleo con imanes trapezoidales y bobinas. El uso de la forma trapezoidal en lugar de
una forma circular permite que el área activa del
generador pueda desvincularse de su
diámetro,
permitiendo construir una máquina más compacta. Se
ha diseñado y desarrollado una hoja de cálculo y se ha
comprobado que da buenos pronósticos de rendimiento.
Este tipo de generador síncrono de imanes permanentes
se puede utilizar para controlar la velocidad de la
turbina mediante la introducción de una carga para
detener la turbina al acercarse la velocidad nominal.
Una simulación ha demostrado que el sistema puede
controlar una turbina con viento racheado y turbulento.
Sin
embargo,
el
generador
debe
estar
bien
dimensionado para soportar la carga adicional por lo
que es ligeramente más grande que lo que debería ser.
Figura 3.1.12. Estator y rotor
del generador.
Figura 3.1.13. Configuración general del generador.
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elèctrics en molins de vent. (II)
[5]
Título del artículo: A COMPACT, HIGH EFFICIENCY CONTRA-
ROTATING GENERATOR SUITABLE FOR WIND TURBINES IN THE URBAN
ENVIRONMENT.
Autores: J.K. Booker (Universidad de Bristol).
P.H. Mellor (Universidad de Bristol).
R. Wrobel (Universidad de Bristol).
D. Drury (Universidad de Bristol).
Palabras clave: Permanent magnet generator, contra-rotating, wind turbine, urban
environment.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 2 de marzo de 2010.
Resumen de contenidos:
Este documento presenta las pruebas de diseño, desarrollo y rendimiento de un
generador con imanes permanentes para turbinas eólicas en zonas urbanas. Los
devanados radiales interactúan con la armadura y los imanes que forman el disco,
producen una contra-rotación de los rotores, lo que
consigue un alto par y una gran eficiencia. Esta
topología también ofrece mejores características
físicas y mecánicas, tales como tamaño compacto,
bajo par de arranque, eliminación de cajas de
cambios, bajo mantenimiento, bajo nivel de ruido y
vibraciones, y posibilita la construcción modular. El
diseño ha requerido un prototipo de generador de
50 kW nominales, con una velocidad de 500 rpm.
Un banco de pruebas se ha instrumentado para dar
Figura 3.1.14. Prototipo.
mediciones de la energía mecánica (par y velocidad) y de la producción eléctrica
(voltaje, corriente y potencia) del generador, así como lecturas de la temperatura en el
interior del generador mediante un dispositivo de telemetría inalámbrico. La potencia
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elèctrics en molins de vent. (II)
pico se estableció a 48 kW con una velocidad de rotación de 500 rpm, cerca de la meta
del diseño, con una eficiencia del 94%. Se prevé que la aplicación del generador esté
en una amplia gama de diseños de turbinas de viento adecuadas para el entorno
urbano, por ejemplo, situados en la parte superior de los edificios, ya que hay un
interés creciente en la prestación de silencio, el bajo costo de la electricidad y la
limpieza en el punto de uso.
Conclusiones del artículo:
En términos prácticos, las turbinas eólicas convierten menos del 40% de la energía
eólica en energía eléctrica. En ambientes urbanos, la producción tiende a ser mucho
menor debido al viento con complejos flujos que se encuentra alrededor de edificios y
otras estructuras urbanas.
Encontrar
formas
para
extraer más energía de estos
flujos
de
viento
sigue
siendo un verdadero reto
para los ingenieros con el
fin de que el costo de la
energía renovable eficiente
Figura 3.1.15. (a) Armazón interno. (b)Rotor de imanes
permanentes.
se produzca en áreas urbanas. En este trabajo se ha estudiado el diseño, desarrollo y las
pruebas en el laboratorio de un generador con imanes permanentes de flujo radial y
accionamiento directo. Desde el generador de pruebas se ha demostrado que es una
tecnología viable para la implementación del sistema de turbinas eólicas. Los
principales beneficios del generador son:
•
Bajo par de arranque.
•
Eficiencias eléctricas y mecánicas muy elevadas (incluyendo la operación de
carga parcial).
•
Tamaño compacto y alto par específico/potencia.
•
Bajo nivel de ruido y vibraciones.
•
Simple y barato de fabricar y ensamblar.
•
La construcción es modular.
•
Diseño escalable.
19
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elèctrics en molins de vent. (II)
[6]
Título del artículo: ALTERNATIVE DESIGNS OF HIGH-TEMPERATURE
SUPERCONDUCTING SYNCHRONOUS GENERATORS.
Autores: Kevin F. Goddard (Universidad de Southampton).
Bartosz Lukasik (Centro de tecnología Areva T y D).
J.K. Sykulski (Universidad de Southampton).
Palabras clave: Design methodology, finite-element method, high-temperature
superconductors, magnetic analysis, superconducting devices, superconducting
materials.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 6 de diciembre de 2009.
Resumen de contenidos:
Este documento analiza los diferentes diseños de
generadores síncronos con superconductores de
alta temperatura (HTS) tanto con núcleo como sin
núcleo, con especial referencia a los construidos
en la Universidad de Southampton utilizando
superconductores BiSCCO. Como síntesis de las
cuestiones
electromagnéticas,
mecánicas
se
ofrecen,
las
térmicas
y
ventajas
e
Figura 3.1.16. Refrigeración y
conexiones.
inconvenientes de los diseños y se destaca en particular, la necesidad de que se
expliquen las soluciones prácticas aunque la capacidad de ampliación de los resultados
obtenidos se considera pequeña.
Figura 3.1.17. Tres diseños analizados, mostrando sólo las
bobinas HTS y componentes ferromagnéticos del rotor.
20
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Este trabajo ha analizado los dos posibles diseños de los generadores síncronos
construidos con cintas HTS en el rotor y se han explicado los compromisos de
ingeniería entre los requisitos electromagnéticos, térmicos y mecánicos que necesitan
ser realizados. Los diseños con núcleo y sin núcleo han sido analizados y se ha
comprobado que su fabricación es posible.
Fue construido y probado un rotor con
núcleo, mientras que se han considerado
para la versión sin núcleo diferentes
escenarios, y uno se está llevando a cabo.
Todos los generadores han utilizado las
cintas superconductoras BiSCCO, pero el
impacto potencial y la disponibilidad
Figura 3.1.18. Bobinas del prototipo.
comercial de los nuevos conductores 2G
YBCO han sido también tratados. Finalmente, se ha propuesto una manera de ampliar
los resultados de los generadores de pequeño tamaño, pero se reconoce que la maquina
tiene difícil aplicación en la realidad.
21
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[7]
Título del artículo: CORELESS HTS SYNCHRONOUS GENERATOR
OPERATING AT LIQUID NITROGEN TEMPERATURES.
Autores: M.K. Al-Mosawi (Universidad de Southampton).
K. Goddard (Universidad de Southampton).
C. Beduz (Universidad de Southampton).
Y. Yang (Universidad de Southampton).
Palabras clave: High temperature superconducting coils, rotating superconducting
machines, superconducting generators and motors, superconducting power machines.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 2 de junio de 2007.
Resumen de contenidos:
En este trabajo se presenta un nuevo diseño de generador síncrono sin núcleo de
100 KW refrigerado con nitrógeno líquido/aire. Se han finalizado con éxito los
generadores de 100 KW con un 9% de níquel con
alma de acero a 77 K. En el nuevo diseño, hemos
demostrado que con un rotor comercial sin núcleo
BSCCO es una opción realista, mientras que el
mantenimiento de la refrigeración a 57-77 K en
lugar de 25-30 K, aun así es razonable la densidad
de flujo en el entrehierro. Esto es posible gracias a
una combinación entre la mejora de la tecnología
Figura 3.1.19. Estructura del tubo de
torsión.
de los cables HTS y una optimización de la bobina HTS y los desviadores de flujo. La
densidad de flujo máximo nominal a la cara ancha de la cinta se mantiene por debajo
de 0,13 T, incluso cuando la densidad del entrehierro se eleva a 0,5 T. El devanado
superconductor se compone de 22 bobinas puestas en paquetes con una longitud total
de 1250 metros de cinta HTS. Las temperaturas hasta 57 K se logran con el diseño del
sistema de refrigeración donde se distribuye nitrógeno líquido a través de una red de
tuberías bien aisladas.
22
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Hemos demostrado con éxito que una máquina HTS síncrona sin núcleo se puede
realizar a la temperatura del nitrógeno líquido o a la del aire líquido. Hemos diseñado
un generador síncrono trifásico de 100 kW con dos polos, la temperatura de
funcionamiento esta alrededor de 64 K, utilizando cintas Bi2223 disponibles en el
mercado. En el diseño de la máquina HTS en nitrógeno líquido/aire los campos
magnéticos en los superconductores
tienen una influencia significativa
en la corriente crítica. El uso de
desviadores de flujo (deflectores)
sirve para reducir la componente
normal del campo magnético. Sin
embargo, los desviadores de flujo
también
aumentan
el
campo
paralelo, por lo que no deben ser
Figura 3.1.20. Líneas de flujo a plena carga.
demasiado gruesos. Para obtener
una temperatura significativamente superior de trabajo y mejorar el rendimiento de la
bobina, las cintas deberían tener mayores corrientes críticas y ser más dependientes
del campo. A menudo se sugiere que el generador síncrono del futuro tendría una
bobina superconductora y debe tener un núcleo del estator sin ranuras con el devanado
del estator sin núcleo. Sin embargo, esta configuración no tiene ninguna ventaja
significativa a menos que la densidad de flujo en el entrehierro se pueda aumentar por
encima de 1 T. Con densidades de flujo en el entrehierro, los desviadores de flujo
relativamente gruesos serían necesarios para evitar la saturación, y con los desviadores
de mayor espesor aumentaría en gran medida el componente paralelo de B en las
bobinas. Se puede concluir que el uso de un estator sin ranuras requiere
superconductores con la dependencia de las cintas Bi2223 en las temperaturas
relativamente altas que estamos utilizando.
23
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[8]
Título del artículo: AN AXIAL-FLUX PERMANENT-MAGNET
GENERATOR FOR A GEARLESS WIND ENERGY SYSTEM.
Autores:
B.J. Chalmers (Universidad de Manchester).
E. Spooner (Universidad de Durham).
Palabras clave: Permanent magnet, generator, axial flux.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 2 de junio de 1999.
Resumen de contenidos:
El artículo propone el desarrollo de un generador de imanes permanentes de flujo axial
sin engranajes para un sistema de energía eólica, tiene como objetivo demostrar la
viabilidad de los convertidores de energía eólica y fotovoltaica para la generación de
electricidad y lograr un aprovechamiento óptimo de las dos fuentes de energía. Las
ventajas de un generador de flujo axial se analizan en relación con las necesidades de
un generador eléctrico para una aplicación de turbinas eólicas de acoplamiento directo.
Los resultados del diseño, construcción y prueba de un generador de imanes
permanentes de 5 Kw y 200 rpm, para formar una planta de energía eólica piloto de 10
Kw con una ampliación de 5 Kw de energía fotovoltaica.
Figura 3.1.21. Diseño de
la máquina.
24
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
El prototipo de máquina descrita en este documento es, según el entender de los
autores, la mayor de esta configuración que ha sido construida. A pesar de una serie de
dificultades prácticas, sobre todo por la parte mecánica, el rendimiento medido del
generador toroidal prototipo de 5 kw y 200 rpm era muy bueno. Las desviaciones de la
actuación prevista se explican por las variaciones en detalles del diseño.
Figura 3.1.22. Rotor del generador de 5 Kw.
Figura 3.1.23. Partes del generador de 5 Kw.
25
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[9]
Título del artículo: ELECTROMAGNETIC DESIGN OF AXIAL-FLUX
PERMANENT MAGNET MACHINES.
Autores: J.R. Bumby (Universidad de Durham).
R. Martin (Universidad de Durham).
M.A. Mueller (Universidad de Durham).
E. Spooner (Universidad de Durham).
N.L. Brown (Empresa Newage-AVK-SEG).
B.J. Chalmers (Universidad de Manchester).
Palabras clave: Generator, torus, axial-flux, permanent magnet.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 2 de marzo de 2004.
Resumen de contenidos:
Se realiza un enfoque general y analítico del generador de flujo axial de imanes
permanentes y ranuras reducidas para el cálculo de los campos magnéticos. El vector
de potencia está producido por una lámina de
corriente situada entre dos superficies de hierro
infinitamente permeables. Mediante el modelado del
imán por las corrientes de su periferia, y la adaptación
del espesor del imán, se puede encontrar el campo
potencial vectorial y magnético. En contraste, el
devanado de la armadura está representado por una
lámina de corriente cerca de la superficie de la
plancha del estator. Los resultados del campo
magnético producidos por las ecuaciones analíticas
han
sido
comparados
con
tres
estudios
tridimensionales de elementos finitos que produce
resultados comparables en un 5%. Además de las
mediciones de fem, el flujo y la inductancia se han
Figura 3.1.24. Sección transversal de un
generador de flujo axial sin cojinetes.
26
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
medido en dos grupos electrógenos y se han comparado con los resultados del método
de elementos finitos y los analíticos. El modelo de análisis predice que la fem
corresponde a un 5%. La inductancia del "final del bobinado" del toroide, el
entrehierro, el devanado de la armadura, contribuyen
significativamente a la
inductancia total con el modelo analítico y se predice una inductancia dentro del 10%
de los valores medidos.
Conclusiones del artículo:
Hemos demostrado como un enfoque unificado puede
ser adoptado para el cálculo analítico de un generador
de flujo axial de imanes permanentes. Se han
comparado
los
resultados
obtenidos
mediante
elementos finitos y las mediciones en dos prototipos de
generadores, en el laboratorio se ha demostrado la
validez del enfoque. La reactancia del inducido es
particularmente difícil de medir usando métodos
convencionales, en estos tipos de máquinas donde la
anchura del entrehierro es muy pequeña y en muchos
casos, domina resistencia de la armadura. Sin embargo,
en este artículo se ha explicado un método simple y
fiable para la medición de la inductancia del inducido
antes de que la máquina esté montada. El enfoque
analítico es ideal para su uso en las hojas de cálculo de
diseño.
Figura 3.1.25. (a) Generador de
prueba. (b) Discos del rotor y del
estator.
Figura 3.1.26. Modelo de la máquina simplificado.
27
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[10]
Título del artículo: ROTOR INTEGRITY DESIGN FOR A HIGH-SPEED
MODULAR AIR-CORED AXIAL-FLUX PERMANENT-MAGNET GENERATOR.
Autores: W. Fei (Universidad de Cranfield).
P.C.K. Luk (Universidad de Cranfield).
T.S. El-Hasan (Universidad de Zarqa).
Palabras clave: Air cored, axial flux permanent magnet (AFPM), high speed, hoop
stress, radial stress, shrink fit.
País de procedencia: Inglaterra / Jordania.
Fecha de publicación: 9 de septiembre de 2011.
Resumen de contenidos:
En este artículo se ha diseñado el generador de rotor modular de alta velocidad sin
núcleo de flujo axial e imanes permanentes (AFPM). La atención se centra en la
optimización de los parámetros de la mecánica del rotor, que se convierten en un
problema
de
optimización
diseño
dominante
electromagnética
sobre
a
la
altas
velocidades de operación. Normalmente las
fórmulas
definición
analíticas
preliminar
se
emplean
de
los
para
la
parámetros
mecánicos del rotor, que consta de: los imanes
permanentes, el anillo de contención y la parte
posterior de hierro. Bidimensional (2-D) y
análisis de elementos finitos (FEA) son los
Figura 3.1.27. Despiece del generador.
modelos que se han utilizado para optimizar los
valores de los parámetros. Luego, en el 3-D se desarrollan modelos de elementos
finitos para comprobar el diseño final. Finalmente, con base en el diseño final, se
construye un prototipo AFPM para la validación experimental, y las pruebas de
integridad mecánicas del rotor. Los resultados confirman la validez de los modelos
analíticos y FEA, así como el enfoque de diseño global.
28
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha creado el generador adecuado AFPM para las aplicaciones críticas que se han
propuesto. Se ha realizado un análisis mecánico completo y un diseño de los discos del
rotor para alta velocidad sin núcleo. Este trabajo subraya la importancia de las
cuestiones de diseño mecánico en máquinas de
alta velocidad AFPM, lo que sería más
importante en los problemas de diseño
electromagnético. La metodología de diseño
propuesta es sistemática y vigorosa y adopta
un enfoque innovador en dos etapas: 1) el uso
de soluciones de análisis junto con el modelo
simplificado de 2-D-FE para el diseño
preliminar y una mayor optimización y 2) el
Figura 3.1.28. Sección del disco del rotor.
empleo de modelado 3-D FE y pruebas
experimentales en un prototipo para la
validación final del diseño.
Nuestro trabajo se centrará aún más en el
desarrollo de un completo modelo 3-D, que
comprende toda la máquina con todas las
piezas de conexión y el acoplamiento, por lo
que el comportamiento dinámico del sistema
integral se podrá predecir. La validación
Figura 3.1.29. Malla 3D en tensión para
1/8 del disco de imanes del rotor.
experimental, se puede ampliar para cubrir las
diferentes condiciones de carga.
29
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[11]
Título del artículo: PERMANENT-MAGNET FLUX-SWITCHING
INTEGRATED
STARTER
GENERATOR
WITH
DIFFERENT
ROTOR
CONFIGURATIONS FOR COGGING TORQUE AND TORQUE RIPPLE
MITIGATIONS.
Autores: Weizhong Fei (Universidad de Cranfield).
Patrick Chi Kwong Luk (Universidad de Cranfield).
Jian Xin Shen (Universidad de Zhejiang).
Bin Xia (Universidad de Zhejiang).
Yu Wang (Universidad de Zhejiang).
Palabras clave: Axial pairing, back electromotive forcé (EMF), cogging torque,
finite-element analysis (FEA), phase angle, reluctance torque, step skew, torque ripple.
País de procedencia: Inglaterra / China.
Fecha de publicación: 3 de junio de 2011.
Resumen de contenidos:
En este trabajo se investiga el par en el engranaje y las características de par de
ondulación de un imán permanente en un
generador de arranque integrado. Los
efectos de la anchura del arco del polo del
rotor en el par del engranaje, la fluctuación
del par, y el par de salida se determinó en
primer momento mediante el análisis de
elementos finitos (FEA). Tres técnicas de
reducción del par de ondulación basadas en
la optimización de tres configuraciones
diferentes de polos del rotor: uniforme,
paso inclinado y el emparejamiento axial.
Se estudian en detalle las características de
par de cada configuración del rotor en las
Figura 3.1.30. Esquema de la propuesta del
ISG Pmfs.
30
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
corrientes de carga variables y ángulos de fase. Se construye una máquina prototipo
con un estator común y las tres configuraciones de rotores optimizados para la
validación experimental. Tanto los resultados FEA como los ensayos experimentales
muestran que las técnicas de emparejamiento axial y paso inclinado puede aliviar el
par del engranaje significativamente, pero éste es menos eficaz que la anterior en la
reducción de la fluctuación del par motor en general.
Conclusiones del artículo:
Se han propuesto tres configuraciones de rotores para el par de los engranajes y
reducción del par de ondulación de la máquina ISG pMFS. La configuración del rotor
uniforme se utiliza como punto de referencia de diseño. Se han desarrollado modelos
FEA para la predicción del rendimiento de la máquina. Para validar los modelos de
elementos finitos los resultados experimentales se han llevado a cabo con tres
configuraciones de rotores diferentes. Los resultados muestran que las técnicas de RSS
y RTAP son dos diseños muy eficaces para reducir el par del engranaje en el ISG
pMFS propuesto. Sin embargo, el método RTAP sólo puede lograr la mejora del par
onda en condiciones de baja carga, e incluso aumentarán los pulsos de par en
condiciones de altas cargas, mientras que el método de RSS puede reprimir
eficazmente la ondulación del par en la gama completa de cargas.
Figura 3.1.31. (a) Estator. (b) Rotor
uniforme. (c) Rotor de paso inclinado. (d)
Rotor de emparejamiento axial.
Figura 3.1.32. Propuesta PMFS
(a) Maquina. (b) Rotor uniforme.
(c) Rotor de paso inclinado. (d) Rotor de
emparejamiento axial.
31
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[12]
Título del artículo: DESIGN AND PERFORMANCE ANALYSIS OF A
HIGH-SPEED
AIR-CORED
AXIAL-FLUX
PERMANENT-MAGNET
GENERATOR WITH CIRCULAR MAGNETS AND COILS.
Autores: Weizhong Fei (Universidad de Cranfield).
Patrick Chi Kwong Luk (Universidad de Cranfield).
Palabras clave: high-speed, air cored, axial-flux, permanent-magnet generator.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 6 de mayo de 2009.
Resumen de contenidos:
Las máquinas sin núcleo, de flujo axial de imanes permanentes (AFPM) tienen
características magnéticas y mecánicas que se consideran ideales para la generación de
energía eléctrica a alta velocidad. Hasta la fecha,
la
investigación
sobre
máquinas
de
alta
velocidad AFPM es sobre todo desde una
perspectiva
mecánica,
con
énfasis
en
aplicaciones de mayor nivel de potencia.
Recientemente, ha habido un creciente interés en
fuentes de energía móvil, con una dotación de
alrededor de 1 kW de potencia, para aplicaciones
de misión crítica. Análisis exhaustivo teórico y
Figura 3.1.33. Estructura propuesta.
en tres dimensiones (3-D) electromagnético
análisis de elementos finitos (FEA) se han desarrollado para evaluar el rendimiento de
la máquina. Además, las tensiones mecánicas del rotor desarrolladas por la velocidad
de rotación son evaluadas para asegurar la integridad mecánica. Finalmente, se ha
desarrollado un prototipo de máquina para la validación. Tanto los resultados
experimentales como los previstos demuestran que el generador propuesto posee
ventajas sobre otros sistemas, tales como una alta eficiencia, alto factor de potencia, y
una estructura sencilla y robusta que ofrece un alto grado de preparación tecnológica.
32
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Este artículo presenta un generador de baja potencia AFPM para aplicaciones
portátiles, compactas y de diseño integral para la
generación de energía; con el análisis del rendimiento a
alta velocidad. Las ecuaciones de análisis se derivan
para el diseño preliminar de un prototipo de máquina
de 1 kW. A continuación, el modelo de elementos
finitos 3-D se desarrolló para validar el modelo
analítico, y para optimizar el diseño de la bobina de la
máquina. La tensión mecánica y el análisis de la
Figura 3.1.34. Cuarto de la
máquina.
integridad del rotor y el soporte del imán también se realizaron a una velocidad de
rotación alta. Por último, un prototipo de máquina ha sido fabricado para fines de
validación. Se han realizado pruebas exhaustivas en la máquina con corriente alterna
trifásica resistiva y carga resistiva de corriente continua utilizando el estándar de seis
pulsos
del
rectificador.
Los
resultados
experimentales demuestran excelentes parecidos
con
los
previstos.
El
prototipo
ha
sido
ampliamente probado en hasta un 50% de la
velocidad nominal en carga. Los resultados
muestran que la máquina propuesta es un
generador altamente compacto y eficiente con
Figura 3.1.35. Distribución del flujo
magnético de la máquina.
estructura muy simple y robusta que puede ser
fabricado y montado a un costo extremadamente
bajo.
Figura 3.1.36. Prototipo de la máquina.
33
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[13]
Título del artículo: EXPERIMENTAL AND CFD INVESTIGATION OF A
LUMPED PARAMETER THERMAL MODEL OF A SINGLE-SIDED, SLOTTED
AXIAL FLUX GENERATOR.
Autores: C.H. Lim (Universidad de Durham).
G. Airoldi (Universidad de Durham).
J.R. Bumby (Universidad de Durham).
R.G. Dominy (Universidad de Durham).
G.I. Ingram (Universidad de Durham).
K. Mahkamov (Universidad de Durham).
N.L. Brown (Empresa Cummins Generator Technologies).
A. Mebarki (Empresa Cummins Generator Technologies).
M. Shanel (Empresa Cummins Generator Technologies).
Palabras clave: axial flux generator, computational fluid dynamics (CFDs),
conduction termal modelling, convection termal modelling, lumped parameter model
(LPM), termal network, termal modelling.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 6 de mayo de 2010.
Resumen de contenidos:
En este documento se presentan un modelo de generadores de flujo axial con
parámetros concentrados en dos dimensiones que proporciona la solución en estado
estacionario de la temperatura en la
simetría axial de una sola cara del
generador con ranuras. El modelo de
dos dimensiones se refiere al modelado
de calor en las direcciones radial y
axial. El flujo de calor en la dirección
de la circunferencia se desprecia. En
este
método
de
modelado,
los
Figura 3.1.37. Generador de imanes permanentes
de flujo axial.
34
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
componentes sólidos y el dominio del flujo de aire interior de la máquina de flujo axial
se dividen en un número de volúmenes de control. Posteriormente, cada uno de estos
volúmenes de control está representado por resistencias térmicas y capacitivas para
formar un circuito bidimensional. Tanto las transferencias de calor conductivas como
convectivas
se toman en consideración en el circuito LPM térmico. Además, el
circuito térmico se forma de información puramente dimensional y coeficientes
térmicos. Así, se puede adaptar fácilmente a una amplia gama de tamaños de la
máquina. Los modelos CFD térmicos y los ensayos experimentales se llevan a cabo
para validar las temperaturas previstas en el circuito de LPM térmico. Se muestra que
el circuito LPM térmico es capaz de predecir con precisión la temperatura de la
superficie de la máquina.
Figura 3.1.38. (a) Esquema del generador. (b) Foto del generador.
Conclusiones del artículo:
Se ha investigado en generadores ranurados con un circuito de LPM térmico rápido de
una sola cara. Las temperaturas que se han predicho a partir del circuito de LPM
térmico muestran una correspondencia razonable con CFD y por tanto con los
resultados experimentales. La investigación confirma que el método de LPM ofrece
una herramienta rápida para un diseño fiable de generadores de flujo axial.
Figura 3.1.39. (a) Sensores de flujo de
posicionamiento, parte frontal. (b) Parte posterior.
Figura 3.1.40. Una sola cara ranurada del
generador.
35
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[14]
Título
del
artículo:
LIGHTWEIGHT
IRONLESS-STATOR
PM
GENERATORS FOR DIRECT-DRIVE WIND TURBINES.
Autores: E. Spooner (Universidad de Durham).
P. Gordon (Universidad de Durham).
J.R. Bumby (Universidad de Durham).
C.D. French (Universidad de Newcastle).
Palabras clave: Permanent magnet generator, wind turbines, ironless-stator, directdrive generators.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 1 de enero de 2005.
Resumen de contenidos:
Se describe una máquina eléctrica de imanes permanentes que emplea estructuras
ligeras de radios, tanto para el rotor como para el estator. El estator no tiene hierro de
modo que no hay magnetización directa entre el
rotor y el estator. Las estructuras son ligeras y
suficientes para aguantar las pequeñas fuerzas
debidas a la interacción del campo magnético
permanente con el devanado del estator. A pesar
de la ausencia de hierro en el estator y un
entrehierro grande, los imanes de tierras raras son
capaces de crear una densidad de flujo de trabajo
de aproximadamente 0.25T en el bobinado. Esto
es suficiente para un diseño de generador
efectivo, debido a que las estructuras ligeras
Figura 3.1.41. Generador propuesto.
ofrecen la oportunidad de construir generadores
de diámetro sin precedentes. El resultado es un generador que tiene una masa del 2030% de los diseños equivalentes basados en núcleo con hierro y circuitos magnéticos,
y con una eficacia superior al 90%.
36
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
La propuesta de estator sin hierro del generador PM ofrece soluciones a algunos de los
problemas en el desarrollo de la industria de
energía eólica. En primer lugar, ser una máquina
de accionamiento directo, que no tiene la
necesidad de una caja de cambios con sus
exigencias de mantenimiento asociadas. En
segundo lugar, el peso es muy pequeño en
comparación con otras formas de generadores de
accionamiento directo. La reducción de peso en
el generador trae consigo un ahorro económico
en la torre y los cimientos. Por último, se ofrece
la posibilidad de crear un sistema tolerante a
fallos eléctricos a través del uso de convertidores
modulares para el interfaz con la red. A pesar de
la ausencia de un núcleo de hierro en el estator, la
densidad de flujo de trabajo es suficiente para
que la máquina funcione con una eficacia
eléctrica buena. Una máquina de laboratorio se
ha utilizado para demostrar las características
principales
y
los
ensayos
confirman
las
Figura 3.1.42. (Arriba) sección transversal
completa. (Debajo) sección transversal del
rotor y el estator.
características de funcionamiento previsto.
Figura 3.1.43. Máquina prototipo.
Figura 3.1.44. Bobinas del estator del prototipo.
37
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[15]
Título del artículo: A NOVEL AXIAL FIELD FLUX-SWITCHING
PERMANENT MAGNET WIND POWER GENERATOR.
Autores:
Z.Q. Zhu (Universidad de Sheffield).
Mingyao Lin (Universidad de Southeast).
Li Hao (Universidad de Southeast).
Xin Li (Universidad de Southeast).
Xuming Zhao (Universidad de Southeast).
Palabras clave: Axial field, flux-switching, permanent magnet wind generator,
3-D finite element analysis.
País de procedencia: Inglaterra / China.
Fecha de publicación: 10 de octubre de 2011.
Resumen de contenidos:
La máquina se presenta como un generador de energía eólica. El rotor está intercalado
entre dos estatores en donde están colocadas las bobinas y los imanes permanentes.
Este novedoso generador es adecuado para el sistema de generación de energía eólica
debido a su longitud axial más corta de lo habitual y mayor densidad de potencia. Se
ha diseñado un generador trifásico de 0.6
Kw con 12/10 polos. La ecuación de
potencia-tamaño
de la máquina se
deduce, y el tamaño de generador se
determina. Basándose en el método de
elementos finitos en 3-D, se investigan
Figura 3.1.45. Topología del prototipo AFFSPM.
las actuaciones electromagnéticas del
generador. De acuerdo con el cálculo teórico, se fabrica un prototipo y se hacen los
experimentos correspondientes. Los resultados del análisis son coincidentes al
compararlos con los experimentales.
38
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este documento se propone una novedosa máquina de imanes permanentes de flujo
axial. Tiene las ventajas de la máquina tradicional axial de imanes permanentes y la
máquina de flujo de conmutación. La máquina AFFSPM
tiene buenas perspectivas en el campo de la generación
de energía eólica, debido a su estructura típica con una
longitud axial corta y mayor densidad de potencia. Se ha
diseñado un generador trifásico de
12/10 polos en base a la ecuación
Figura 3.1.46. Prototipo.
potencia-tamaño. La distribución del campo magnético, la
densidad del entrehierro, el acoplamiento inductivo, el CEM y
Figura 3.1.47. Modelo
3-D.
el par del engranaje se analizan sobre la base de un modelo en
3-D FE. Se ha fabricado y probado un prototipo de acuerdo con
el cálculo teórico. Los análisis teóricos coinciden con los resultados experimentales, y
al coincidir se verifica la exactitud del método de diseño.
Figura 3.1.48. Distribución del campo en circuito
abierto. (a) 0º. (b) 9º. (c) 18º. (d) 27º.
39
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[16]
Título del artículo: A NOVEL DUAL-STATOR HYBRID EXCITED
SYNCHRONOUS WIND GENERATOR.
Autores:
Z.Q.Zhu (Universidad de Sheffield).
H. Lin (Universidad de Southeast).
C. Yang (Universidad de Southeast).
X. Liu (Universidad de Southeast).
S. Fang (Universidad de Southeast).
J. Guo (Universidad de Southeast).
Palabras clave: Air-gap flux, dual stator, finite-element method (FEM), hybrid
excited.
País de procedencia: Inglaterra / China.
Fecha de publicación: 3 de mayo del 2009.
Resumen de contenidos:
Este artículo presenta un novedoso aerogenerador de doble estator y se describen sus
características estructurales, y su principio de funcionamiento. Los campos magnéticos
se calculan en 3-D con el método de elementos finitos.
Se analizan las características estáticas, incluyendo el
flujo de ligamiento y formas de onda EMF de los
bobinados del estator, y formas de onda de la
inductancia de los devanados del inducido y devanado
de campo. Los resultados de la simulación muestran
que debido a la estructura de doble estator, el flujo en
el entrehierro magnético se puede controlar fácilmente,
mientras que la tensión de salida se puede aumentar
eficazmente. Las pruebas se realizan en la máquina
prototipo para validar el estudio.
Figura 3.1.49. Circuito magnético.
(a) Imanes permanentes. (b) Campo
de corriente contínua del bobinado.
40
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha descrito el principio de funcionamiento y la estructura de un novedoso
aerogenerador DSHESG. Se ha calculado la distribución del campo magnético, los
vínculos de flujo, inductancias y formas de onda EMF bajo diferentes intensidades de
campo con el método 3-D FEM. Se ha fabricado un prototipo
de aerogenerador DSHESG, y se han llevado a cabo algunos
experimentos. Los resultados del FEM y los experimentales
muestran que el aerogenerador DSHESG desarrollado tiene
una buena capacidad de control de campo, y la densidad de
potencia y la tensión de salida del generador pueden ser
aumentadas efectivamente adoptando una estructura de doble
Figura 3.1.49. Bobinas
de la armadura.
estator.
Figura 3.1.50. FEA tridimensional.
(a) Modelo estructural. (b) Mallas.
Figura 3.1.51. Distribución del flujo
magnético en la ranura de aire. (a) I = -0.5 A.
(b) I =0 A. (c) I = 0.5 A.
41
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[17] Título del artículo: PERFORMANCE OF AN AXIAL-FLUX PERMANENT
MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR FROM 3-D FINITE-ELEMENT
ANALYSIS.
Autores: T. F. Chan (Universidad politécnica de Hong Kong).
L.L. Lai (Universidad de City).
W. Wang (Universidad politécnica de Hong Kong).
Palabras clave: Axial flux machines, finite-element analysis (FEA), permanent
magnet generators, synchronous generators.
País de procedencia: Inglaterra / China.
Fecha de publicación: 3 de septiembre de 2010.
Resumen de contenidos:
En este trabajo se presentan el campo de resultados de cálculo y el rendimiento de un
generador síncrono de imanes permanentes de flujo axial (AFPMSG) en 3-D mediante
el análisis de elementos finitos (FEA 3-D). El prototipo de generador estudiado tiene
un marco ferromagnético en el exterior del rotor y un diseño totalmente cerrado,
mientras se utiliza una configuración de estator inducido sin núcleo. En base a la
geometría de la máquina, se desarrolló un modelo de elementos finitos 3-D con el fin
de determinar los componentes de campo principales. Se pudo determinar el flujo en la
placa posterior del rotor y el flujo transversal a través del espaciador ferromagnético,
que forma parte del bastidor de rotor. Los resultados calculados son validados por
experimentos en el prototipo del generador.
Figura 3.1.52. Sección transversal del
prototipo.
42
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este trabajo se ha presentado la distribución del campo magnético y el rendimiento
de un generador síncrono de imanes permanentes de una cara, con rotor exterior de
flujo axial sobre la base de un FEA en 3-D. La ventaja del método de elementos finitos
en 3-D es que se pueden estudiar los diferentes componentes del flujo. La principal
contribución del estudio es proporcionar información sobre el campo magnético
dependiendo del tipo de configuración de la máquina, que no puede obtenerse
mediante el uso de métodos 2-D. Los resultados experimentales obtenidos en un
pequeño prototipo AFPMSG confirmó la exactitud de los cálculos FEA 3-D.
Figura 3.1.53. Sección transversal del campo
con 3-D FEA.
Figura 3.1.54. Malla del modelo
geométrico del prototipo.
Figura 3.1.55. Definición de la
superficie de desplazamiento.
43
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[18]
Título del artículo: AN AXIAL-FLUX PERMANENT-MAGNET
SYNCHRONOUS GENERATOR FOR A DIRECT-COUPLED WIND-TURBINE
SYSTEM.
Autores: T. F. Chan (Universidad politécnica de Hong Kong).
L.L. Lai (Universidad de City).
Palabras clave: Permanent-magnet generators, synchronous generators, wind power
generator.
País de procedencia: Inglaterra / China.
Fecha de publicación: 1 de marzo de 2007.
Resumen de contenidos:
En este documento se presenta un generador síncrono de imanes permanentes y flujo
axial (AFPMSG), que es adecuado tanto para las turbinas de viento de eje vertical
como de eje horizontal. El diseño del rotor facilita el acoplamiento directo del
generador para la turbina de viento, mientras que una armadura sin núcleo elimina la
atracción magnética entre las partes fijas y las móviles. Se ha estudiado la distribución
de la densidad de flujo, con la ayuda de un software de elementos finitos, con el fin de
predecir la fuerza electromotriz generada por la forma de onda. Se realizan las
ecuaciones de rendimiento de la AFPMSG, y se deduce la condición para la máxima
eficiencia. Los resultados experimentales, en general, confirman la teoría desarrollada.
Figura 3.1.56. Aerogenerador de eje
horizontal con sistema AFPMSG.
Figura 3.1.57. Aerogenerador de eje
vertical con sistema AFPMSG.
44
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este trabajo se ha presentado un generador síncrono de imanes permanentes
(AFPMSG) de flujo axial que es adecuado para un sistema de turbinas eólicas de
acoplamiento directo. La aplicación de esta máquina
es para sistemas eólicos de eje horizontal y vertical.
Se ha hecho un análisis de la distribución de
densidad de flujo magnético en el AFPMSG con la
ayuda de un software comercial de elementos
finitos. Los resultados calculados muestran que el
Figura 3.1.58. Disposición de los
polos.
voltaje de la línea de salida es prácticamente sinusoidal para la configuración de la
máquina que se ha propuesto. Los experimentos realizados en un generador prototipo
han confirmado la viabilidad del diseño AFPMSG y la validez del modelo de circuito
equivalente.
Figura 3.1.59. Sección transversal del
generador propuesto.
Figura 3.1.60. Parcelas de flujo. (a) Sin
carga. (b) A plena carga con factor de
potencia.
Figura 3.1.61. Esquema de la construcción
del devanado de inducido.
45
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[19] Título del artículo: MODULAR DESIGN OF HIGH-SPEED PERMANENTMAGNET AXIAL-FLUX GENERATORS.
Autores: T. S. El-Hasan (Universidad de Hertfordshire).
P.C.K. Luk (Universidad de Hertfordshire).
F.S. Bhinder (Universidad de Hertfordshire).
M.S. Ebaid (Universidad de Hertfordshire).
Palabras clave: Axial flux generators, high-speed generators, modular design,
permanent magnet machines.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 5 de septiembre de 2000.
Resumen de contenidos:
Se propone una metodología de diseño modular para generadores de flujo axial de alta
velocidad e imanes permanentes (PM). Este método de diseño analítico se basa en los
primeros principios y por lo tanto, aplicables a una amplia gama de generadores, se
ilustra en este caso con el estudio de un generador trifásico de 50 kVA 420 V y
50000 rpm. Se presentan los resultados sobre la eficiencia que se ha realizado
utilizando parámetros de diseño críticos, incluyendo el tamaño del imán, el número
de módulos del estator y los polos.
Figura 3.1.62. Generador de imanes
permanentes y flujo axial.
46
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha propuesto una metodología de diseño para un generador de imanes permanentes
de flujo axial con un sistema modular de alta velocidad vasado en los primeros
principios. La optimización de los parámetros de diseño es muy compleja debido a la
naturaleza variable del sistema. En este estudio se logra un buen grado de
aproximación lo cual se consigue mediante el examen de las variaciones de la
eficiencia con diferentes parámetros. En este diseño se consigue una eficacia del 92%,
considerablemente superior a los generadores convencionales de baja velocidad, se ha
logrado debido a que las pérdidas de hierro se han eliminado, y otras perdidas han sido
minimizadas mediante la selección apropiada de los parámetros de diseño. Estos
resultados serán objeto de seguimiento por el trabajo futuro que involucra el desarrollo
de un generador prototipo para validar la metodología de diseño con los resultados
experimentales, y el desarrollo de un modelo de elementos finitos.
Figura 3.1.62. Partes del generador de imanes
permanentes y flujo axial.
47
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[20]
Título del artículo: MODULAR DESIGN OF PERMANENT-MAGNET
GENERATORS FOR WIND TURBINES.
Autores: E. Spooner (Universidad de Durham).
A.C. Williamson (Universidad de Manchester).
G. Catto (Universidad de Manchester).
Palabras clave: Wind turbines, permanent magnet generators, reactance, efficiency.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 5 de septiembre de 1996.
Resumen de contenidos:
Las máquinas síncronas de imanes permanentes de campo radial, multipolares, pueden
ser utilizadas como generadores de acoplamiento directo de grandes turbinas eólicas.
Con potencias que van desde l00kW a más de
1 MW y se pueden necesitar de 100 a 300
polos. La construcción modular reduce el
esfuerzo de diseño, y el número de dibujos y
herramientas necesarias. Los diseños de los
módulos que se presentan pueden ser usados
Figura 3.1.63. Núcleo del estator y módulos
del devanado.
para una amplia gama de diseños de máquinas. Los módulos estándar de rotor usan
bloques de imanes de ferrita. Los módulos del estator son núcleos simples con forma
de “E” llevando cada uno una sola bobina rectangular. La disposición facilita el
montaje de las piezas magnetizadas y crea una máquina con reactancias bajas y alta
eficiencia.
Figura 3.1.64. Diseño del módulo del rotor.
Figura 3.1.65. Diseño del módulo del
estator.
48
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha descrito una máquina síncrona con disposición modular de campo radial,
multipolar y de imanes permanentes. Estas máquinas se pueden utilizar como
generadores de acoplamiento directo de grandes turbinas eólicas conectadas a red con
unos ratios de potencia que van desde l00kW a más de 1 MW y de 100 a 300 polos,
ofrecen un rendimiento excelente en las reactancias y la eficiencia. Se han presentado
diseños de módulos de rotor, de estator y una
estructura modular adecuada para toda la gama de
potencia y de número de polos. Los módulos
estándar de rotor usan bloques de imanes de ferrita.
Los módulos del estator son núcleos simples con
forma de “E” llevando cada uno una sola bobina
Figura 3.1.66. Prototipo montado.
rectangular. Se ha desarrollado un modelo de
parámetros globalizados magnéticos que permite el
cálculo rápido de los parámetros de la máquina. Se
ha utilizado una máquina de laboratorio para
demostrar las características principales de la
máquina propuesta y se ha validado el método
teórico. La disposición modular proporciona grandes
ventajas en el montaje, evitando la necesidad de
Figura 3.1.67. Módulo del
estator.
reunir a dos grandes componentes con grandes campos magnéticos. La ausencia de
circuitos de amortiguación en el rotor permite que la máquina pueda ser modelada
simplemente por las condiciones de funcionamiento. El análisis y el control de las
pérdidas son objeto de estudios adicionales.
Figura 3.1.68. Sección del circuito
magnético.
49
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[21]
Título del artículo: DIRECT COUPLED, PERMANENT MAGNET
GENERATORS FOR WIND TURBINE APPLICATIONS.
Autores: E. Spooner (Universidad de Durham).
A.C. Williamson (Universidad de Manchester).
Palabras clave: Wind turbines, permanent magnet generators, radial field machines.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 1 de enero de 1996.
Resumen de contenidos:
Los generadores multipolares de campo radial con excitación, de imanes permanentes
se pueden utilizar para la fabricación de las turbinas de viento y se puede construir
para que quepa en el espacio confinado de una góndola. La alta eficiencia y el factor
de potencia se mantienen en un amplio intervalo de potencia de funcionamiento. Los
imanes permanentes de ferrita son preferibles a los tipos de tierras raras a causa de su
menor coste. El freno principal de la turbina de viento puede ser eléctrico ya que la
excitación de los imanes permanentes está disponible en la ausencia de un suministro
externo.
Figura 3.1.69. Disposición de los imanes.
Figura 3.1.70. Sistema de flujo
concentrado.
50
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este documento se ha descrito un generador de imanes permanentes, multipolar
acoplado a turbinas eólicas. La máquina propuesta puede ser construida para encajar
dentro del espacio cerrado de una góndola y sus dimensiones son proporcionales a la
turbina y se puede utilizar para crear un sistema de frenado electrodinámico. La
máquina presenta una buena eficiencia y factor de potencia en una amplia gama de
potencia de funcionamiento.
Figura 3.1.71. Sección
transversal de la máquina de un
solo estator.
Figura 3.1.72. Vista exterior de la máquina
multi-estator de flujo axial.
Figura 3.1.73. Rotor experimental de 16
polos y 36 ranuras.
51
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[22] Título del artículo: MODULAR, PERMANENT-MAGNET WIND-TURBINE
GENERATORS.
Autores: Edward Spooner (Universidad de Durham).
Alan Williamson (Universidad de Manchester).
Palabras clave: permanent magnet generators, wind turbines, modular.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 6 de marzo de 1996.
Resumen de contenidos:
Se han propuesto generadores de acoplamiento directo de grandes turbinas eólicas
acopladas a la red cuyas características son: de imanes permanentes, multipolares y
síncronas. La construcción modular en gran
medida reduce la sobrecarga y aporta beneficios
adicionales a través de la facilidad de montaje y
la reparación. El documento demuestra cómo una
máquina se puede integrar en un sistema de
velocidad variable. Un diseño modular del rotor
con imanes de ferrita ensamblados entre piezas
polares partidas. Los imanes se pueden construir
Figura 3.1.74. Ensamblado de imanes
permanentes.
económicamente con los bloques estándar de 150 x 100 x 25 mm. Se describe un
núcleo de estator modular, y un estator de aerogenerador, junto con una estructura
modular de soporte. Se informa sobre la derivación de parámetros de la máquina y el
apoyo a estudios de laboratorio.
Figura 3.1.75. Sección del circuito magnético.
52
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha descrito una disposición modular para una máquina síncrona con un campo
radial, multipolar y con imanes permanentes. Estas máquinas se pueden utilizar como
generadores de acoplamiento directo en las grandes turbinas eólicas conectadas a la
red con potencias a partir de 100 kW, se ha utilizado una máquina de laboratorio para
demostrar las principales características de la máquina propuesta y ha validado el
modelo teórico magnético. La disposición modular tiene grandes ventajas en el
montaje, elimina la necesidad de unir dos piezas de gran tamaño que presentan
grandes campos magnéticos.
Figura 3.1.76. Módulo del estator
con la bobina.
Figura 3.1.77. Dispositivo de rotor
modular.
Figura 3.1.78. Fuerzas magnéticas.
53
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[23]
Título del artículo: THE DESIGN OF A LIGHTWEIGHT HTS
SYNCHRONOUS
GENERATOR
COOLED
BY
SUBCOOLED
LIQUID
NITROGEN.
Autores: W. Bailey (Universidad de Southampton).
M. Al-Mosawi (Universidad de Southampton).
Y. Yang (Universidad de Southampton).
C. Beduz (Universidad de Southampton).
K. Goddard (Universidad de Southampton).
Palabras clave: BSCCO coils, HTS generator, HTS machines, superconducting
motor.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 3 de junio de 2009.
Resumen de contenidos:
En este documento se describe el diseño final del generador síncrono sin núcleo HTS
de 100 kW. El nuevo generador utiliza un estator trifásico de 2 polos. El nuevo rotor
HTS no tiene núcleo central y las bobinas del rotor se han construido con 15 bobinas
de doble capa. Cada bobina tiene 38 espiras de
BiPb2223 (superconductor de cinta), con una
corriente nominal de 180 A a 77 K. En este
diseño, solo se han utilizado dos desviadores de
flujo en la parte superior y la parte inferior de la
bobina para ayudar a conformar el campo
magnético. Las bobinas se encuentran en la pared
interior del criostato. La construcción del
criostato plantea el mayor desafío mecánico.
Aunque
hemos
evitado
problemas
con
Figura 3.1.79. Esquema de los
componentes del bobinado del diseño de
“rotor sin núcleo”.
contracciones térmicas haciendo que el criostato sea enteramente de acero inoxidable.
El polo de las piezas, que ayuda a mejorar las características de forma de onda de la
54
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
máquina, está situado en el espacio caliente (entre la brida fría del criostato y la pared
interior de la cámara de vacío). Desafortunadamente, el rendimiento magnético total se
ha visto afectado por el apilado de las bobinas en paralelo. Se han presentado
sugerencias para alterar la corriente del estator, que muestran que pueden lograrse
mejoras en las formas de onda.
Conclusiones del artículo:
Se ha diseñado y fabricado un diseño de "rotor sin núcleo". Nos han eludido los
problemas en las contracciones térmicas, que han afectado a algunos de nuestros
diseños anteriores por: I) que se desplazan los polos de piezas en el espacio tibio entre
la brida de frío del criostato y la pared del vaso
vacío interior, II) realizar todos los criostatos del
mismo material. Nuestro principal reto es
reforzar el criostato lo suficiente como para
eliminar las altas tensiones de las fuerzas
centrífugas e hidrodinámicas. Se han analizado y
ensayado soportes soldados, pero se encontraron
problemas con la distorsión y la quema del acero
de la pared delgada. La solución de estos
problemas es un asunto en curso. El peso del
Figura 3.1.80. Croquis del criostato y
piezas del polo.
rotor ha sido reducido aún más. Las bobinas han reemplazado a los desviadores de
flujo, dando forma a la onda de flujo magnético. Esto demuestre que se pueden lograr
mejoras en la forma de onda de voltaje.
55
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[24]
Título del artículo: FIELD OPTIMISATION IN A SYNCHRONOUS
GENERATOR WITH HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING FIELD
WINDING AND MAGNETIC CORE.
Autores: K.S. Ship (Universidad de Southampton).
K.F. Goddard (Universidad de Southampton).
J.K. Sykulski (Universidad de Southampton).
Palabras clave: Synchronous generator, high temperature, superconducting, magnetic
core.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 5 de septiembre de 2002.
Resumen de contenidos:
Las investigaciones de los modelos en 2-D y 3-D se han utilizado para evaluar y
optimizar la distribución del campo del rotor de polos salientes de un generador
síncrono con superconductores de 100 kVA. El núcleo del polo saliente del rotor está
formado a partir de una pila de placas de
acero y 9% de níquel, los cuales están
ligados
entre
sí
mediante
pernos
pasantes. Una serie de modelos 2-D se
han
utilizado
para
optimizar
la
distribución del campo de la máquina sin
pernos en el rotor. Entonces se construyó
un
modelo
3-D
con
los
tornillos
incluidos. Las diferencias entre los
modelos 2-D y 3-D se evaluaron, y se
Figura 3.1.81. Densidad de flujo en los espacios
de aire.
valoró la distorsión causada por la influencia de los tornillos y los agujeros. Se
propusieron cambios en la forma del rotor y el modelo 3-D se modificó para confirmar
la eficacia de estos cambios en la reducción de los armónicos indeseables.
56
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Los modelos 2-D y 3-D muestran resultados consistentes, pero el análisis 2-D
subestima las formas de onda de voltaje debido al efecto de los pernos pasantes. Así,
aunque la precisión global de la modelización 2-D es satisfactoria, en esta ocasión un
tratamiento completo de 3-D es necesario que,
desgraciadamente, se suma a la complejidad de
la técnica de simulación. Para mitigar este
problema. Se desarrollaron los métodos más
sistemáticos de optimización, primero para
minimizar el quinto armónico dominante y
Figura 3.1.82. Campo de vacío para los
modelos 2-D y 3-D.
posteriormente para reducir el contenido total de los armónicos. El uso de estos
métodos, los cambios en el diseño del rotor fueron representados y el modelo 3-D
modificado. El modelo confirma que la forma de onda se ha mejorado.
Figura 3.1.83. Líneas de flujo a plena carga.
57
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[25]
Título del artículo: MAGNET TOPOLOGY OPTIMIZATION TO REDUCE
HARMONICS IN HIGH-SPEED AXIAL FLUX GENERATORS.
Autores: Tareq S. El-Hasan (Universidad de Hertfordshire).
Patrick C.K. Luk (Universidad de Cranfield).
Palabras clave: Axial flux generators, permanent magnet (PM) generators.
País de procedencia: Inglaterra.
Fecha de publicación: 5 de septiembre de 2003.
Resumen de contenidos:
En este documento se ha investigado un generador de flujo axial de imanes
permanentes, sobre el efecto de la forma y la distancia entre los imanes y los polos
adyacentes; y en la calidad de la tensión
de salida. Con el mismo volumen y el
área de superficie se han investigado dos
formas de imán posible: de medio punto
y trapezoidales; se modelan mediante
una imagen tridimensional creada por el
método de elementos finitos (FEM).
Figura 3.1.84. Dos formas de imanes en el rotor.
(a) Semicircular. (b) Trapezoidal.
Para cada forma imán, el espacio entre
los imanes adyacentes en el mismo rotor se varía, se analizan los voltajes inducidos, y
se determina el contenido de armónicos. Los resultados obtenidos a partir del FEM se
comparan favorablemente con los resultados experimentales obtenidos a partir de un
prototipo particular que se construyó con una forma de imán semicircular.
58
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En el generador AFPM de imanes permanentes se han examinado con un eficiente
modelo de elementos finitos los efectos sobre la calidad del voltaje de salida por dos
parámetros de diseño, la forma y la distancia de los polos. Si bien los resultados
muestran que los rotores de imanes
permanentes
semicirculares
trapezoidales
tienen
global
similar,
muy
un
y
rendimiento
los
contenidos
armónicos individuales parecen variar de
manera diferente con la distancia del polo
adyacente, ofreciendo alternativas de
diseño,
cuando
el
contenido
de
armónicos, junto con otros factores no
eléctricos,
son
también
importantes
Figura 3.1.85. Parte del generador AFPM.
consideraciones de diseño.
Figura 3.1.86. Rotor imanes
semicirculares.
Figura 3.1.87. Rotor imanes trapezoidales.
Figura 3.1.88. Prototipo.
59
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[26]
Título del artículo: ANALYSIS AND CONTROL OF A DUAL-STATOR
HYBRID EXCITATION SYNCHRONOUS WIND GENERATOR.
Autores: H. Lin (Universidad de Southeast).
X. Liu (Universidad de Jiangxi).
Z.Q. Zhu (Universidad de Sheffield).
S. Fang (Universidad de Southeast).
Palabras clave: wind generator, synchronous machine, hybrid excitation.
País de procedencia: Inglaterra / China.
Fecha de publicación: 6 de marzo de 2011.
Resumen de contenidos:
Este estudio presenta una excitación híbrida de doble estator del generador síncrono
(DSHESG) y su sistema de control para la generación de energía eólica. Las
características electromagnéticas, incluyendo flujo de conexión,
electromagnética
de
fase
la fuerza
(EMF),
inductancias sinusoidales y el campo de
control, se obtienen utilizando el método
de elementos finitos en 3D. Un sistema de
control de bucle cerrado se establece para
la generación de tensión constante para
regular automáticamente la corriente de
campo.
El
algoritmo
integrante
de
Figura 3.1.89. (a) Geometría del modelo FE.
(b) Mallas FE.
aislamiento de control PI se utiliza para mejorar el rendimiento dinámico del sistema
DSHESG. Tanto los resultados simulados como los experimentales coinciden, lo cual
demuestra que la generación de tensión constante puede ser fácilmente realizada
cuando la velocidad o la carga de la DSHESG varían de forma aleatoria.
60
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Los principales logros en este trabajo pueden resumirse de la siguiente manera:
1. Se ha propuesto un novedoso generador DSHESG para la generación de
energía eólica y se han definido sus características estructurales.
2. Las características electromagnéticas de los DSHESG se calculan en 3D FEA y
se han validado extrayendo resultados experimentales del prototipo de la
máquina.
3. La tensión de salida puede ser aumentada mediante la adopción de la doble
estructura en el estator.
4. El modelo de simulación del sistema de control en bucle cerrado de DSHESG
para la generación de tensión constante se establece sobre la base de la
plataforma MATLAB, y el sistema experimental se realiza basándose en el
controlador DSP. Los resultados medidos y simulados muestran que la tensión
constante de DSHESG puede obtenerse por el sistema de control propuesto en
bucle cerrado y el rendimiento dinámico se mejora mediante la adopción de la
propuesta integral de aislamiento algoritmo de control PI.
Figura 3.1.90. (a) Estructura. (b) Circuito magnético de imanes permanentes.
(c) Circuito magnético del devanado del campo en corriente continua.
61
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.2. ITALIA.
3.2.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
62
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.2.2. ARTÍCULOS.
[27]
Título
del
artículo:
AXIAL
FLUX
PM
MACHINES
WITH
CONCENTRATED ARMATURE WINDINGS: DESIGN ANALYSIS AND TEST
VALIDATION OF WIND ENERGY GENERATORS.
Autores: Antonino Di Gerlando (Universidad politécnica de Milan).
Matteo Felice Iacchetti (Universidad politécnica de Milan).
Roberto Perini (Universidad politécnica de Milan).
Palabras clave: Design methodology, direct drive, generators, permanent magnet
machines, wind power generation.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 9 de septiembre de 2011.
Resumen de contenidos:
En este documento se presentan algunos aspectos de diseño y operación de máquinas
síncronas de flujo axial e imanes permanentes, las ranuras están ocupadas por bobinas
concentradas. Debido a su alto número de polos, lo compacta que es, la calidad de
forma de onda y su eficiencia; estas máquinas muestran un funcionamiento
satisfactorio a bajas velocidades, como generadores de accionamiento directo y como
motores. En este trabajo, después de un
análisis general de las características del
modelo y el diseño de este tipo de máquina,
la atención se centra en la generación de
energía eólica. Las ecuaciones principales de
tamaño se definen, y las figuras más
Figura 3.2.1. Croquis de la máquina
analizada.
relevantes son examinadas por medio de un
adecuado análisis paramétrico. Algunos de
los resultados experimentales obtenidos se han probado en un prototipo trifásico de 50
kW y de 70 rpm. Se compara los resultados del prototipo con los resultados
experimentales y coinciden, lo cual demuestra la viabilidad del prototipo.
63
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este trabajo, los aspectos de diseño de las máquinas eléctricas modulares de flujo
axial están equipados con bobinas de tipo concentrado con tres fases en los bobinados
del estator, se investigó con especial
atención a las máquinas de accionamiento
directo para la generación de energía
eólica. De las ecuaciones de diseño
principales se deduce que centrándose en
las relaciones de tamaño, los parámetros
Figura 3.2.2. Mapa del campo sin carga.
eléctricos, y las principales ventajas de las
piezas. Se ha introducido una carga
eléctrica a lo largo de la dirección axial de
la bobina en la ranura. Una estrategia para
reducir los parámetros de diseño, para
realizar un análisis paramétrico simple, y
Figura 3.2.3. Disposición esquemática de las
bobinas.
para lograr el diseño optimizado propuesto. Se pusieron de relieve algunas diferencias
con las maquinas tradicionales de flujo axial en la ranura con un valor inusualmente
alto de la relación de diámetro interno/externo para lograr un diseño óptimo.
Figura 3.2.4. Dos módulos del prototipo
construido.
Figura 3.2.5. Detalle del módulo del prototipo.
64
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[28]
Título del artículo: PERFORMANCE OF CORELESS-WINDING AXIAL-
FLUX PERMANENT-MAGNET GENERATOR WITH POWER OUTPUT AT 400
HZ – 3000 REV/MIN.
Autores:
F. Caricchi (Universidad de Roma).
F. Crescimbini (Universidad de Roma).
O. Honorati (Universidad de Roma).
G. Lo Bianco (Universidad de Roma).
E. Santini (Universidad de Roma).
Palabras clave: Axial flux, generator, permanent magnets.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 5 de octubre de 1997.
Resumen de contenidos:
Se propone la máquina de flujo axial e imanes permanentes (AFPM) con devanado sin
núcleo para grupos electrógenos necesarios a bordo de buques, aeronaves o vehículos
híbridos eléctricos. La configuración de los AFPM
propuestos consiste en que el devanado de las bobinas
tiene forma romboidal encapsulada en resina epoxi
reforzado
con
fibra.
Las
bobinas
tienen
una
disposición de doble capa para dejar espacio para un
conducto de agua de refrigeración que se utiliza para
eliminar el calor directamente desde el interior del
Figura 3.2.6. Prototipo 75Kw.
devanado hasta la superficie. La estructura general de
la máquina tiene alta densidad y ligereza, y debido a la falta del núcleo de hierro en el
generador con potencia de salida a 400 Hz se puede lograr con una alta eficiencia y la
regulación de tensión es aceptable. El documento analiza el diseño básico y la
construcción de generadores AFPM con devanados sin núcleo y los resultados
experimentales se obtienen de una máquina prototipo de 16 polos nominal de 70 kW,
3000 rpm.
65
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Debido a lo ligera y compacta que es la máquina, la generación de energía a bordo de
buques, aeronaves o vehículos híbridos-eléctricos a menudo se logra con máquinas
eléctricas que funcionan con una potencia
de salida de 400 Hz, y en relación con esta
aplicación este trabajo ha tratado sobre el
uso de generadores de imanes permanentes
de flujo axial en máquinas con devanado
sin núcleo. Los aspectos básicos del diseño
de la máquina han sido estudiados, y los
resultados de laboratorio tomados a partir
de un generador de prueba, se han
comunicado para mostrar que se pueden
lograr resultados satisfactorios a pesar de
que la máquina tiene un diseño poco
optimizado en términos de disposición de
los conductores. Esto permite llegar a la
conclusión
de
que
el
alto
campo
conseguido con el diseño de los imanes
permanentes de la máquina propuesta hace
una máquina muy compacta ya que tiene
una relación par/peso extremadamente
Figura 3.2.7. (A) Sección transversal de la
máquina. (B) Máquina en enfriamiento.
elevada. Por supuesto, debido a la
utilización de un devanado sin núcleo de hierro inmersos en un campo de alta
frecuencia de rotación, la pérdida por corrientes de Foucault es una seria dificultad,
pero se cree que en las máquinas diseñadas para su aplicación en la generación de
energía de 400 Hz este problema puede ser fácilmente resuelto mediante arreglos en
los conductores basados en la instalación de alambres Litz o mediante la construcción
de conductores multicapa.
66
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[29] Título del artículo: PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINES
WITH CONCENTRATED COIL ARMATURE WINDINGS: ANALYSIS AND
TEST VALIDATION OF SINGLE STATOR-DOUBLE ROTOR, AXIAL FLUX
MACHINES.
Autores:
A. Di Gerlando (Universidad politécnica de Milan).
G. M. Foglia (Universidad politécnica de Milan).
R. Perini (Universidad politécnica de Milan).
M. Ubaldini (Universidad politécnica de Milan).
Palabras clave: PM low permanent magnet low speed machines, axial flux,
concentrated coils, permanent magnet machines modelling.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 19 de diciembre de 2006.
Resumen de contenidos:
Se presentan algunos aspectos de diseño y operación de máquinas síncronas de flujo
axial y de imanes permanentes; que emplean bobinas de la armadura con bobinados
concentrados enrollados alrededor de las
ranuras del estator. El control e.m.f. se
basa en la variación del flujo en los
devanados,
obtenido
mediante
la
modificación de la configuración del
estator (o rotor). Gracias a la gran
cantidad de polos y la calidad de la forma
Figura 3.2.8. Campo de la reacción de
inducido.
de onda, excelente, incluso con debilitamiento del campo profundo, estas máquinas
presentan un funcionamiento satisfactorio a baja velocidad, tanto en generadores como
en motores. En el documento, se analizan las principales características constructivas
de la máquina, junto con el diseño y los resultados FEM. Se ha llevado a cabo la
prueba de un prototipo.
67
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este artículo se han presentado y discutido algunos aspectos de diseño, operación y
modelado de máquinas síncronas de imanes permanentes, tales como: la utilización de
dos capas de bobinas en la armadura
con bobinas concentradas enrolladas
alrededor de las ranuras del estator. Se
basa en la variación del flujo de los
devanados,
obtenido
mediante
la
modificación de la configuración del
estator
(o
rotor).
Incluso
con
Figura 3.2.9. Detalle de las ranuras del estator.
debilitamiento del campo profundo, estas máquinas presentan un funcionamiento
satisfactorio, en términos de forma de onda de tensión. En el documento, las
principales características constructivas de la máquina han sido estudiadas, junto con
algunos modelos de análisis y los resultados FEM. Finalmente, la máquina e.m.f. y la
inductancia síncrona se han evaluado analíticamente. Se ha encontrado una buena
concordancia entre el MEF y las evaluaciones del análisis. Hasta ahora, un prototipo
de la máquina SSDR ha sido completado y probado, tanto en vacío como en carga. Se
muestra un buen rendimiento.
Figura 3.2.10. Generador de imanes permanentes, trifásico, con doble capa y devanados concentrados.
68
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[30]
Título del artículo: A LOW-SPEED AXIAL-FLUX PM GENERATOR FOR
WIND POWER SYSTEMS.
Autores:
F. Chimento (Universidad de Catania).
A. Raciti (Universidad de Catania).
Palabras clave: Permanent magnet generator, axial flux, machine, FEM analysis,
inverter, wind generator.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 4 de julio de 2004.
Resumen de contenidos:
En este documento ha sido estudiado y diseñado un nuevo sistema de generación de
energía, un generador síncrono de 30 Kv de flujo axial y de imanes permanentes, para
aplicaciones de turbinas eólicas a baja velocidad. Para obtener una maquina a bajo
costo, de bajo peso y simple fabricación (que
son características altamente deseables del
diseño), se ha elegido una máquina sin ranuras
que ha sido diseñada con el fin de explotar el
mejor trabajo mecánico permitido por esta
configuración. La estructura de flujo axial
ofrece también la posibilidad de construcción
modular de la máquina y, por lo tanto, con
menores modificaciones, permite la obtención
Figura 3.2.11. Estructura del generador.
de la potencia nominal de la máquina. Además, en este proyecto, la conexión del
generador a la turbina de viento se lleva a cabo a través de un tren impulsor directo, y
el convertidor de potencia electrónico ofrece la ventaja de que la energía eléctrica se
produce incluso en caso de baja velocidad del viento.
69
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Una característica interesante del sistema de energía propuesto es el gestor de punto de
trabajo, que administra la corriente de salida con el fin de dar un voltaje fijo a la carga,
ideal para extraer energía del generador de viento,
también funciona con la velocidad del viento muy
baja.
Esta característica representa la principal diferencia
con un generador de viento tradicional con caja de
cambios mecánica, cuya baja eficiencia global y la
imposibilidad de extracción de energía eléctrica a
baja velocidad del viento hizo que los sistemas
menos interesantes que el nuevo tipo de generador
de energía eólica.
Se ha construido un prototipo de la máquina Ts en
Agrigento (Italia), y actualmente se encuentra en
curso de validación extensa con referencia a las
Figura 3.2.12. Cuartos del rotor y el
estator de la máquina.
prestaciones mecánicas.
El trabajo futuro consistirá en la aplicación de un control en la turbina con el fin de
optimizar la potencia de salida para las diferentes gamas de velocidad del viento.
Figura 3.2.13. Densidad de flujo de una ranura.
70
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[31]
Título del artículo: PERMANENT MAGNET AXIAL FLUX DISC
GENERATOR FOR SMALL WIND TURBINES.
Autores:
Mauro Andriollo (Universidad de Padova).
Manuel De Bortoli (Universidad de Padova).
Giovanni Martinelli (Universidad de Padova).
Augusto Morini (Universidad de Padova).
Andrea Tortella (Universidad de Padova).
Palabras clave: Permanent magnet, generator, axial flux.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 6 de septiembre de 2008.
Resumen de contenidos:
En este artículo se propone un generador con disco de imanes permanentes y flujo
axial (AFPMG) con paso de ranura fraccionaria destinado para su aplicación en
pequeñas turbinas de energía eólica. Sus principales características son su alta potencia
específica, rizado de par muy bajo y
una tensión de salida casi senoidal. Un
diseño preliminar puede ser llevado a
cabo con un procedimiento analítico
simplificado.
Posteriormente
un
análisis FEM sobre los modelos
rectificados AFPMG 2D habilitados
Figura 3.2.14. Modelo 2D del extremo del devanado.
para examinar más en detalle la influencia de la variación del parámetro con una
reducción considerable del tiempo de cálculo con respecto a los análisis 3D, para
mejorar el rendimiento del generador, y el cumplimiento de las restricciones de
diseño. La comparación con los resultados de algunos análisis en 3D FEM confirmó la
buena precisión del método de diseño propuesto.
71
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
El diseño de un AFPMG VAWT impulsado puede ser asistido por una integración
adecuada de la simplificación de los procedimientos analíticos con secuencias
automatizadas de análisis de elementos finitos 2D aplicadas a secciones tangenciales
rectificadas AFPMG. Además de analizar la influencia de las variaciones paramétricas
con el fin de mejorar las prestaciones del generador, los resultados de este
procedimiento permiten establecer un modelo matemático AFPMG integrado en la
unidad de generador-convertidor para simular el comportamiento de toda la unidad. La
eficacia de este enfoque fue probada en el diseño de un generador AFPMG de 44
polos.
Figura 3.2.15. (a) Un cuarto del sector en 3D. (b) Modelo 2D rectificado en
condiciones límite.
72
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[32] Título del artículo: ELECTROMAGNETIC MODELLING OF PERMANENT
MAGNET AXIAL FLUX MOTORS AND GENERATORS.
Autores:
Fabrizio Marignetti (Universidad de Cassino).
Gianni Tomassi (Universidad de Cassino).
James R. Bumby (Universidad de Durham).
Augusto Morini (Universidad de Padova).
Andrea Tortella (Universidad de Padova).
Palabras clave: Magnetic devices, flux, electromagnetic induction.
País de procedencia: Italia / Inglaterra.
Fecha de publicación: 14 de octubre de 2006.
Resumen de contenidos:
Este documento proporciona un marco general de análisis electromagnético de flujo
axial en motores y generadores. El procedimiento se basa en la solución de la ecuación
de
Maxwell
en
un
bastidor
cilíndrico. Todas las fuentes de
campo
(imanes
bobinados)
bobinas
se
de
permanentes,
subdividen
en
conductores.
La
expansión del campo magnético del
entrehierro se calcula en cada radio
en 2D. Las contribuciones de los
armónicos se añaden a la densidad
de flujo, fuerza contraelectromotriz
y el par desarrollado del estator y
Figura 3.2.16. Densidad de flujo de los imanes
(gráfico polar).
del rotor. El modelo se ha diseñado con una forma compacta. En el análisis se ha
demostrado que es correcto tanto con el análisis de elementos finitos como con los
datos experimentales. El modelo no tiene en cuenta las corrientes de Foucault y de no
linealidad.
73
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Este trabajo ha presentado un análisis analítico de una máquina de imanes
permanentes de flujo axial que se puede utilizar tanto para el diseño de la máquina
como para el análisis del rendimiento. La precisión del enfoque y sus buenos
resultados y cálculos se han comparado con los resultados experimentales y FEA para
un motor con devanados ranurados de 2 kW a 850 rpm.
Figura 3.2.17. Densidad de flujo de los imanes (gráfico
cartesiano).
Figura 3.2.18. Campo de la
solución.
Figura 3.2.19. FEM del campo de la
solución.
74
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[33] Título del artículo: A MATHEMATICAL MODEL OF AXIAL FLUX DISC
MACHINES.
Autores:
Chiara Boccaletti (Universidad de Roma).
Pietro Di Felice (Universidad de Roma).
Lorenzo Petrucci (Universidad de Roma).
Ezio Santini (Universidad de Roma).
Palabras clave: axial flux machine, mathematical model.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 18 de marzo de 2009.
Resumen de contenidos:
Este artículo describe un modelo matemático para determinar los parámetros del
circuito equivalente de máquinas de flujo axial de discos (AFDMs) de cualquier
configuración. Una vez fijadas las dimensiones de la máquina (ancho del imán, las
longitudes de bobinado, espesor axial, etc.),
se calcula la inductancia equivalente y la
resistencia y, finalmente, la corriente, para
un modo de funcionamiento del generador.
El modelo ha sido implementado en un
software desarrollado por los autores. Las
hipótesis en la base del modelo se han
verificado a través de análisis realizado con
el método FEM y los resultados de las
simulaciones se han comparado con los
datos
experimentales,
mostrando
un
Figura 3.2.20. Esquema tridimensional de la
máquina.
acuerdo satisfactorio.
75
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
El modelo ha sido validado aplicando el principio de superposición de los efectos.
Puesto que el ancho del imán varía con el radio de la máquina, la máquina está
dividida en un número de sub-máquinas, y cada sub-máquina se calcula con referencia
al radio medio.
El modelo ha sido implementado en Matlab. El software ha sido validado por medio
de los datos experimentales. Las características de la máquina real se exponen en la
siguiente tabla:
A una frecuencia de 50 Hz y considerando el tamaño del arrollamiento igual al 80% de
la distancia disponible entre las fases. Los resultados calculados están en concordancia
con los datos experimentales.
Figura 3.2.21. Sección enderezada de la máquina.
Figura 3.2.22. Curva de par cuando Ia<Id.
76
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[34]
Título
del
artículo:
SINGLE
PHASE
PERMANENT-MAGNET
GENERATOR WITH LOW ARMATURE REACTION FOR INDUCTION
HEATING GEN SETS.
Autores:
F. Caricchi (Universidad de Roma).
F. Maradei (Universidad de Roma).
G. De Donato (Universidad de Roma).
F. Giulii Capponi (Universidad de Roma).
Palabras clave: Permanent magnet generator, induction heating, low armature.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 9 de septiembre de 2008.
Resumen de contenidos:
En el documento se presenta la máquina síncrona de imanes permanentes sin ranuras
de flujo axial. Se ha diseñado un prototipo a escala de la máquina (110 kVA, 400 Hz,
690 A) y posteriormente analizada a
través del FEM y análisis FEA. También
se calculan a través de FEA las
distribuciones inducidas en los imanes
permanentes y en los rotores; y se ve que
las pérdidas resultantes se mantienen a
Figura 3.2.23. Distribución del campo estático.
raya debido al gran entrehierro existente.
Esta característica permite que la máquina logre una alta eficiencia nominal (94%). El
prototipo también ha sido construido y las pruebas experimentales confirman los
resultados obtenidos por FEA.
Figura 3.2.24. Geometría 2D de la máquina.
77
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este documento se ha presentado la máquina síncrona de imanes permanentes sin
ranuras de flujo axial. El diseño se ha realizado para una máquina sin ranuras y se ha
prestado
especial
atención
a
las
corrientes inducidas en el rotor y en los
imanes
permanentes,
debido
a
los
campos armónicos directos e inversos.
Se ha demostrado a través de 2D FEA
que las pérdidas en el funcionamiento
nominal en los imanes permanentes y en
los rotores se mantienen bajos debido al
Figura 3.2.25. Corrientes de Foucault.
gran entrehierro asociado a la configuración sin ranuras. Los resultados experimentales
han confirmado los análisis numéricos.
Figura 3.2.26. Estator.
Figura 3.2.27. Rotor.
Figura 3.2.28. Generador AFPM.
78
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[35] Título del artículo: ANALYTICAL AND MULTIPHYSICS APPROACH TO
THE OPTIMAL DESINGN OF A 10-MW DFIG FOR DIRECT-DRIVE WIND
TURBINES.
Autores:
Vincenzo Delli Colli (Universidad de Cassino).
Fabrizio Marignetti (Universidad de Cassino).
Ciro Attaianese (Universidad de Cassino).
Palabras clave: AC generators, induction machines, wind power.
País de procedencia: Italia.
Fecha de publicación: 7 de julio de 2012.
Resumen de contenidos:
Este trabajo estudia un generador de inducción (DFIG) de 10 MW doblemente
alimentado de transmisión directa con un convertidor de tamaño reducido para su
aplicación en los aerogeneradores. El trabajo incluye el diseño de parámetros, un
procedimiento de optimización, un análisis de elementos finitos (FEA), y una
evaluación del rendimiento eléctrico. Las soluciones encontradas fueron verificadas
por FEA con el fin de asegurar la viabilidad mecánica. Se desarrollaron
comprobaciones
adicionales para permitir una evaluación concluyente.
La
optimización ha reducido el coste de la DFIG propuesta, incluyendo los materiales, las
pérdidas, y el convertidor, por lo que es ligeramente más barato que un generador
síncrono de imanes permanentes.
Figura 3.2.29. Estrella de ranuras y parte
del bobinado de una sola capa con q=1.8.
Figura 3.2.30. Estrella de ranuras y parte
del bobinado de una sola capa con q=1.5.
79
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
El estudio analizó el diseño de un DFIG 10-MW con un convertidor de escala de
deslizamiento. El trabajo incluye un diseño de parámetros concentrados y FEA; y trata
de minimizar un costo económico, incluyendo los materiales y las pérdidas. Se utiliza
una aproximación del costo de la estructura de soporte dependiente de la longitud
axial. Se han desarrollado comprobaciones adicionales mecánicas y magnéticas a
través de FEA. Además, se evaluó el rendimiento eléctrico. Finalmente, este trabajo ha
mejorado el coste de la DFIG propuesto, permitiendo alcanzar el costo de un PMSG.
Figura 3.2.31. Resultados mecánicos del FEA en la
parte activa del montaje de barras. (a) Rotor. (b)
Estator.
Figura 3.2.32. Densidad de flujo sin carga.
Figura 3.2.33. Densidad de flujo rotor
bloqueado.
Figura 3.2.33. Densidad de flujo sin carga
q=1.5.
Figura 3.2.34. Densidad de flujo rotor
bloqueado q=1.5.
80
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.3. GRECIA.
3.3.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
81
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.3.2. ARTÍCULOS.
[36]
Título del artículo: PARTICULAR ELECTROMAGNETIC FIELD
COMPUTATION FOR PERMANENT MAGNET GENERATOR WIND TURBINE
ANALYSIS.
Autores:
C. Patsios (Universidad de Atenas).
A. Chaniotis (Universidad de Atenas).
E. Tsampouris (Universidad de Atenas).
A. Kladas (Universidad de Atenas).
Palabras clave: Finite element methods, optimal machine design, permanent magnet
generators, rotor eccentricity, wind power generation.
País de procedencia: Grecia.
Fecha de publicación: 8 de agosto de 2010.
Resumen de contenidos:
Se ha realizado un preciso modelo de generador de imanes permanentes con la ayuda
de un análisis complejo de los campos electromagnéticos con el fin de explicar la
excentricidad del rotor y las fugas de campo en la zona final. El trabajo presenta una
técnica particular que permite considerar estos fenómenos a través de los modelos de
elementos finitos 2-D y 3-D e incorporar las distribuciones de la fuerza electromotriz,
incluyendo los armónicos en sistemas reales de control de tiempo. La metodología
propuesta ha sido validada por las mediciones en un prototipo de aerogenerador de
imanes permanentes.
Figura 3.3.1. FEM bidimensional de un polo. (a) Malla triangular
empleada. (b) Campo magnético en carga nominal.
82
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Utilizando una nueva metodología se ha ofrecido un modelo apropiado para la un
aerogenerador de imanes permanentes. El método se basa en un análisis de campo,
teniendo en cuenta los armónicos superiores de las fuerzas electromotrices y teniendo
en cuenta la excentricidad del rotor y la del devanado en el extremo. El modelo
propuesto ofrece una precisión muy buena, tanto para el estado de equilibrio como
para la respuesta del sistema transitorio. Se ha realizado la validación experimental de
un prototipo que demuestra la idoneidad de método para aplicaciones en energía
eólica.
Figura 3.3.2. Modelo bidimensional FEM. (a) Región reducida del
entrehierro. (b) Región aumentada del entrehierro.
Figura 3.3.3. Modelo tridimensional FEM. (a) Geometría modelada.
(b) Simulación de los resultados.
83
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[37]
Título del artículo: DETERMINISTIC AND ARTIFICIAL INTELLIGENCE
APPROACHES IN OPTIMIZING PERMANENT MAGNET GENERATORS FOR
WIND POWER APPLICATIONS.
Autores:
S. Kiartzis (Universidad de Tesalonica).
A. Kladas (Universidad de Atenas).
Palabras clave: Permanent magnets, deterministic technique, optimization procedure,
neural networks.
País de procedencia: Grecia.
Fecha de publicación: 4 de enero de 2001.
Resumen de contenidos:
Este artículo presenta el procedimiento de diseño de un prototipo de turbina eólica de
imanes permanentes de 20 kW. Este trabajo ha sido desarrollado en el marco de un
proyecto de investigación en relación con el diseño y la construcción de la turbina de
viento sin engranajes que opera de forma autónoma e interconectada con la red
eléctrica. En las aplicaciones de energía eólica, los generadores de imanes
permanentes multipolares se han vuelto muy atractivos. Los avances en materiales
magnéticos, los niveles de remanencia activada hasta 1,2 T facilita un diseño
competitivo de estructuras de generador. Este tipo de diseño tiende a sustituir a las
estructuras tradicionales que involucran ferritas. El costo del imán sigue siendo la
preocupación más importante en las aplicaciones de mediana escala, es por eso que el
presente trabajo se dedica principalmente a la optimización de los imanes
permanentes.
84
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha presentado una metodología para el diseño de generador de imanes permanentes
para aplicaciones en energía eólica. Esta técnica tiene una etapa de diseño preliminar
por medio de fórmulas estándar y una etapa de optimización que implica la utilización
de un modelo de elementos finitos 2-D con enfoques de inteligencia especiales. La
aplicación coincide respecto al diseño del generador de 20 kW multipolar para
funcionamiento autónomo e interconectado con la red eléctrica.
Figura 3.3.4. Estructura del generador de imanes permanentes. (a) Geometría de una
parte del polo. (b) Malla triangular método elementos finitos. (c) Distribución sin carga.
(d) Distribución en condiciones nominales.
Figura 3.3.5. Distribución de la densidad de flujo en el centro del entrehierro con corriente
del estator. (a) En vacío. (b) Con carga.
85
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[38]
Título del artículo: NEURAL NETWORK APPROACH COMPARED TO
SENSITIVITY ANALYSIS BASED ON FINITE ELEMENT TECHNIQUE FOR
OPTIMIZATION OF PERMANENT MAGNET GENERATORS.
Autores:
S. Kiartzis (Universidad de Tesalonica).
A.G. Kladas (Universidad de Atenas).
G. Tsekouras (Universidad de Atenas).
J.A. Tegopoulos (Universidad de Atenas).
Palabras clave: Finite element methods, neural networks, optimization methods,
permanent magnet generators.
País de procedencia: Grecia.
Fecha de publicación: 5 de septiembre de 2001.
Resumen de contenidos:
El artículo presenta el procedimiento de optimización de un prototipo de generador de
imanes permanentes para una turbina eólica de 20 kW. La estructura del rotor ha sido
construida con imanes de aleación de neodimio para realizar el diseño con la forma
óptima. Con una técnica basada en el método de elementos finitos y análisis de
sensibilidad se han introducido y comparado cuatro capas de redes para su
alimentación. Los métodos considerados tienen una buena concordancia.
Figura 3.3.6. Máquina método de elementos finitos. (a) Campo de distribución
en vacío 2-D FEM. (b) Campo de distribución en carga 2-D FEM.
86
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este documento se ha presentado una metodología para el diseño del generador de
imanes permanentes para aplicaciones en energía eólica. Esta técnica comprende una
etapa de diseño preliminar por medio de fórmulas estándar y una fase de optimización
con la participación de modelos de elementos finitos 2-D y 3-D utilizando tanto
enfoques deterministas como de inteligencia artificial. Se da un ejemplo de su
aplicación y los resultados del método se validan a través de las mediciones.
Figura 3.3.7. Máquina analizada por el método de elementos finitos.
(a) Malla triangular 2-D. (b) Malla del estator 3-D y representación
esquemática de los bobinados. (c) Malla 3-D de la parte del rotor.
87
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.4. ALEMANIA.
3.4.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
88
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.4.2. ARTÍCULOS.
[39]
Título del artículo: DESIGN, CONSTRUCTION AND TEST OF A
PERMANENT-MAGNET PROTOTYPE MACHINE FOR WIND ENERGY
APPLICATIONS.
Autores:
R.E. Hanitsch (Universidad de Berlin).
M.S. Widyan (Universidad de Zarqa).
Palabras clave: Permanent magnet prototype, wind energy, prototype.
País de procedencia: Alemania / Jordania.
Fecha de publicación: 29 de septiembre de 2005.
Resumen de contenidos:
Se ha diseñado, optimizado, construido y probado una topología de generador
eléctrico de imanes permanentes, de baja velocidad y flujo radial. La técnica de
elementos finitos (FET) fue utilizada para los detalles característicos y los ajustes
finales. El diseño se llevó a cabo con imanes NdFeB teniendo en cuenta la
concentración de flujo. La topología toroidal (toro) permite tener bobinas colocadas en
las ranuras planas con los extremos cortos, lo que contribuye a una mayor eficiencia y
una mejor relación peso/potencia. La concentración de flujo de los imanes
permanentes es tangencial a la estructura de soporte del rotor, que puede ser hecha de
material no magnético ligero. El par del engranaje de la máquina se calcula utilizando
la técnica de flujo-MMF junto con la ayuda del FET.
Figura 3.4.1. Diagrama esquemático de la configuración de la máquina.
89
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha diseñado, optimizado, construido y probado una topología de generador
eléctrico de imanes permanentes, de baja velocidad y flujo radial. Los imanes
permanentes son fijos en la estructura del soporte del rotor, que no debe estar formado
por material magnético blando. Las bobinas son de tipo toroidal (toro), colocadas en
las ranuras planas y con extremos cortos. Un material magnético blando se adjunta a
ambos lados de los imanes permanentes, que proporciona un camino fácil para la
penetración de flujo. En la máquina prototipo se han realizado ensayos con una baja
velocidad del generador. Se ha logrado una buena concordancia entre los resultados
teóricos prácticos. En comparación con otras máquinas eléctricas de potencia
similares, el prototipo presenta una eficiencia relativamente alta. La eficiencia de la
máquina es de aproximadamente 84,6% a una potencia de salida de 1270 W y una
velocidad de rotación de 250 rpm.
Figura 3.4.2. Líneas del flujo de distribución sin carga con: (a) 0, (b) 3, (c) 6 y (d) 9
grados mecánicos del ángulo de rotación del rotor.
Figura 3.4.3. Líneas del flujo de distribución. (a) En vacío. (b) A plena carga.
90
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[40]
Título del artículo: OPERATIONAL EXPERIENCE WITH THE WORLD´S
FIRST 3600 RPM 4 MVA GENERATOR AT SIEMENS.
Autores:
Wolfgang Nick (Corporación tecnológica Siemens AG).
Michael Frank (Corporación tecnológica Siemens AG).
Gunar Klaus (Corporación tecnológica Siemens AG).
Joachim Frauenhofer (Corporación tecnológica Siemens AG).
Heinz-Werner Neumüller (Unidades de automatización Siemens AG).
Palabras clave: High-temperature superconductors, superconducting rotating
machines, synchronous machines.
País de procedencia: Alemania.
Fecha de publicación: 2 de junio de 2007.
Resumen de contenidos:
Las máquinas síncronas HTS excitadas ofrecen ventajas sustanciales con respecto a la
eficiencia, el tamaño y el comportamiento en las operaciones. Se ha diseñado y
construido una máquina de 400 KW para investigar la viabilidad de los componentes
críticos del sistema y las interacciones.
Después de la finalización con éxito de estas
pruebas se ha realizado un generador HTS a
tamaño real de 4 MVA. Este generador ha sido
diseñado y fabricado y sometido a prueba en
el
Siemens
A&D.
No
se
encontraron
problemas causados por la alta aceleración
centrífuga que actúa sobre los componentes
Figura 3.4.4. Generador HTS 4 MVA.
del rotor, como por ejemplo, los bobinados
HTS. Las características de la máquina resultantes se determinaron, incluyendo la
eficiencia del sistema de refrigeración del rotor que se observó que aproximadamente
era el 2% superior a los generadores convencionales de misma potencia. Las pruebas
adicionales están en curso.
91
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Es esencial asegurarse de que las herramientas de cálculo establecidas, así como los
procedimientos de cálculo de diseño y los procedimientos para la determinación
experimental de parámetros que se utilizan para las máquinas convencionales se
pueden utilizar también para las máquinas HTS. Se ha demostrado que es posible
obtener los parámetros eléctricos de máquinas HTS con los mismos procedimientos de
prueba tal como se utilizan para las máquinas convencionales. Sin embargo, las
pruebas específicas son necesarias para comprender el comportamiento de las
máquinas HTS especialmente cuando se usa en conexión con convertidores de
potencia. Los resultados obtenidos con cálculos 2D, no son lo suficientemente
precisos. Así, tienen que realizarse cálculos en 3D. Especialmente, para estimar las
pérdidas por corrientes de Foucault del rotor. El mejor conocimiento práctico y
electromagnético de las máquinas HTS como se desarrolla en este proyecto con
respecto a las pruebas experimentales y técnicas de simulación numérica es un
elemento fundamental para llevar este tipo de máquinas al mercado.
Figura 3.4.5. Modelo 3D FE de la máquina.
92
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[41]
Título del artículo: DEVELOPMENT OF SYNCHRONOUS MACHINES
WITH HTS ROTOR.
Autores:
Wolfgang Nick (Corporación tecnológica Siemens AG).
Michael Frank (Corporación tecnológica Siemens AG).
P. Kummeth (Corporación tecnológica Siemens AG).
G. Nerowski (Corporación tecnológica Siemens AG).
Heinz-Werner Neumüller (Unidades de automatización Siemens AG).
Palabras clave: Superconducting motor, superconducting generator, HTS, Bi-2223.
País de procedencia: Alemania.
Fecha de publicación: 15 de julio de 2005.
Resumen de contenidos:
La optimización en el diseño de máquinas síncronas se puede lograr mediante el uso
de conductores de cinta HTS. La introducción de un estator bobinado libre de hierro
con núcleo de aire y la sustitución de las
bobinas de cobre del rotor por cintas Bi-2223
permite
desarrollar
máquinas
HTS
muy
compactas con menos de la mitad del peso y
volumen,
mayor
eficiencia
operativa
y
comportamiento excelente en comparación con
dispositivos convencionales. En consecuencia,
estas máquinas rotativas con rotores HTS
llegan a ser muy atractivas para las unidades de
buques, la generación de energía y aplicaciones
Figura 3.4.6. Tubo de torsión que fue
destruido en la prueba.
industriales. Se ha diseñado, fabricado y probado una máquina HTS sincróna de 400
kW en Siemens. El objetivo principal era demostrar la viabilidad de los conceptos
básicos.
93
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Se ha validado correctamente la viabilidad de la tecnología HTS mediante pruebas en
la máquina HTS de 400 kW bajo diferentes modos de funcionamiento y durante largo
tiempo. El sistema de circuito cerrado de refrigeración del motor se ha estado
probando más de tres años sin ningún problema. El sistema de refrigeración futuro, ha
de ser capaz de operar en un ambiente industrial agresivo y debe abordar también la
seguridad operacional. La redundancia necesaria puede obtenerse mediante la
utilización de varias cabezas frías en un sistema de termosifones. Por enfriamiento
rápido a todas las cabezas frías podrían ser utilizadas. En condiciones de
funcionamiento estacionario normal, el sistema podría ser operado con una sola cabeza
fría.
Figura 3.4.7. (Izq.) Prueba de configuración
para los enlaces de la cinta. (Der.) Prueba de
puesta en marcha del criostato.
Figura 3.4.8. Prueba de torsión para la
puesta a punto de los tubos de torsión.
Figura 3.4.9. Maquina HTS.
94
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[42]
Título del artículo: 380 KW SYNCHRONOUS MACHINE WITH HTS
ROTOR WINDINGS, DEVELOPMENT AT SIEMENS AND FIRST TEST
RESULTS.
Autores:
Wolfgang Nick (Corporación tecnológica Siemens AG).
Michael Frank (Siemens Autamation & Drives).
G. Nerowski (Corporación tecnológica Siemens AG).
Heinz-Werner Neumüller (Unidades de automatización Siemens AG).
P. van Hasselt (Corporación tecnológica Siemens AG).
J. Frauenhofer (Siemens Autamation & Drives).
F. Steinmeyer (Siemens Autamation & Drives).
Palabras clave: Superconducting motor, superconducting generator, superconducting
electrical machine.
País de procedencia: Alemania.
Fecha de publicación: 1 de agosto de 2002.
Resumen de contenidos:
La aplicación de los superconductores en el rotor de la máquina síncrona permite el
diseño de motores o generadores más ligeros, más compactos y cuentan con un mejor
rendimiento. La tarea principal del proyecto era demostrar la viabilidad de los
conceptos
básicos.
El
rotor
se
construyó a partir de bobinas de Bi2223 con conductores de cinta HTS,
estos fueron montados sobre un núcleo
y fijado por un vendaje de material
compuesto de fibra de vidrio. La
refrigeración de la bobina del rotor se
consigue por conducción térmica, un
Figura 3.4.10. Bobinas para el prototipo de 380kw.
extremo del eje del motor es hueco para
permitir el acceso al sistema de refrigeración. Se han diseñado y operado con éxito dos
sistemas de refrigeración: en primer lugar un circuito abierto utilizando helio gaseoso
95
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
frío desde un recipiente de almacenamiento, en segundo lugar un sistema de circuito
cerrado sobre la base de un criogenerador. Para aprovechar las ventajas de los niveles
de inducción de rotor, el bobinado del estator fue diseñado con un espacio de aire en
forma de caracol. Este fue fabricado y montado en una carcasa estándar del motor.
Después de montaje de todo el sistema en una instalación de pruebas con algunos
experimentos de carga de CC de la máquina se han empezado a probar la validez de
nuestro diseño, incluyendo la operación con los sistemas de refrigeración tanto de
conducción y el estator de la red, así como por un inversor de potencia.
Conclusiones del artículo:
Los resultados positivos del proyecto de Siemens para diseñar y construir un motor de
380 kW de potencia han demostrado que nuestros conceptos para posibles futuras
máquinas de superconductores de alta temperatura son viables. Se diseñó y construyó
el estator con entrehierro y operado con éxito durante un par de meses. Parece
técnicamente factible construir una máquina síncrona superconductora con una
densidad de potencia que se provoca por un factor de 2-4 con relación a la tecnología
convencional, al mismo tiempo mejorar la eficiencia. Para máquinas de gran tamaño
eficiencia se espera obtener por encima de 99%. Se requiere mejoras en la confianza y
el servicio con el fin de convencer a los clientes futuros que operar con una máquina
HTS realmente vale la pena sin la adopción de ningun riesgo.
Figura 3.4.11. Rotor del prototipo de
380kw.
Figura 3.4.12. Resultados 2D para el cálculo FE
de la sección transversal del rotor. Izquierda:
Inducción magnética; Derecha: Deformación
debido al vendaje, torsión y rotación.
96
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.5. BÉLGICA.
3.5.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
97
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.5.2. ARTÍCULOS.
[43]
Título del artículo: INFLUENCE OF THE ELECTRICAL STEEL GRADE
ON THE PERFORMANCE OF THE DIRECT-DRIVE AND SINGLE STAGE
GEARBOX
PERMANENT-MAGNET
MACHINE
FOR
WIND
ENERGY
GENERATION, BASED ON AN ANALYTICAL MODEL.
Autores:
Damian Kowal (Universidad de Ghent).
Luc Dupré (Universidad de Ghent).
Peter Sergeant (Universidad de Ghent).
Lode Vandenbossche (Universidad de Ghent).
Marc De Wulf (Universidad de Ghent).
Palabras clave: Analytical model, electrical Steel, permanent-magnet synchronous
genrator, wind energy.
País de procedencia: Bélgica.
Fecha de publicación: 12 de diciembre de 2011.
Resumen de contenidos:
Se ha estudiado el rendimiento de una turbina eólica usando un generador síncrono de
imanes permanentes (PMSG) de velocidad variable con transmisión, se compara su
funcionamiento al poner una caja de cambios con PMSG de una sola etapa. Se modela
un tipo de anillo de flujo radial. Para una aportación de energía mecánica fija, la
geometría del generador está optimizada para cada sistema de turbina para maximizar
la eficiencia anual del generador. La eficiencia anual se calcula en base a la curva de
potencia del generador y la probabilidad de la función de densidad de la velocidad del
viento. Esta función se puede aproximar por la función de distribución de Weibull para
un sitio con una velocidad media del viento de 7 m/s. Para los sistemas generadores
estudiados, la eficiencia anual de dos generadores optimizados utilizando diferentes
grados de acero varía en torno al 1%. La diferencia depende de la masa de material
activo del generador.
98
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Un modelo analítico (validado por FEM) para el generador síncrono de imanes
permanentes demuestra ser eficaz para el análisis de la influencia eléctrica del tipo de
acero utilizado con respecto a la eficiencia anual. En el caso de los dos sistemas
generadores presentados, la eficiencia anual
del generador optimizado para el material de
M235-35A es superior a la de grado M80065A. El número de pares de polos óptimo
(frecuencia), con respecto a la eficiencia
anual del generador es mayor para el
material M235-35A. Para ambos materiales
la diferencia entre el hierro y pérdidas en el
cobre anual de energía está disminuyendo
Figura 3.5.1. (a) Esquema de velocidad
variable con PMSG. (b) Esquema de
velocidad variable con caja de cambios de
una sola etapa y PMSG.
con el aumento de la masa del generador. Para la masa fija del generador, con el
aumento del número de pares de polos el diámetro está aumentando y la longitud axial
de la máquina está disminuyendo. Se observó una diferencia significativa en la
eficiencia de dos sistemas considerados. Esta diferencia es una consecuencia de las
pérdidas en la caja de cambios en el accionamiento del segundo sistema considerado.
A pesar de tener una menor eficiencia, el segundo tipo de sistema puede ser la
alternativa a la solución de accionamiento directo, debido a la reducción significativa
del tamaño del generador.
Figura 3.5.2. Geometría FEM (Líneas de
campo magnético).
Figura 3.5.3. Diagrama esquemático multipolar,
flujo radial, tipo anillo, rotor interior del
generador.
99
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[44]
Título del artículo: OPTIMIZED DESIGN CONSIDERING THE MASS
INFLUENCE OF AXIAL FLUX PERMANENT-MAGNET SYNCHRONOUS
GENERATOR WITH CONCENTRATED POLE WINDINGS.
Autores:
Hendrik Vansompel (Universidad de Ghent).
Luc Dupré (Universidad de Ghent).
Peter Sergeant (Universidad de Ghent).
Palabras clave: Axial flux machine, efficiency, finite-element methods, optimization,
permanent-magnet generators, stainable energy.
País de procedencia: Bélgica.
Fecha de publicación: 12 de diciembre de 2010.
Resumen de contenidos:
En este documento se examina la optimización y la eficiencia de un generador
síncrono, de flujo axial, con imanes permanentes, devanados y polos concentrados de
3,6 kW a 2000 rpm. Debido a que la eficiencia de la máquina es importante, se toman
medidas específicas a fin de reducir las pérdidas en la máquina: material de grano fino
orientado laminado en los dientes, polos con devanados concentrados, y los imanes
segmentados. Se realiza un
estudio de la influencia de
un conjunto limitado de
parámetros de la geometría
Figura 3.5.4. Configuraciones de la pila de chapas. (a)
Solapamiento completo ideal. (b) Superposición completa. (c)
Alternadas con dos tipos de laminación.
sobre la eficiencia de este
tipo de máquina, utilizando
tanto
métodos
analíticos
como de elementos finitos. En el análisis, así como en el modelo de elementos finitos,
la geometría en 3-D de la máquina de flujo axial se aproxima haciendo múltiples
modelos 2-D en diferentes radios en sentido circunferencial. Posteriormente, se
considera la influencia de la masa sobre los valores óptimos de los parámetros de la
geometría y la eficiencia, y se encontró que la masa puede ser seriamente disminuida
100
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
con sólo una pequeña reducción en la eficiencia. Finalmente, los resultados de ambos
métodos se comparan con las mediciones en un prototipo para evaluar su validez.
Conclusiones del artículo:
En este trabajo se ha optimizado la eficiencia energética de un generador AFPMSM
mediante el uso de expresiones analíticas, así como por el método FEM, mediante el
estudio de la influencia de los 4 parámetros básicos. En primer lugar se lleva a cabo
una optimización del rendimiento
sin ninguna restricción de masa,
dando lugar a un generador más
eficiente. Con la masa de este
generador más eficiente como
referencia, se imponen diferentes
masas y la optimización de la
eficiencia
se
realiza
repetidamente para cada masa. Se
Figura 3.5.5. Representación esquemática 2D de la
máquina.
muestra que la curva de eficiencia en masa tiene un campo plano cerca del punto de
máxima eficiencia, lo que significa que la masa puede ser seriamente disminuida con
sólo una pequeña reducción en la eficiencia. Esta reducción de la masa puede ser
importante para aplicaciones móviles y permite una construcción de la máquina con
costes de material reducidos. La exactitud de ambos modelos de elementos finitos y
analíticos, en que se basa el procedimiento de optimización, se demostró por medio de
mediciones sobre un prototipo.
Figura 3.5.6. Detalle del plano de cálculo
(imán alineado con los dientes).
Figura 3.5.7. Foto del estator de prototipo.
101
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.6. DINAMARCA.
3.6.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
102
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.6.2. ARTÍCULOS.
[45]
Título del artículo: OPTIMAL DESIGN OF STATOR INTERIOR
PERMANENT MAGNET MACHINE WITH MINIMIZED COGGING TORQUE
FOR WIND POWER APPLICATION.
Autores:
Zhe Chen (Universidad de Aalborg).
Jianzhong Zhang (Universidad de Aalborg).
Ming Cheng (Universidad de Southeast).
Palabras clave: Cogging torque, flux switching, optimal design, permanent magnet
machine, wind power.
País de procedencia: Dinamarca / China.
Fecha de publicación: 20 de febrero de 2008.
Resumen de contenidos:
En este trabajo se propone un nuevo enfoque para minimizar el par de retención de un
imán permanente del estator (SIPM) de la máquina. Se lleva a cabo la optimización del
espacio de aire entre la ranura y el
estator
del
imán
permanente
analizado mediante el análisis de
elementos finitos. Para verificar el
análisis
teórico
experimentos
en
se
una
realizaron
máquina
prototipo. Se llevó a cabo la
comparación entre el generador
Figura 3.6.1. Distribución de flujo de la estructura
asimétrica.
SIPM mejorado y un generador de
flujo radial síncrono de imán
permanente para una turbina eólica de 3 MW. Esto demuestra que el generador SIPM
propuesto en este artículo tiene mayor densidad de potencia y menor coste.
103
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Este documento propone un diseño SIPM, una nueva máquina con el fin de minimizar
la fluctuación del par motor. Se muestra que la conmutación de flujo todavía se
mantiene y los componentes armónicos de la fuerza contraelectromotriz no se
incrementarán como la adopción de la zapata del diente. Esta mejora no sólo mantiene
la ranura del estator con ranuras suficientes para acomodar las bobinas de la armadura,
sino que también aumenta la anchura del segmento del diente en el estator. Con la
introducción de la zapata se complica el diseño de la máquina SIPM, pero se lleva a
cabo un diseño óptimo. Sometiendo la misma potencia se muestra que la ondulación
del par motor disminuye en gran medida en comparación con el diseño original y hay
un punto mínimo de par motor cuando anchura de la ranura disminuye. Se analizó por
el método de elementos finitos el rendimiento de la máquina SIPM optimizada y se
verifico con una máquina prototipo. Se llevó a cabo la comparación del generador
SIPM con el PMSG base de un aerogenerador de 3 MW. Se demuestra que el
generador SIPM tiene mayor densidad de potencia por unidad de peso y menor coste.
Mientras que las unidades del segmento del estator y los imanes rectangulares se
utilizan en el generador SIPM, ya que la fabricación es más fácil para la aplicación en
gran potencia. El rotor, que es simple, robusto y fácil de producir, hace que el
generador SIPM sea más atractivo que el PMSG.
Figura 3.6.2. Sección transversal de una
máquina SIPM 12/10 polos.
Figura 3.6.3. Prototipo SIPM 12/10
polos. (a) Estator. (b) Rotor.
104
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[46]
Título del artículo: DESIGN CONSIDERATIONS OF PERMANENT
MAGNET TRANSVERSE FLUX MACHINES.
Autores:
Kaiyuan Lu (Universidad de Aalborg).
Peter Omand Rasmussen (Universidad de Aalborg).
Ewen Ritchie (Universidad de Southeast).
Palabras clave: Inductance, leakage flux, permanent magnet, transverse flux machine.
País de procedencia: Dinamarca.
Fecha de publicación: 10 de octubre de 2011.
Resumen de contenidos:
La máquina de imanes permanentes de flujo transversal (PMTFM) destaca por su alta
densidad de par y es interesante para aplicaciones de accionamiento directo. Debido a
sus componentes de flujo complicados, el
diseño 3-D y la optimización del diseño del
PMTFM es más difícil y consume mucho
más tiempo que para máquinas eléctricas de
flujo radial. Este artículo aborda dos
aspectos más importantes del diseño para
PMTFM la influencia del flujo de fuga de
los imanes permanentes, que desempeña un
papel importante para determinar la torsión
de salida de la máquina, y la inductancia de
fuga. Se propone un nuevo método para
Figura 3.6.4. Modelo de elementos finitos
en 3-D del prototipo de flujo transversal.
proporcionar una estimación rápida de la inductancia de fuga del inducido, evitando el
uso de complicados modelos 3-D de reluctancias equivalentes para estimar el
componente circunferencial del flujo de dispersión en la armadura. Los resultados del
análisis se apoyan en los métodos de elementos finitos 2-D y 3-D y resultados de las
mediciones en un prototipo PMTFM.
105
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este trabajo se han investigado dos cuestiones fundamentales para el diseño de una
máquina PMTFM. Se ha demostrado que la componente predominante del flujo de
fuga del imán permanente está en el plano transversal, debido a una disposición
heteropolar de los imanes del rotor. Se ha introducido un método simple, basado en el
coeficiente de Carter, lo que nos da una valoración simple y rápida de la inductancia
de fuga de la máquina y lo que representa el componente circunferencial del flujo de
dispersión en la armadura. El método y las conclusiones presentadas en este
documento proporcionan una buena base para la optimización del diseño de la
máquina PMTFM.
Figura 3.6.5. Componente predominante del flujo de
fuga en el imán permanente.
106
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.7. ESPAÑA.
3.7.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
107
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.7.2. ARTÍCULOS.
[47]
Título del artículo: DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN OUTER-
ROTOR PM SYNCHRONOUS GENERATOR FOR SMALL WIND TURBINES;
COMPARING REAL RESULTS WITH THOSE OF FE MODEL.
Autores:
A. Olano (Universidad del País Vasco).
V. Moreno (Universidad del País Vasco).
J. Molina (Universidad del País Vasco).
I. Zubia (Universidad del País Vasco).
Palabras clave: Permanent magnet, design synchronous generator, wind turbines.
País de procedencia: España.
Fecha de publicación: 9 de septiembre de 2008.
Resumen de contenidos:
El propósito de este trabajo es obtener un modelo contrastado y flexible a fin de
analizar y diseñar el rotor exterior de imanes permanentes (PM) para generadores de
turbinas eólicas directamente acoplados a red, mejorando el prototipo anterior, que fue
diseñado, construido y verificado hace dos
años. Un análisis de elementos finitos FLUX
2D y 3D se ha utilizado para diseñar y
analizar el generador AM. La aplicación 3D
se utilizó
también
para
contrastar los
resultados entre las aplicaciones diJTerent y
Figura 3.7.1. Diseño en 2D del generador
de imanes permanentes.
resultados reales obtenidos en el prototipo de
reciente
indicadas
construcción.
han
sido
Las
herramientas
muy útiles,
y se
complementan con la formulación clásica adaptada para el prototipo, son adecuados
para el tratamiento de este tipo de ranuras, convirtiéndose en realmente útil la
utilización del software.
108
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Hoy
en
día,
permanentes
los
de
generadores
de
imanes
accionamiento
directo
directamente acoplados se han convertido en algo
muy atractivo para las aplicaciones en turbinas
eólicas. Este trabajo describe el diseño y la
realización de un prototipo de 8 kW. Este es el
resultado después de introducir algunas mejoras
con respecto a la anterior como aumentar su
Figura 3.7.2. Vista completa del flujo
en 3D de la máquina.
longitud y reducir el número de espiras por
bobina. Una estructura exterior del rotor ha sido
seleccionada con el fin de obtener un buen
equilibrio entre potencia, peso y volumen de la
máquina.
Se
han
tenido
en
cuenta
varias
limitaciones de diseño, en especial las ranuras y el
par motor. Sobre el par motor, se ha demostrado
que es suficiente por el análisis de FE y datos
prototipos reales de un diseño de ranura asimétrica.
Los resultados obtenidos a través de los modelos
Figura 3.7.3. Densidad del flujo 2D
asimétrico con rotación de 30º.
3D, 2D y a través del prototipo eran exactamente
los mismos. En conclusión, con respecto a la computadora y la exactitud del modelo,
la opción de 2D asimétrica es la más equilibrada.
Figura 3.7.4. Densidad del flujo 3D
(final de los devanados).
Figura 3.7.5. Densidad del flujo 2D.
109
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[48]
Título del artículo: FAST SIZING AND SIMULATION OF MULTIPOLE
RADIAL FLUX PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINES.
Autores:
I. Elosegui (CEIT, Parquet Tecnológico de San Sebastián).
I. Egaña (Universidad de Navarra).
L. Fontán (CEIT, Parquet Tecnológico de San Sebastián).
Andrés Garcia Rico (Universidad de Navarra).
M. Martínez-Iturralde (CEIT, Parquet Tecnológico de San Sebastián).
Palabras clave: Analytical calculation algorithm, design methodology, finite element
method, radial flux permanent magnet machine.
País de procedencia: España.
Fecha de publicación: 25 de julio de 2008.
Resumen de contenidos:
Este documento proporciona una herramienta automática para el dimensionamiento,
cálculo, optimización y simulación de máquinas síncronas (RPMSM) multipolares de
imanes permanentes y flujo radial. Sólo se tienen que definir cuatro parámetros para
poder obtener la máquina: potencia de salida, tensión nominal, frecuencia y el número
de pares de polos. En primer lugar, se obtienen las características geométricas,
eléctricas y magnéticas. En segundo lugar, se realiza un cálculo preciso del tamaño de
la máquina. Cualquier variable puede ser modificada en los bucles de optimización
con el fin de comprobar su influencia en el rendimiento de la máquina. Todo el
procedimiento se ha llevado a cabo mediante el uso de MATLAB, el cual nos permite
obtener diferentes prototipos en un intervalo de tiempo muy corto, lo que reduce
significativamente el proceso de diseño de la máquina RPMSM. La geometría
obtenida se exporta a un software de elementos finitos donde se genera
automáticamente la geometría, las mallas, las características del material y el circuito
eléctrico. Finalmente todo el procedimiento ha sido contrastado y validado a través de
la construcción y prueba de un prototipo en el laboratorio.
110
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este documento se presenta una herramienta para el dimensionado automático,
cálculo, optimización y simulación de una máquina RPMSM. El conjunto de la
máquina
dimensiones
geométricas,
parámetros
eléctricos y magnéticos necesarios para la definición
de la máquina se obtienen a partir de sólo unas
pocas entradas de datos. El vínculo entre las cifras
presentadas (implementadas en MATLAB) y el
software de elementos finitos, permite generar y
simular la máquina de forma analítica en un corto
espacio de tiempo y con buena precisión. Como se
Figura 3.7.6. Prototipo RPMSM
construido.
ha demostrado, una máquina se puede optimizar utilizando muchos parámetros
(densidad de corriente, anchura del imán, calidad del acero magnético, número de
ranuras por polo y fase...), para personalizar las características de la máquina
dependiendo de las posibles restricciones definidas por el diseñador y de la aplicación.
Figura 3.7.7. Densidades de flujo del prototipo
RPMSM.
Figura 3.7.8. Parámetros del prototipo.
111
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.8. FINLANDIA.
3.8.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
112
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.8.2. ARTÍCULOS.
[49] Título del artículo: THE DESIGN AND CONSTRUCTION OF A 1500W HTS
SUPERCONDUCTING SYNCHRONOUS MACHINE.
Autores:
R. Mikkonen (Universidad de Tampere).
L. Söderlund (Universidad de Tampere).
J.-T. Eriksson (Universidad de Tampere).
Palabras clave: synchronous machine, superconductor, HTS.
País de procedencia: Finlandia.
Fecha de publicación: 4 de julio de 1996.
Resumen de contenidos:
Se ha construido una máquina síncrona de cuatro polos de inducido con devanados de
campo HTS estacionarios. Las bobinas de racetrack de Bi-2223lAg están fabricadas
por American Superconductor Co. Se ha obtenido una densidad de corriente global de
4.700 A/cm2 a una temperatura de funcionamiento de 20 K con un campo de 0,7 T. En
20 K plata y Bi 2223 hay mayores capacidades de calor en comparación con 4 K. Esto,
combinado con un amplio margen entre la temperatura de funcionamiento y la
temperatura crítica, mejora la estabilidad del sistema magnético. Además, la
proporción de la energía almacenada de las bobinas y la potencia de refrigeración
requerida alcanzan el máximo en el rango de temperaturas de 20-40 K. El criostato
también se ha diseñado con el fin de cumplir los requisitos del helio líquido. Se
presenta la descripción de la máquina y el diseño basado en el análisis de campo 3D en
un funcionamiento en estado estacionario.
113
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Debido a las leyes de la termodinámica, además de una serie de factores prácticos, el
costo y la complejidad de la disminución en la refrigeración, la temperatura requerida
es
mayor.
Sistemas
de
refrigeración
criogénicos mecánicos podría ser la forma
más flexible de proporcionar refrigeración
para dispositivos HTS en el futuro. Debido
a lo que el motor ha descrito, no se utilizará
refrigeración
criogénica.
En
futuras
máquinas de gran escala a medida que
avanza el desarrollo de materiales HTS
puede soportar corrientes más altas en los
campos de
varios teslas. Los materiales
HTS ofrecen la posibilidad de construir un
Figura 3.8.1. Circuito magnético utilizado en
el análisis del campo numérico.
sistema de magnetización de peso ligero, sino que también facilita la construcción de
una armadura con ranuras. Esto, junto con la temperatura de funcionamiento mayor
crea nuevos escenarios para el diseño de motores eléctricos de alta potencia y bajas
velocidades ajustables, los motores síncronos multipolares, especialmente para la
propulsión de los buques y trenes eléctricos.
Figura 3.8.2. Vista general del criostato.
114
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[50]
Título del artículo: 3-D FINITE ELEMENT ANALYSIS OF MAGNETIC
FORCES ON STATOR END-WINDINGS OF AN INDUCTION MACHINE.
Autores:
Ranran Lin (Universidad de Helsinki).
Antero Arkkio (Universidad de Helsinki).
Palabras clave: End-winding, finite element analysis, force.
País de procedencia: Finlandia.
Fecha de publicación: 11 de noviembre de 2008.
Resumen de contenidos:
En este trabajo se pretende analizar las fuerzas magnéticas en los devanados del estator
de una máquina de inducción a plena carga con un análisis de elementos finitos 3-D en
estado estacionario, las fuerzas radiales, circunferencial y axial constan de un
componente constante y un componente sinusoidal con una doble frecuencia. El
análisis muestra que las fuerzas sobre la parte articulada superior del extremo de la
bobina son más grandes que en las otras partes y los componentes constantes y las
amplitudes de los componentes sinusoidales de las fuerzas sobre las mismas
posiciones de la bobina diferente termina en un cinturón de fase. Finalmente, el
análisis de las tensiones indica que las tensiones en el extremo de la bobina, que
corresponden a los componentes de las fuerzas constantes, son pequeñas.
Figura 3.8.3. Modelo geométrico en 3-D de un
extremo de la bobina con los índices de los
segmentos marcados.
115
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Este trabajo estudia las fuerzas magnéticas en estado estacionario en las bobinas
finales. Las direcciones, los componentes constantes de las fuerzas sobre la parte
superior son más fuertes que los de la parte inferior en el extremo de la bobina. Las
amplitudes de las componentes sinusoidales y
de las direcciones, también son más grandes
en la parte superior. Dentro de un cinturón de
fase, los componentes constantes y las
amplitudes de los componentes sinusoidales de
las fuerzas sobre las mismas posiciones de los
extremos de la bobina son diferentes. Además,
la diferencia de fase entre los componentes
sinusoidales radial y circunferencial en la parte
superior es diferente que en la parte inferior de
un extremo de la bobina. Además, las fuerzas
Figura 3.8.4. La bobina termina en un
cinturón de fase.
sobre las posiciones diferentes de un extremo de la bobina única son diferentes .Con
respecto a un extremo de la bobina, la parte de la articulación y sus partes colindantes
están sujetas a mayores fuerzas instantáneas que las otras partes. Sin embargo, las
tensiones en el extremo de la bobina, que corresponden a los componentes de las
fuerzas constantes, son pequeñas en comparación con el límite elástico del cobre.
116
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.9. FRANCIA.
3.9.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
117
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.9.2. ARTÍCULOS.
[51]
Título del artículo: DESIGN AND OPTIMIZATION OF A NINE-PHASE
AXIAL-FLUX PM SYNCHRONOUS GENERATOR WITH CONCENTRATED
WINDING FOR DIRECT-DRIVE WIND TURBINE.
Autores:
Stéphane Brisset (Universidad de Lille).
Darius Vizireanu (Empresa Power Sistem Components).
Pascal Brochet (Universidad de Lille).
Palabras clave: Design, direct drive, optimization, polyphased permanent-magnet
(PM), axial flux.
País de procedencia: Francia.
Fecha de publicación: 3 de mayo de 2008.
Resumen de contenidos:
Se presenta un estudio comparativo de diferentes configuraciones de un generador
síncrono de imanes permanentes de flujo axial de nueve fases, devanados
concentrados, de transmisión directa para la aplicación en una turbina eólica. Se han
realizado análisis bidimensionales de elementos finitos que se usan para encontrar las
mejores configuraciones. Un modelo analítico está construido y validado con las
mediciones en un prototipo a pequeña escala. Se utiliza un proceso de optimización
para minimizar la masa total y para maximizar el factor de potencia. Se busca la mejor
configuración y los valores de los parámetros de diseño.
Figura 3.9.1. Líneas de flujo sin carga para la configuración 10p9s.
118
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este trabajo se ha presentado un estudio comparativo de diferentes configuraciones
de un generador síncrono de AM de nueve fases concentrado en cinturón de
accionamiento
directo
para
turbina
eólica.
Las
configuraciones más interesantes son las presentadas
sobre la base de 2-D FEA. Un modelo calibrado fue
construido para calcular los rendimientos, temperaturas,
y la masa activa total de la máquina. El modelo
calibrado ha sido validado por la construcción de un
Figura 3.9.2. Prototipo 10p9s.
prototipo de bajo consumo, que muestra una buena concordancia entre las medidas y
las especificaciones. El modelo calibrado se utiliza en un bucle de optimización, donde
los objetivos son minimizar la masa total activa del generador, maximizar el factor de
potencia con respecto a las limitaciones tecnológicas en la eficiencia del sistema y las
temperaturas. Se investigaron tres configuraciones en las estructuras de simple y doble
apilamiento, se compararon los rendimientos.
Figura 3.9.3. Prototipo 10p9s. (a) Medio generador. (b) Un estator. (c) Medio rotor.
Figura 3.9.4. Térmico tridimensional FEA.
119
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[52]
Título del artículo: PERMANENT MAGNET PLANAR MICRO-
GENERATORS.
Autores:
Hynek Raisigel (Laboratorio electrotécnico de Grenoble ).
Orphée Cugat (Laboratorio electrotécnico de Grenoble).
Jérôme Delamare (Laboratorio electrotécnico de Grenoble).
Palabras clave: Power MEMS, synchronous permanent magnet machine, microgenerator, MAGMAS.
País de procedencia: Francia.
Fecha de publicación: 11 de octubre de 2005.
Resumen de contenidos:
Este artículo se basa en la construcción de un generador plano de Ø8mm; consta de un
rotor en forma de disco de imanes permanentes de SmCo5 o NdFeB, y un estator
trifásico de silicio con bobinas planas. Se han
realizado pruebas a alta velocidad y los
resultados eléctricos nos han presentado una
potencia de salida de 5W por el estator a 380000
rpm. Se ha presentado un primer prototipo microTurbo-generador accionado por aire comprimido,
el cual entrega de una potencia eléctrica de salida
de 14.6mW
aplicaciones
a 58000
de
la
rpm.
gama
de
Las
los
posibles
micro-
Generadores de alta velocidad son motores de
Figura 3.9.5. Estator trifásico de
doble capa con su conector.
gas que generan energía eléctrica, sistemas para el flujo inalámbrico o sensores de
velocidad de aire.
120
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Un micro-generador magnético plano de 8 mm de diámetro ha sido desarrollado y
probado con éxito a velocidades de hasta 400000 rpm, a esta velocidad genera 5W de
potencia eléctrica, con una eficiencia eléctrica del 66%. La eficiencia eléctrica está
limitada principalmente por las pérdidas resistivas en las bobinas del estator. Se ha
construido y probado un prototipo de Ø8mm micro-Turbo-generador. Los niveles de
potencia de alrededor de 15 mV a 60000 rpm que genera el Turbo-generador
corresponden
a
los
valores
esperados en las relativamente
bajas velocidades de rotación
(<100
krpm).
potencia
es
Este
mW
suficiente
de
para
aplicaciones electrónicas de baja
potencia.
Obviamente,
la
eficiencia global de la generador
requiere deba estar asociado con
Figura 3.9.6. Izquierda: polos. Derecha: anillo.
una turbina de gas óptima y
eficiente. Se ha descrito la simulación y realización de los rotores magnetizados de 15
pares de polos. Las mediciones experimentales en el prototipo muestran una estrecha
concordancia con simulaciones numéricas.
Figura 3.9.7. Esquema seccionado del Turbo-generador.
121
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[53]
Título del artículo: A NEW TOPOLOGY OF HYBRID SYNCHRONOUS
MACHINE.
Autores:
Yacine Amara (Ecole Normale Supérieure de Cachan).
Jean Lucidarme (Ecole Normale Supérieure de Cachan).
Mohamed Gabsi (Ecole Normale Supérieure de Cachan).
Michel Lécrivain (Ecole Normale Supérieure de Cachan).
A. Hamid Ben Ahmed (Ecole Normale Supérieure de Cachan).
Antoine D. Akémakou (Empresa Valeo Systèmes Electriques).
Palabras clave: Brushless drives, design, flux weakening, hybrid excitation,
permanent-magnet motors.
País de procedencia: Francia.
Fecha de publicación: 5 de octubre de 2001.
Resumen de contenidos:
Las máquinas síncronas de imanes permanentes son capaces de operar en un amplio
intervalo de velocidades a una potencia constante mediante el debilitamiento del flujo.
Generalmente, esto se realiza aplicando una corriente de desmagnetización fuerte en el
eje, sin embargo, este sistema tiene el riesgo
de generar una desmagnetización irreversible
imán y, por lo tanto, una reducción en el
rendimiento de la máquina. Este artículo
presenta una nueva estructura para una
máquina síncrona híbrida. La solución logra
un buen debilitamiento del campo sin
Figura 3.9.8. Corte transversal de la
máquina de excitación híbrida.
desmagnetizar el imán. Con el fin de explicar el principio de funcionamiento de la
estructura, se diseña un modelo con un diseño elemental único; se exponen las
mediciones de la fuerza electromotriz para demostrar las posibilidades del
debilitamiento de flujo, junto con las simulaciones para presentar la contribución de la
excitación híbrida.
122
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Este trabajo nos permite extraer una serie de conclusiones.
1) La excitación híbrida es esencial para trabajar en modo alternador. Nos permite
ampliar el rango de velocidad. La excitación híbrida con los circuitos yuxtapuestos y
la excitación hibrida imbricada tienen la ventaja de evitar la desmagnetización del
imán.
2) La excitación híbrida se puede utilizar para reforzar el flujo magnético y aumentar
el par máximo (que corresponda).
3) La excitación hibrida imbricada permite el debilitamiento de flujo. Se logra mayor
libertad con respecto al método de debilitamiento de flujo por medio del control de la
corriente del inducido. También permite ampliar el rango de velocidad a potencia
constante, incluso para valores inferiores a la unidad.
Finalmente, el mejor método de debilitamiento de flujo es una combinación entre el
control de corriente de la armadura y la excitación híbrida.
Figura 3.9.9. Máquina de excitación híbrida. (a) Rotor. (b) Estator. (c) Rotor y
estator juntos.
123
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.10. HOLANDA.
3.10.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
124
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.10.2. ARTÍCULOS.
[54]
Título del artículo: RING-SHAPED TRANSVERSE FLUX PM
GENERATOR FOR LARGE DIRECT-DRIVE WIND TURBINES.
Autores:
Deok-je Bang (Universidad de Delft).
Henk polinder (Universidad de Delft).
Ghanshyam Shrestha (Universidad de Delft).
Jan Abraham Ferreira (Universidad de Delft).
Palabras clave: Transverse flux, wind turbines, permanent magnet generator, PM,
direct-drive.
País de procedencia: Holanda.
Fecha de publicación: 5 de noviembre de 2009.
Resumen de contenidos:
En este documento se propone un generador de imanes permanentes y flujo transversal
(TFPM). El generador TFPM en forma de anillo no utiliza eje para transferir el par y
para aguantar tanto el rotor como el estator. La
parte activa del generador propuesto consiste en
una estructura de múltiples segmentos. Esta
configuración novedosa del generador puede
reducir notablemente la masa, y es de fácil
construcción y manipulación.
Se desarrolla un
modelo de diseño analítico para el generador de
TFPM. El modelo analítico se verifica por el
análisis experimental del generador a escala
reducida. Los resultados del diseño del generador
Figura 3.10.1. Nueva máquina TFPM
de flujo concentrado.
TFPM de 5 MW han sido comparados con dos
generadores diferentes: un generador convencional de flujo radial PM y un generador
TFPM con entrehierro de una sola cara.
125
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
La construcción de un generador de TFPM nuevo con forma de anillo fue propuesto
como un concepto generador prometedor para grandes turbinas eólicas de transmisión
directa. El generador TFPM propuesto es de flujo axial y de doble cara. El modelado
analítico del generador TFPM se
desarrolló
con
un
diseño
electromagnético.
Los
experimentos del generador de
escala reducida se han realizado
con el fin de verificar el desarrollo
del modelado analítico. En un
diseño aproximado de los tres
Figura 3.10.2. Croquis en 3-D de tres pares de polos.
diferentes generadores de 5 MW
de
imanes
permanentes,
la
propuesta del generador TFPM en forma de anillo es más ligera en comparación con
un generador de RFPM convencional y que un generador TFPM con entrehierro de
una sola cara.
Figura 3.10.4. Concepto del generador de
accionamiento directo en forma de anillo.
Figura 3.10.3. Generador TFPM a
pequeña escala.
126
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.11. POLONIA.
3.11.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
127
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.11.2. ARTÍCULOS.
[55]
Título del artículo: PERMANENT MAGNET DISK GENERATOR WITH
CORELESS WINDINGS.
Autores:
Lukasz Drazikowski (Universidad de Varsovia).
Wlodzimierz Koczara (Universidad de Varsovia).
Palabras clave: Permanent magnet, disk generator, coreless, ironless, air-core, axialflux, PMSM, PMSG, AFPM, windings, circuits.
País de procedencia: Polonia.
Fecha de publicación: 2 de enero de 2012.
Resumen de contenidos:
Este artículo trata de presentar un diseño simple y fácil de fabricar un generador de
imanes permanentes con bobinas sin núcleo. Se muestran los cálculos básicos sobre la
base del circuito magnético equivalente. Por último, se describe un prototipo de 20 kW
PMSG que se presenta sobre una base de imanes rectangulares que contienen el diseño
mecánico
y
experimentales.
los
resultados
El análisis depende
del flujo en los siguientes parámetros:
calidad
y
tamaño
del
imán
en
comparación con las dimensiones de la
bobina y el entrehierro. La segunda
Figura 3.11.1. Circuito magnético simplificado.
parte del artículo se centra en los
resultados de la simulación del análisis de Métodos de Elementos Finitos (MEF) que
muestra claramente la distribución del flujo de
dos formas diferentes: imanes
trapezoidales y rectangulares.
128
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
En este artículo se han descrito los pasos más importantes en el diseño del circuito
magnético del generador PMSM sin núcleo. El análisis analítico detallado se ha hecho
y se ha aplicado con el método de análisis
FEM con el fin de presentar la distribución
del flujo. Se ha seleccionado el mejor
tamaño del entrehierro a partir de potencia
de salida calculada. El entrehierro debe ser
igual a 160-170 % del espesor del imán. La
Figura 3.11.2. Topología de la máquina.
distribución del flujo se ha mostrado en el
análisis de elementos finitos, ha demostrado
que el imán no puede ser ampliado hasta 100 % del paso polar debido a flujo de fuga.
Se ha propuesto una forma trapezoidal del imán para
aumentar la tensión de salida de la densidad de flujo. Para la
verificación, se ha fabricado un prototipo. La máquina no
tiene ningún par en las ranuras y el par de arranque es
inferior a 2 Nm. Tres bobinados simétricos proporcionan un
par constante en una amplia gama de potencia. Gracias a la
tecnología sin núcleo no hay histéresis ni corrientes de
Foucault. Por eso, la eficiencia ha alcanzado el 96 % a 250
Figura 3.11.3. Prototipo.
rpm y se puede aumentar hasta el 98 % a 600 rpm. Durante esta operación la máquina
puede proporcionar hasta 20kW de potencia activa.
Figura 3.11.4. Densidad de flujo con diferente paso lineal.
129
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.12. RUMANIA.
3.12.1. MAPA DE UNIVERSIDADES.
130
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
3.12.2. ARTÍCULOS.
[56]
Título del artículo: ANALYSIS OF A CLAW-POLE SYNCHRONOUS
MACHINE FOR WIND POWER CONVERSION MODULE.
Autores:
F. Jurca (Universidad de Cluj-Napoca).
C. Martis (Universidad de Cluj-Napoca).
I. Birou (Universidad de Cluj-Napoca).
K. Biro (Universidad de Cluj-Napoca).
Palabras clave: Synchronous machine, wind power, claw-pole.
País de procedencia: Rumania.
Fecha de publicación: 9 de septiembre de 2008.
Resumen de contenidos:
Los pequeños generadores de imanes permanentes de conexión directa que tienen
aplicaciones basadas en energía eólica se han convertido en un gran atractivo.
Conexión directa al eje de la turbina, este tipo de máquina eléctrica puede contribuir a
lograr energía a bajo precio (la pérdida de energía disminuye a través de la conversión,
el rendimiento de la turbina se incrementa) y para la reducción del ruido. Esto sería un
aspecto muy importante en el caso de las turbinas que se colocan cerca de las
localidades. Este trabajo presenta el análisis del campo magnético, utilizando un
software
de elementos finitos 3D basado en una máquina síncrona de imanes
permanentes, de accionamiento directo para las pequeños aerogeneradores. Se han
calculado las distancias de la densidad de distribución del campo magnético y el
contenido de armónicos. Se presenta un estudio sobre la influencia de la longitud axial
y el material de armadura en la densidad de flujo magnético en la máquina.
131
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
El trabajo presenta el análisis del campo magnético, utilizando un software de
elementos finitos 3D basado en una máquina síncrona de imanes permanentes, de
accionamiento directo para las pequeños aerogeneradores. Se calcularon las distancias
de distribución de densidad del campo magnético y el contenido armónico. Fue
presentado un estudio sobre la influencia de la longitud axial de la máquina en la
densidad de flujo magnético. El documento analizó también tres soluciones de
materiales básicos y su influencia sobre la densidad de campo magnético y pérdidas en
el núcleo del generador. El prototipo fue montado de manera experimental,
desarrollado y probado. El trabajo futuro se centrará en el análisis dinámico de la
máquina que funciona como generador para la obtención de energía eólica.
Figura 3.12.1. Flujo magnético.
Figura 3.12.3. Flujo magnético para
todo el módulo.
Figura 3.12.2. Estator y rotor del
generador.
Figura 3.12.4. Flujo magnético de
un polo del rotor.
132
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
[57]
Título del artículo: OPTIMAL DESIGN SOLUTIONS FOR PERMANENT
MAGNET SYNCHRONOUS MACHINES.
Autores:
Tiberiu Tudorache (Universidad de Bucharest).
Mihail Popescu (Universidad de Bucharest).
Palabras clave: Optimal design, permanent magnet machines, numerical analysis,
experimental validation.
País de procedencia: Rumania.
Fecha de publicación: 30 de noviembre de 2011.
Resumen de contenidos:
Este artículo presenta las mejores soluciones de diseño para reducir el par motor de las
máquinas síncronas de imanes permanentes. Una primera solución propuesta en el
documento consiste en el uso de ranuras cerradas en el estator que determina una
estructura magnética casi isotrópica del núcleo del estator, la reducción de la atracción
mutua entre los imanes permanentes y las ranuras del inducido. Para evitar
complicaciones en la tecnología de fabricación de bobinados las ranuras del estator se
cierran mediante cuñas hechas de materiales magnéticos compuestos blandos. La
segunda solución consiste en la adecuada elección de la combinación del número de
polos y del número de ranuras del estator que normalmente conduce a un arrollamiento
con número fraccionario de ranuras/polo/fase. Se analizaron las medidas propuestas
para la reducción del par motor mediante modelos de elementos finitos 2D/3D usando
el paquete de flujo de software profesional. Los resultados numéricos se analizan y se
comparan con los experimentales obtenidos mediante las pruebas de un prototipo
PMSM.
Figura 3.12.5. Diagrama del bobinado de 36/10 ranuras/polo.
133
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Conclusiones del artículo:
Los resultados de la investigación presentados en el trabajo demuestran la utilidad de
los modelos numéricos de elementos finitos para el diseño óptimo del motor síncrono
de imanes permanentes. Las diferencias entre los resultados numéricos del par motriz
obtenidos por los análisis en 2D y 3D son relativamente reducidos. Por lo tanto
podemos considerar que el análisis en 2D, es mucho más económico desde el punto de
vista de cálculo del esfuerzo, ofrece información precisa y suficiente para ser utilizado
para el análisis numérico del motor síncrono de imanes permanentes. En el documento
fueron analizados dos métodos que se utilizaron para reducir los valores de par motriz.
El primero consiste en el uso de ranuras cerradas en el estator con cuñas hechas de
SMC y el segundo consiste en la adecuada elección de la combinación del número de
polos y del número de ranuras del estator. Los métodos de la segunda fueron más
eficaces lo cual conduce a una drástica reducción de los valores de par motriz máximo
de 1.87 Nm a sólo 0.027 Nm. Una combinación entre los dos métodos de reducción
del par motriz se espera que produzca resultados todavía mejores. El primer método de
reducción es tecnológicamente más complicado y requiere la construcción de cuñas
especiales hechas de SMC, mientras que el segundo método sólo requiere un diagrama
del bobinado del estator ligeramente más complejo. Los resultados numéricos fueron
validados por mediciones experimentales llevadas a cabo en un prototipo fabricado por
PMSM ICPE-ME. Equipado con electrónica adecuados desarrollado el 36/10 PMSM
podría ser utilizado como generador de pequeña potencia.
Figura 3.12.6. FE discretización del
dominio computacional en 3-D
(despiece).
Figura 3.12.7. Densidad de flujo
magnético y líneas de campo.
134
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
4. ARTICULOS POR UNIVERSIDAD.
4.1. INGLATERRA.
Universidad de Durham
Nº de artículos
3
2
1
2010
2011
2012
2010
2011
2012
2010
2011
2012
2009
2009
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
0
Año
Universidad de Southampton
Nº de artículos
3
2
1
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
0
Año
Universidad de Edinburgh
2
1
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
0
1996
Nº de artículos
3
Año
135
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Universidad de Bristol
3
2
1
0
Año
Universidad de Manchester
3
2
1
0
Año
Universidad de Cranfield
3
2
1
0
Año
136
2011
2012
2012
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
2011
0
2010
1
2010
2
2009
3
2009
Universidad de City
2008
Año
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Universidad de Newcastle
3
2
1
0
Año
Universidad de Sheffield
3
2
1
0
Año
137
2011
2012
2012
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
2011
0
2010
1
2010
2
2009
3
2009
Universidad de Roma
2008
Año
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Universidad de Hertfordshire
3
2
1
0
Año
4.2. ITALIA.
Universidad de Milan
3
2
1
0
Año
138
2012
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
2012
0
2011
1
2011
2
2010
3
2010
Universidad de Cassino
2009
Año
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Universidad de Catania
3
2
1
0
Año
Universidad de Padova
3
2
1
0
Año
139
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
2012
0
2012
1
2012
2
2011
3
2011
Universidad de Berlin
2011
4.4. ALEMANIA.
2010
Año
2010
0
2010
1
2009
2
2009
3
2009
Universidad de Tesalonica
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Año
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
4.3. GRECIA.
Universidad de Atenas
3
2
1
0
Año
140
2012
2012
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
2011
0
2011
1
2010
2
2010
3
2009
Universidad de Aalborg
2009
4.6. DINAMARCA.
2008
Año
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Empresa Siemens
3
2
1
0
Año
4.5. BELGICA.
Universidad de Ghent
3
2
1
0
Año
141
1
0
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
2012
2
2012
3
2012
Universidad de Tampere
2011
4.8. FINLANDIA.
2011
Año
2011
0
2010
1
2010
2
2010
3
2009
Universidad de Navarra
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Año
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
4.7. ESPAÑA.
Universidad del Pais Vasco
3
2
1
0
Año
142
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Nº de artículos
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Universidad de Helsinki
3
2
1
0
Año
4.9. FRANCIA.
Universidad de Lille
3
2
1
0
Año
Ecole Normale Supérieure de Cachan
3
2
1
0
Año
143
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
4.10. HOLANDA.
Universidad de Delft
Nº de artículos
3
2
1
2009
2010
2011
2012
2009
2010
2011
2012
2009
2010
2011
2012
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
0
Año
4.11. POLONIA.
Universidad de Varsovia
Nº de artículos
3
2
1
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
0
Año
4.12. RUMANIA.
Universidad de Cluj-Napoca
2
1
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
0
1996
Nº de artículos
3
Año
144
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Universidad de Bucharest
2
1
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
0
1996
Nº de artículos
3
Año
145
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
5. CONCLUSIONES.
Cuando se empieza una investigación sobre aerogeneradores fundamentalmente se
busca, ya sea mejorando un prototipo existente o fabricándolo, conseguir un generador
eficiente, ligero, de bajo costo y fiable; los demás parámetros tienen menor
importancia.
En Europa tienen una mayor conciencia por la sostenibilidad del medioambiente, por
ese motivo se investiga en mayor medida sobre las energías renovables. Hecho que ha
permitido un mayor desarrollo en la investigación de los generadores eléctricos
sobretodo en centro-Europa, principalmente en el ámbito de los molinos de viento.
Generando el desarrollo de nuevas tecnologías. La energía eólica está logrando unos
rendimientos destacables que la convierten en una energía limpia y rentable al mismo
tiempo. Hay países europeos, con especial mención a Inglaterra e Italia, que están
apostando por la investigación y el desarrollo de los aerogeneradores. Esto se refleja
en el siguiente gráfico:
30
26
Nº de artículos
25
20
15
9
10
4
5
3
3
0
Inglaterra
Italia
Alemania
Francia
Grecia
Gráfico 5.1. Países europeos con mayor número de artículos.
Inglaterra apuesta más por la investigación en el área de energías renovables que otros
países europeos, como Italia aunque a una gran distancia, seguida de Alemania,
Francia… Países que han observado que este campo es muy prometedor a corto-medio
plazo.
146
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
En el siguiente gráfico se muestran las universidades europeas que en los últimos años
han realizado un mayor número de artículos, como es obvio las que más han
investigado en este campo son las universidades de Inglaterra, seguidas de cerca por la
de Atenas y la de Roma.
Nº de artículos
9
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
5
4
3
3
Universidades
Gráfico 5.2. Universidades con mayor número de artículos.
Como se puede observar en el siguiente gráfico se están realizando más estudios de
generadores eléctricos de imanes permanentes, que de superconductores.
TIPOS DE GENERADORES
50
Nº de artículos
40
30
20
10
0
Imanes permanentes
Superconductores
Gráfico 5.3. Número de artículos de cada topología de generador.
147
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Los prototipos que están siendo más estudiados son los generadores síncronos, de flujo
axial, imanes permanentes y accionamiento directo ya que logran unos rendimientos
del 90 al 98 %. Estas máquinas funcionan muy bien a bajas velocidades, son robustos,
fiables y consiguen elevados rendimientos gracias a que no consumen energía para la
excitación.
Los generadores síncronos de superconductores están empezando a desarrollarse
llegando a lograr rendimientos superiores a los conseguidos con los generadores de
imanes permanentes gracias a que la tecnología de este tipo de conductores está
avanzando rápidamente y se está consiguiendo que estos aerogeneradores sean fiables
y duraderos, lo cual se suma a sus ventajas ya conocidas: compactos, alto rendimiento
(cerca del 99%) y bajo peso (al ser más ligueros se produce una gran reducción del
costo en los cimientos, soportes y en el levantamiento de todo el equipo).
Los principales fabricantes tales como Siemens, Vestas o Gamesa en la actualidad
están fabricando generadores síncronos de imanes permanentes.
Como conclusión final se puede decir que los aerogeneradores en un futuro no muy
lejano serán generadores síncronos con superconductores por su alto rendimiento y
ligereza; aunque los generadores síncronos de imanes permanentes seguirán siendo
rentables algunos años más, sobretodo en aerogeneradores de baja potencia
(generadores domésticos).
El prototipo que tiene unas mejores prestaciones es el que se ha realizado en la
universidad de Bristol (Inglaterra) por J.K. Booder, P.H. Mellor, R. Wrobel y D.
Drury. El cual consiste en un generador de imanes permanentes de accionamiento
directo de 50 Kw, con una potencia pico de 48 Kw a 500 rpm se ha logrado una
eficiencia del 94%.
148
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
Las principales ventajas que tiene este generador son:
-
Bajo par de arranque.
-
Eficiencias eléctricas y mecánicas muy elevadas.
-
Tamaño compacto y alto par específico/potencia.
-
Bajo nivel de ruido y vibraciones.
-
Simple y barato de fabricar y ensamblar.
-
La construcción es modular.
-
Diseño escalable.
Figura 5.1. Prototipo del generador.
Figura 5.2. (a) Armazón interno. (b) Rotor de imanes permanentes.
149
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
6. REFERENCIAS.
Palabras clave utilizadas para encontrar los artículos en el buscador knowledge:
-
Wind generator.
-
Wind generator superconducting.
-
Prototype wind generator.
-
Permanent magnet generator.
-
Axial flux generator.
-
Finite elements generator.
-
Prototype wind turbine.
INGLATERRA:
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for small-scale wind turbines,” Universidad de Durham, 2005.
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Maitham K. Al-mosawi, C. Beduz, Y. Yang, “Construction of a 100 KVA high
temperatura
superconducting
synchronous
generator,”
Universidad
de
Southampton, 2005.
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Ozan Keysan, Markus A. Mueller, “A homopolar HTSG topology for large
direct-drive wind turbines,” Universidad de Edinburgh, 2011.
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generator for small scale wind and water turbines,” Universidad de Durham,
2008.
[5].
J.K. Booker, P.H. Mellor, R. Wrobel, D. Drury, “A compact, high efficiency
contra-rotating generator suitable for wind turbines in the urban environment,”
Universidad de Bristol, 2010.
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Kevin F. Goddard, Bartosz Lukasik, J.K. Sykulski, “Alternative designs of
high- temperature superconducting synchronous generators,” Universidad de
Southampton, 2009.
[7].
M.K. Al-Mosawi, K. Goddard, C. Beduz, Y. Yang, “Coreless HTS
synchronous generator
operating
at
liquid
nitrogen
temperaturas,”
Universidad de Southampton, 2007.
150
Projecte de anàlisis de grups de recerca de màquines elèctriques per a generadors
elèctrics en molins de vent. (II)
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gearless wind energy system,” Universidad de Manchester y Durham, 1999.
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axial-flux permanent magnet machines,” Universidad de Durham, 2004.
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modular air-cored axial-flux permanent-magnet generator,” Universidad de
Cranfield y Zarqa, 2011.
[11].
W. Fei, P.C.K. Luk, T.S. El-Hasan, “Permanent-magnet flux-switching
integrated starter generator with different rotor configurations for cogging
torque and torque ripple mitigations,” Universidad de Cranfield y Zhejiang,
2011.
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high-speed air-cored axial-flux permanent-magnet generator with circular
magnets and coils,” Universidad de Cranfield, 2009.
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a lumped parameter termal model of a single-sided, slotted axial flux
generator,” Universidad de Durham, 2010.
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