Energia Valurilor Ca Forma de Energie Regenerabila

Politehnica

Energia Valurilor Ca Forma de Energie Regenerabila

Byadmin ianuarie 1, 2024

Cuprins

Capitolul 1 Energia valurilor ca formă de energie regenerabilă (studiu bibliografic)

1.1 Introducere

1.2 Resursele energetice ale valurilor

1.3 Tehnologiile folosite in conversia energiei valurilor

1.4 Acționarea primară și topologii de generator utilizate în convertoare de energie a valurilor

1.4.1 Acționarea primară

1.4.2 Generatoare pentru energia valurilor

1.5 Concluzii:

Capitolul 2 Generator sincron cu Magneți Permanenți Interiori: Design preliminar (studiu bibliografic)

2.1 Descrierea generala a topologiei GSMPI

2.2 Determinarea infășurărilor

2.3 Selecția materialului magnetic

2.3 .1 Magneții permanenți

2.3 .2 Selecția oțelului laminat (tole)

2 .4 .1 Algoritmul de dimensionare

2.4.2 Masa și costuri materialelor

Capitolul 3 Analiza cu element finit a prototipului GSMPI ales (contribuție personală)

3.1. Metoda Elementului Finit (FEM)

3.2. Dimensionarea generatorului pentru CEV cu revărsare

3.2 Model parametric în Lua Script

3.2 Distribuția câmpului magnetic

3.3 Cuplul la ”zero curent” – cogging torque

3. 4 Cuplu de sarcină (pentru curent constant)

3.5 Concluzii

Capitolul 4 Bibliografie

Capitolul 1 Energia valurilor ca formă de energie regenerabilă (studiu bibliografic)

Abstract

Acest capitol este dedicat in intregime unei imagini de ansamblu a energiei valurilor ca formă de energie regenerabilă, resursele de energiei valurilor și potențialul lor. Impactul redus asupra mediului în comparație cu alte tipuri de generare a energiei este amintit. O clasificare a diferitelor tipuri de tehnologii utilizate în conversia energiei valurilor (CEV) și topologii de generatoare electrice folosite de aceste tehnologii este, de asemenea, prezentată.

Introducere

Consumul de energie mondială este estimat să crească considerabil în următoarele decenii și, în aceeași perioadă, consumul de energie în Uniunea Europeană va crește cu aproape o sumă similară.

Ideea de a transforma energia valurilor de suprafata ale oceanului în forme de energie utile nu este nouă. Există tehnici care au fost mai brevetate încă 1799 (Girard & Son, Franta), și în plus, referințele din literatura de specialitate la idei care prescriu aceste tehnici.

Datorită epuizarii viitoare a combustibililor fosili, creșterea cererii de energie și a impactului lor asupra mediului este foarte important de a găsi și de a dezvolta surse curate de energie regenerabilă.

Energia oceanului este candidatul principal din cauza potentialului imens, dar, neexploatat ca sursa de energie pe planeta noastră. Valorificarea imensei puteri a valurilor din oceanele lumii poate constitui o parte a soluției problemelor noastre energetice. Studii preliminare arata ca puterea marină are potentialul de a furniza o parte importantă a nevoilor viitoare de energie.

Potențialul pentru generarea de energie din valuri este semnificativ. Reprezinta practic o sursa de energie nelimitata, regenerabilă și de impact asupra mediului relativa scăzuta.

Principalele avantaje ale energiei valurilor sunt prețul scăzut (aproximativ 0.10 $/kWh) și impactul redus asupra mediului. Energia valurilor este considerată, în general, o sursă curată de energie regenerabilă, cu efecte negative limitate asupra mediului. În special, energia valurilor este văzută ca o sursă de mare potential de energie care nu implică emisii ridicate de CO2. Tabelul următor prezintă o comparație între centralele de captare a energiei valurilor și producerea conventionala de energie privind impactul major asupra mediului.

Tabel 1-1 Impactul asupra mediului a energiei valurilor și din diverse surse convenționale de energie

Este important să se cunoască și să înțeleagă dificultățile cu care se confruntă dezvoltarea tehnologiilor de captare a energieri valurilor. Cele mai importante dintre acestea sunt:

• Neregularitatea în amplitudine a valurilor, fază și direcție care face dificilă obținerea eficienței maximă a unui dispozitiv pe toata gama de frecvențe de excitație;

• încărcarea structurală în cazul unor condiții meteorologice extreme, cum ar fi uragane, poate fi de pana la de 100 de ori mai mare decat de încărcarea medie/normala;

• presupune forță/cuplu mare la viteze mici în timp ce pentru producerea de energie electrică este nevoie viteze ~ 500 de ori mai mari.

Evident proiectarea unui convertor a puterii valurilor trebuie să fie extrem de sofisticat pentru a fi operațional eficient și fiabil pe o parte, și economic pe cealaltă. Ca și în cazul tuturor tipurilor de energie regenerabilă, disponibilitatea resursei și variabilitatea la locul de instalare trebuie determinate în primul rând. Constrângerile de mai sus implica costuri ridicate de construcție și probabil deurata de viata, eventual redusa, au încetinit deseori dezvoltarea tehnologiei de captare a energiei valurilor.

Resursele energetice ale valurilor

Oceanul are o cantitate enorma de energie neexploatată sub o mare varietate de forme, cum ar fi orificii geotermale, curenții oceanici și valurile oceanului. Atât curenții oceanici cat și valurile au fost supuse unei dezvoltări comercială limitate și reprezinta cele mai viabile resurse din punct de vedere comercial studiate până acum.

Energia oceanelor poate fi recoltată în patru moduri:

Energia mareelor - exploatarea energiei mareelor s-a concentrat asupra utilizării de baraje care pot fi utilizate pentru a controla fluxul mareelor naturale, care sunt direcționate pentru acționarea turbinelor. Doar în jur de 20 site-uri din lume au fost identificate ca posibile locatii pentru centrale mareice.

Energia valurilor – este generată de mișcarea de dispozitive, fie staționare sau ce plutesc la suprafața oceanului și samiscate de valuri.

Conversie termică a energiei oceanelor (CTEO) – este un mijloc de conversie in energie utilă diferența de temperatură dintre apa de suprafață a oceanelor în zonele tropicale și sub-tropicale, și apă de la o adâncime de aproximativ 1.000 de metri, care vine din regiunile polare.

Energia curenților marini – Energia poate fi generată de curenții marini, folosind turbine complet submerse care constau din lamele rotorului și un generator.

Valurile sunt generate de trecerea vântului/curenților de aer peste oceane: atât diferențele de presiune a aerului între direcția vântului și partea de sub nivelul ucrestei valurilor, precum și frecarea curentilor de aer pe suprafața apei cauzează creșterea valurilor. Înălțimea valurilor crește cu creșterea vitezei vântului, durata de când vântul a început să sufle si distanța de apă deschisă peste care vântul a suflat.

Densitatea de energie a unui val poate fi calculată ca fluxul mediu de energie ce trece printrun plan vertical paralel cu creasta unui val. Energia imparțita la perioada valurilor este egala cu densitatea de putere a valului.

unde: ρwater – densitatea apei de mare [Kg / m 3];

g – constanta gravitaționala [m / s 2];

H – înălțimea valurilor [m];

A – amplitudine val [m];

T – perioada de unda [s] [1].

Ca si resursă, valul este de obicei descris în termeni de putere pe metru față de frontal de val (sau creasta valurilor) .Aceasta pot fi calculată prin înmulțirea densității de energie cu viteza frontului de val.

unde C – Viteza frontului de val [m / s];

ω – frecvența valului [rad / sec].

Teoretic, puteti extrage de 40 MW de putere per km de țărm, unde există valuri domoale (să zicem 2 m înălțime) și perioada de timp (~ 7-10s) și 1000 MW pe km, in larg in cazul în care înălțimea valurilor este de 5 m.

Figura 1.1: Distribuția pe glob a energiei valurilor în kW / m de creastă val [2]

Studiile arată că energia valurilor la nivel mondial este de ordinul 2000 TWh/ an pentru tehnologiile existente, care au devenit pe deplin mature, ceea ce reprezinta aproximativ 10% din consumul de energie electrică mondial, comparabilă cu cantitatea de energie electrică produsă în prezent în întreaga lume de mare scară proiecte hidroelectrice.

1.3 Tehnologiile folosite in conversia energiei valurilor

Există o mare varietate de tehnologii, cu nivelul de putere nominală de la KW câteva până la 2-4 MW, care au fost dezvoltate pentru a capta energia valurilor, astfel încât este imposibil de prezis care tehnologia ar fi cea mai raspandita in viitor.

În general, se disting două tipuri fundamentale de convertoare a energiei valurilor (CEV):

a.) de tip turbină, a fost primul care a primit atenția de la comunitatea de cercetare.

b.) de tip geamandura, care a primit un interes crescut mai recent.

Unii autori au subdivizat în mai multe clasificari aceste tipuri principale, bazându-se pe orientarea și funcționalitatea lor. Principalele tipuri de dispozitive și tehnologii utilizate în capitarea energiei valurilor, clasificate dupa funcționalitate sunt: terminatori, atenuatoare, punct de amortizoare și dispositive cu revărsare.

Dispozitive de tip “terminator” sunt plasate perpendicular pe direcția de deplasare a valurilor, captand puterea valurilor. Aceste dispozitive sunt de obicei instalate pe uscat sau langa țărm; chiar și versiuni plutitoare au fost proiectate pentru amplasarea în larg. Coloana de apă oscilanta (CAO) este un tip de terminator în care apa pătrunde printr-o deschidere submersată, intr-o structura goala, parțial scufundată, cu aer inautrul ei. Mișcarea undei valului face ca coloana de apă captată să se deplaseze vertical și, alternativ presurizează și depresurizează aerul din interiorul structurii generând un flux printr-o turbina care este instalata sub acoperișul dispozitivului [1].

Figura 1.2: Topologie dispozitiv de tip terminator (pe țărm)

O coloană de apă oscilantă (COA), cu putere nominală de 500 KW a fost proiectat și construit de Energetech in 2006.

Atenuatoarele sunt structuri lungi, multi-segment, orientate paralel cu direcția de mișcare a valurilor. Diferitele înălțimi ale undelor de-a lungul lungimii dispozitivului cauzeaza îndoirea segmentelor acestuia, segmente ce sunt conectate la pompe hidraulice sau alte tipuri de convertoare.

Pompa de apă McCabe este formată din trei pontoane de oțel dreptunghiulare, care sunt articulate împreună. Pontonul central este proiectat cu o placă amortizor scufundată, care îl face să rămână fix în continuare în raport cu pontoanele ”aval” și ”amonte”. Pompe hidraulice atașate între cele trei pontoane sunt activate atunci când valurile le forțează în sus și în jos [2].

Figura 1.3 Dispozitiv Pompa de apă McCabe

Dispozitivul Pelamis este o structură articulată semi-scufundată, compusă din patru pontoane plutitoare cilindrice de 30 m lungime și 3,5 m diametru conectate de trei articulații de tip balama. Mișcarea valului indusă acestor articulații punând in mișcare pompe hidraulice. Trei mașini de tip ”Pelamis” cu un rating combinat de 2,5 MW au fost amplasate la aproximativ 5 km în largul coastei de nord Portugaliei.

Figura 1.4:Dispozitiv Pelamis pe coasta de nord a Portugaliei

”Punctul de absorbție” este o structură plutitoare cu componente care se mișcă una față de alta ca urmare a căderii și creșterii unui val (de exemplu, o geamandura plutitoare în interiorul unui cilindru fix). Mișcarea relativă este folosită pentru a conduce convertoare de energiei electromecanice sau hidraulice.

Figura 1.5: Topologie de tip ”Punct absorbție”

O geamandură poate fi construită ca o stație de putere independentă, dar în mod normal geamandurile sunt plasate în grupuri de aproximativ 10 de unități, legate împreună pentru a alimenta o unitate centrală generatoare de energie. Energia electrică generată va fi transferată cu cabluri de mare obișnuite la o stație de teren.

AquaBuoy CEV este dezvoltat în larg la Makah Bay, Washington. Dispozitivul va cuprinde patru unități evaluate la 250 KW plasate la 5.9 km în larg la o adâncime de aproximativ 46.

Dispozitive cu revărsare au rezervoare plasate la un nivel mai mare decat media nivelului oceanului, care sunt umplute de mișcarea valurilor. Valurile incidente urcă o rampă ajungând in rezervor. Există două reflectoare de Portugaliei.

Figura 1.4:Dispozitiv Pelamis pe coasta de nord a Portugaliei

”Punctul de absorbție” este o structură plutitoare cu componente care se mișcă una față de alta ca urmare a căderii și creșterii unui val (de exemplu, o geamandura plutitoare în interiorul unui cilindru fix). Mișcarea relativă este folosită pentru a conduce convertoare de energiei electromecanice sau hidraulice.

Figura 1.5: Topologie de tip ”Punct absorbție”

O geamandură poate fi construită ca o stație de putere independentă, dar în mod normal geamandurile sunt plasate în grupuri de aproximativ 10 de unități, legate împreună pentru a alimenta o unitate centrală generatoare de energie. Energia electrică generată va fi transferată cu cabluri de mare obișnuite la o stație de teren.

AquaBuoy CEV este dezvoltat în larg la Makah Bay, Washington. Dispozitivul va cuprinde patru unități evaluate la 250 KW plasate la 5.9 km în larg la o adâncime de aproximativ 46.

Dispozitive cu revărsare au rezervoare plasate la un nivel mai mare decat media nivelului oceanului, care sunt umplute de mișcarea valurilor. Valurile incidente urcă o rampă ajungând in rezervor. Există două reflectoare de val, în formă de aripă, cu rolul de a concentra valurile spre rampă crescand astfel semnificativ înălțimea valurilor și captarea de energie cu 70%, pentru valuri de peste 3 metri inălțime. Energia este extrasă in timp ce apa trece printr-o serie de hidro-turbine înapoi în mare.

Figura 1.6: Topologie dispozitiv cu revărsare

Un mare avantaj al dispozitivelor cu revărsare este faptul că ele nu trebuie să fie în rezonanță cu valurile (ca dispozitivele de tip punct de absorbție); acest lucru le conferă o fezabilitate ridicată pentru puteri nominale mai mari (extinse până la 11 MW). ”Wave Dragon” este de departe cel mai mare convertor de energie a valurilor preconizate până astăzi. Fiecare unitate va avea o putere nominală de 4-11 MW sau mai mult, în funcție de climatul energetic al valurilor la locul de amplasare. Acesta va fi pe un dispozitiv cu greutate de aproximativ 200 de tone. Această dimensiune aduce multe avantaje. Dispozitivul va fi minimum impactat de valuri, reducând problemele de oboseală stress al dispozitivului. De asemenea, fiind mare și stabil, va fi posibil să se lucreze la bord dispozitiv, ceea ce va reduce dramatic costurile de întreținere și duratele de nefuncționare. Ca un dispozitiv de revărsarea, există și multe avantaje priviind robustețea de proiectare, în special nu sunt probleme în mările cu valuri puternice/înalte, deoarece acestea vor spăla platforma inofensiv.

1.4 Acționarea primară și topologii de generator utilizate în convertoare de energie a valurilor

1.4.1 Acționarea primară

Acționările primare convertesc energia primară a unui combustibil sau fluid în energie mecanică. Se mai numesc turbine sau motoare. Energia mecanică este transformată în energie electrică prin generatoare electrice.

Energia potențială a apei dintr-un rezervor amplasat la înălțime, poate fi transformată în energie cinetică prin eliberarea înapoi în mare prin turbine; aceasta își schimbă momentul și direcția și produce lucru mecanic la arborele turbinei ce se rotește impotriva cuplului de frânare al generatorului electric aflat în sarcină.

Principalele caracteristici ale unei turbine hidraulice sunt:

eficiența

Viteza specific n s

Unde: T T – cuplul arborelui turbinei [Nm]

Ω T – viteza rotorului [rad / s];

Ρ – densitatea apei de mare [Kg / m 3];

g – constanta gravitațională [m / s 2];

H T – dimensiunea capului turbinei[m];

Q – Debitul de intrare al turbinei [m 3 / s];

P T – puterea la arborele turbinei [kW].

O clasificare succintă a turbinelor poate fi facută astfel:

a. după topologie

– Radial-axială (Russel Dam)

– Axială (Annapolis)

b. prin direcția de curgere a fuidului / modul de operare

– Modul de operare unidirecțional

– Modul de operare bidirecțional

Eficiența maximă a unei turbine depinde viteza specifică n s și de tipul turbinei care sunt direct dependente de înălțimea valurilor ale sitului specific [4].

Figura 1.8 Eficiența turbinelor versus viteză specific

In Convertoarele de energie a valurilor (CEV), utilizarea turbinelor este interesantă, în primul rând în dispozitive, cum ar fi cele de tip Coloană oscilantă de apă și dispozitive cu revarsare. Aceste convertoare constau în esență dintr-o rampă care este direcționată spre valurile ce se apropie și un bazin de depozitare. Când valurile lovesc panta rampei, energia cinetică conținută în ele este transformată în energie potentiala, adică apa curge/urcă în sus pe rampă și umple un rezervor care se află amplasat deasupra nivelului mării. Energia potențială a apei în rezervorul este apoi exploatată prin eliberarea înapoi în mare prin turbine.

În general, capul de turbină are valori dimensionale cuprinse este între 1m și 5 m, situându-se la limitele inferioare ale turbinelor de apă existente. Variațiile puternice ale valurilor peste rampa de revărsarea impun un mod radical diferit de operare într-un CEV. Condițiile de mediu sunt mult mai dure și lucrările de întreținere de rutină sunt mult mai dificil de efectuat. Astfel, criterii speciale pentru alegerea și construcția de turbine de apă pentru CEV trebuie să fie alese, și se pare recomandabil să vizeze simplitate constructivă, mai degrabă decât o eficiență maximă de vârf.

O soluție bună și potrivită pentru acest tip de aplicație este turbine Kaplan axială. Datorită vanelor de ghidare reglabile și a paletelor rotative, turbina este foarte adaptabila la diverse condiții de funcționare. De asemenea, un control bun este necesar. O buclă de control lenta este folosită pentru a adapta dispozitivul la starea curentă a mării. O strategie de control mult mai rapidă este folosită pentru a extrage energia maximă de la val la val [5].

Pentru o centrala proiectată de dimensiuni mai mari, ar trebui considerat utilizarea unui număr de turbine mai mici in locul unei singure turbine mari. Aceasta are următoarele avantaje:

– Prin oprirea unui număr de turbine la debite scăzute, debitul poate fi reglat într-un interval larg, fără a sacrifica eficiența;

– Unități singulare pot fi scoase din serviciu pentru întreținere fără a opri producția.

– Turbinele mici sunt mai ușor integrabile în întregul dispozitiv.

– Turbinele mici au o viteză mai mare, ceea ce reduce costul generatorului.

În funcție de amplasarea unei centrale de tip ”Wave dragon” se preconizează că vor fi montate între 16 și 24 turbine. Prin urmare, prin utilizarea suficientă a vitezei variabile de pornire / oprire a turbinele o bună eficiență poate fi livrată, cu putere livrată fara variații puternice și un factor de încărcare mare.

Figura 1.9: Turbina Kaplan

Pentru dispozitivele de tip coloană oscilantă de apă turbină unidirectională Wells este cea mai bună opțiune. Creștere și descreșterea nivelului apei va determina creșterea și descreșterea presiunea aerului înăuntrul camerei. Cu acest concept în minte, putem plasa o turbină pe partea de sus a carcasei, prin care aerul poate trece în și din afara. Din cauza acestui flux de aer bidirecțională, turbina trebuie să fie proiectate să se rotească într-o singură direcție indiferent direcția fluxului de aer.

Figura 1.10: Topologie unidirecțională de turbină Wells

Turbina ”Pelton” nu este destul de potrivită pentru conversia energiei valurilor, datorită vitezei sale specifice reduse și a densității de putere. Datorită vitezei sale specifice reduse, turbina în sine este destul de voluminoasă, și are nevoie de o cutie de viteze pentru a conduce generatorul. De asemenea, datorită fantelor de obicei foarte înguste între palete, acest turbine nu se impacă foarte bine cu resturile cum ar fi algele marine și resturi de plase de pescuit.

1.4.2 Generatoare pentru energia valurilor

In ultimii ani, a avut loc o foarte intensă activitate cu privire la generatoarele pentru aplicațiile de conversie a energiei valurilor. Tema principală este dedicată pentru a analiza diferite topologii generatoare, pentru a clasifica cele mai potrivite pentru fiecare tip de tehnologie utilizată în conversia energiei valurilor.

Cum ingrijorarea fata de mediul inconjurator crește, acționări electrice cu eficiență mai mare sunt de dorit. Astfel, înlocuirea mașinilor asincrone clasice cu cele sincrone cu magneți permanenți (PM) a câștigat recent un mare interes, dat fiind ca prețul magneților permanenți scade. Într-adevăr, mașinile cu magneți permanenți nu au infașurări rotorice, rezultând pierderi rotorice în cupru mai mici, și prin urmare, acestea dispun de o eficiență mai mare decât mașinile de inducție. Pentru aplicații de viteză redusă, sub 500 rpm, mașinile cu magneți permanenți pot elimina în continuare necesitatea unei cutii de viteze. Pentru adaptarea vitezei și cuplului mașinii, o cutie de viteze este cuplată în mod tradițional la o mașină de inducție standard. Este avantajos pentru a ține departe acest element mecanic, pentru că este costisitor, scade eficiența unitară a acționării și are nevoie de întreținere. Acționările de viteză redusă (sau de mare viteză) ,fără cutie de viteze sunt numite acționări directe, deoarece mașinile sunt cuplate direct la sarcina.

O comparație sumară a fost făcută între:

● generatorul sincron cu magneți permanenți (MP)

● generatorul de inducție

● generatorul cu reluctanță comutată

● generatorul cu MP si flux longitudinal (LFPM)

● și generatorul cu MP si flux transversal (TFPM)

Unul dintre cele mai importante criterii este cantitatea de stres de forfecare pe care mașina poate oferi pentru a compensa forțele mari la viteze reduse cu care se confruntă scționarile directe în CEV, și în virtutea necesitații de proiectare, este nevoie de o mașină de mare fizic. Forța reciprocă a mașinii este proporționlă cu dimensiunea sa, care ar trebui reduse la minimum oferind în același timp forța necesară. Alte criterii comparative sunt costurile, eficiența și durabilitatea.

Conversia energiei dintr-un dispozitiv de tip ”Punct e absorbție” în energie electric folosește în general, un generator liniar. Generatoare liniare sunt generatoare rotative convenționale prin faptul că transformă energia mecanică în energie electrică; totuși, rotorul într-un generator liniar de obicei numit "transaltor" – se mișca în sus și în jos, spre deosebire de mișcarea de rotație a unui rotor de generator traditional. Beneficiul generatorului liniar este faptul că convertește in mod direct mișcarea valurilor în energie electrică, fară a se baza pe cutii de viteze sau sisteme hidraulice ca intermediari. Astfel, acesta are mai puține piese în mișcare și este mai eficientă decât un sistem hidraulic. Dezavantajul de a utiliza un generator liniar este că acesta trebuie să fie special concepute pentru a se potrivi cerințelor unui CEV aflat intr-un site specific. Acest lucru face folosirea generatoare liniare o opțiune mai scumpă. Cu toate acestea, costurile pot fi minimizate prin producția de masă.

Există trei soluții posibile potrivite pentru conversia energiei valurilor bazate pe dispozitive de tip punct de absorbție: – Generatorul cu flux longitudina

– Generator tubular

-Generator cu flux transveral

Generatorul sincron tubular este caracterizat de o forță mare raportată la greutate, densitate mare forță și nu înfășurări finale. Dezavantajul acestei topologii a generatorului sincron liniar este dificultatea ridicată de fabricare al statorului circular și complexitatea înfășurării. De asemenea, costul acestor operațiuni de fabricație este foarte mare [6].

Figura 1.11: Tubular topologie generator sincron

Indusul generatorului tubular studiat este format din inele magnetice fixate pe un ax alternate cu inele de magneți permanenți magnetizate în direcție radială. Magneții permanenți au magnetizare alternantă. Prin urmare,un flux magnetic puternic este generat în afara armăturii aflate în mișcare. Prin mișcarea armăturii cu magneți permanenți din interiorul generatorului liniar, un flux magnetic variabil va trece prin infășurări, generând tensiune electromotare. Aceasta putând fi colectată de pe terminalele infasurărilor[8].

Din toate mașinile electrie enumerate, TFPM este considerată cea mai potrivită pentru acșionarea directă a unui covertor tip pinct de absorbție. Ea are cel mai bun randament și este, de asemenea cea mai mică din cauza densității sale ridicate de stres forfecare [7]. Un dezavantaj al acestei soluții este fluxul de dispersie mare si, prin urmare, factorul de putere mic, care necesită utilizarea unui convertor de putere supradimensionat. Problema cu furnizarea de atât de mult stres de forfecare prin utilizarea de magneți permanenți de tip neodim-fier-bor (NdFeB) este forțele sustanțiale de atracție între stator și translator. Ca urmare, lagărele sufera sarcini periculoase și tind să devină astfel o ingrijorare asupra întreținerii. Pentru a echilibra forțele de atracție între stator și translator, un stator cu două fețe poate fi utilizate – spre deosebire de un stator cu o singură față atunci când înfășurările sunt plasate pe o parte. În ciuda unui mai bun echilibru cu un stator cu două fete, pot aparea abateri în intefier cu consecințe asupra sarcinii severe a lagărelor. În plus, poate fi benefic să se cerceteze înfășurări triple sau cvadruple ale statorului pentru TFPM pentru a atenua aceste probleme.

Figura 1.12: Generator sincron cu flux transversal TFPM

Pentru dispozitivele de tip terminator și cu revărsare, cea mai bună soluție o reprezintă mașina sincronă cu magneți permanenți și flux radial, cu număr mare de poli și înfășurări fracționare. Acest mașini sunt cele mai frecvent utilizate în acționări directe și, de asemenea, cele mai ieftine și ușor de fabricat printre mașinile sincrone cu magneti permanenti. Există două tipuri principale de topologii pentru generatorul sincron cu magneți permanenți și flux radial:

-cu magneți permanenți de suparfață -rotor cu poli proeminenți

-cu magneți permanenți interiori – rotor cu poli netezi.

Principalul avantaj al mașinii cu magneți permanenți montați pe suprafață (SMPM) este simplitatea și costurile sale de producție mai mici în comparație cu alte mașini cu MP. Principalul dezavantaj este faptul că magneții sunt supuși unor forțe centrifuge care pot cauza detașare acestora din rotor. De asemenea un alt dezavantaj este expunerea magneților permanenți la câmpuri de demagnetizare.

Figura 1.13: suprafață montat magnet permanent

Magneții permanenți sunt atașați strâns de rotorul din miez de fier cu adezivi epoxidici speciali, dar se și adaugă un strat de rășină extrem de resitentă pentru rigiditate mecanică.

Un avantaj al configurații mașinii cu MP interiori comparativ cu mașinile cu MP de suprafață este posibilitatea de a se concentra fluxul generat de magneți permanenți în rotor și, astfel, realizarea unei mari densități de flux in intrefier flux [8].De asemenea, magneții permanenți interiori sunt bine protejați împotriva demagnetizării și solicitărilor mecanice.

Deoarece magneții sunt îngropați în interiorul miezului rotorului mașinii IPM, există poduri de fier in ambele părți ale polilor magnetici. Podurile sunt făcute cât mai mici posibil fizic și, de obicei, sunt profund saturate de fluxul de dispersie. Barierele de fluxul din material non-magnetic sunt furnizate pentru a preveni scurt-circuitul magnetic al polilor adiacenți opuși.

Figura 1.14: Topologie rotor cu magneți permanenți ingropați și interiori

Există topologii cu magneți radiali, caz în care magneții sunt magnetizati într-o direcție circumferențială. Aceasta permite ca densitatea de flux din intrefier să fie mai mare decât cea din magneți și, prin urmare, crește densitatea de cuplu a mașinii.Aceste topologii sunt utilizate frecvent cu materiale cu densitate de flux redusă.

Figura 1.15: Topologie rotor magneți radiali

1.5 Concluzii:

Există mai multe tipuri de convertoare pentru recoltarea energiei valurilor. Datorită dificultăților implicate în conversia energiei valurilor și diferitele stadii de dezvoltare a fiecărei tehnologii, este greu de prezis care dintre aceste dispozitive vor deveni pe deplin mature în perioada următoare. Singurul aspect cert este faptul că cantitatea de energie a valurilor produsă și utilizată va crește în următorii câțiva ani.

Capitolul 2 Generator sincron cu Magneți Permanenți Interiori: Design preliminar (studiu bibliografic)

Abstract

Acest capitol prezintă punerea în aplicare a tehnicilor de proiectare electromagnetice pentru un Generator sincron cu Magneți Permanenți Interiori (GSMPI) în scopul de a găsi soluții pentru conversia energiei valurilor. Exemple considerând proiectarea convențională (bazată pe experiență) și optimizare sunt prezentate cu detalii importante aferente.

Pe langa procesul de proiectare geometrică, parametrilor magnetici și electrici ai mașinii sunt estimați dau determinați pentru a fi utilizate în analiza cu element finit prezentate în capitolul următor.

2.1 Descrierea generala a topologiei GSMPI

Recenta avansarea in domeniul materialelor magneților permanenți de înaltă energie și electronică de putere a determinat o creșterer substanțiala în domeniul aplicațiilor ce folosesc magneții permanenți. GSMPI a fost adoptat de multe aplicații de înaltă performanță, cum ar fi robotica, industria aerospațială, industria auto și diverse echipamente medicale, chiar și pentru conversia energiei valurilor reprezintă soluția optimă. Unele dintre nenumăratele avantaje care au făcut MSMPI să înlocuiască mașinile comune, cum ar fi motorul de curent continuu, motor de inducție și motoare sincrone sunt:

pierderile in cupru rotorice sunt zero, ceea ce duce la o eficiență mai mare

cuplu mare și putere de ieșire per volum care duce la un design compact

eliminarea inelului alunecare, a comutatoare și periilor de carbon care simplifică construcția și întreținerea mașinii

eliminare pentru unele aplicații a cutiei de viteze, care duce la o eficiență mai mare

performanță dinamică mai bună datorate unei densități de flux mai mare in întrefier.

De asemenea, MSMPI este capabil să funcționeze cu factor de mare putere, cu o viteză precisă și rapidă / cuplu / controlu al poziției.

În general, generatoare sincrone sunt construite dintr-un stator cu miez laminat ce prezintă crestături uniforme în care sunt introduse cele trei infașurări ale fiecărei faze și un rotor excitat de magneții permanenți (MP). Miezul magnetic este fabricat din tablă de oțel siliciu (0.55mm grosime, în general) în care crestăturile uniforme sunt ștanțate. O singură foie de oțel, standard este produsă cu un diametru de pana la 1m,ca un cerc complet. Turbo-generatoarele mari, si cele mai multe hidrogeneratoare au diametre exterioare ale statorului ce depășesc 1m (ajungand pana la 18m) și astfel miezurile sunt realizate din 6-42 segmente de cerc.

Datorită avantajelor enumerate și faptul că tehnologiile de convertoare cu revărsare și de tip terminator au cele mai mari șanse să devină tehnologii complet mature, o topologie de GSMPI cu 258 crestături statorice cu infășurari in 2 straturi și 24 poli magnetici(rotorici) a fost soluția aleasă pentru această lucrare.

2.2 Determinarea infășurărilor

Pentru topologia GSMPI propusă, o infășurare în două straturi distribuită cu crestături/ pol și fază. Înfășurările in două straturi au avantajul că pot fi fabricate cu un raport al deschiderii bobinei per pas polar . Aceasta implică o reducere a armonicii spațiale și o economie de material conductor. Factorul (de zonă) infășurării este:

O soluție cu bobine multispiră a fost selectată, deoarece acestea permit o mai mare flexibilitate în alegerea numărului de crestșături, pentru numărul dat de căi de curent a și pentru pentru a evita currenți Eddy (turbionari) excesivi în bobine.

Construirea unei infașurări fracționare q cu două straturi cuprinde următoarele etape:

Unghiul electric al tensiunii induse in laturile bobinelor în două crestaturi succesive α es:

-Numărul t de crestături cu tensiuni sinfazice:

t = cea mai mare divizor comun (Ns, p1) = 6

-Numărul de crestături distincte / e.m.f fază:

Ns/t = 258/6 = 43

– Unghiul mecanic al t.e.m distincte învecinate:

-Reprezenatrea stelei t.e.m cu Ns/t = 43 Elemente

-alegerea deschiderii bobinei Y = 10 <τ = 10,75

-Impărțirea t.e.m distincte în zone egale. Unghiul dintre începuturile faza A, B, C este in sensul acelor de ceasornic.

Figura 2.1 Steaua t.e.m pentru N s = 258 crestături, 2 p = 24 poli

2.3 Selecția materialului magnetic

Caracteristicile magnetice ale GSMPI depind de proprietățile materiale magnetice utilizate pentru rotor și stator. Prin urmare, cunoștințe de bază diverse materiale magnetice și proprietățile lor este esențială în optimizare. Cele două materiale magnetice principale utilizate în construcția mașinii IPM sunt: neodim-fier-bor magnet permanent pentru polii rotorului și oțel laminat de tip M-36 pentru miezurile rotorului și statorului.

2.3 .1 Magneții permanenți

Materialul magneților permanenți (MP) nu necesită energie externă pentru a produce și menține un câmp magnetic în întrefier. Ca orice alt material feromagnetic, caracteristica magnetică a MP poate fi descris de curba de B-H. Performanța unui magnet permanent este evaluată cu ajutorul a trei proprietați principale: remanența, coercitivitatea și demagnetizarea acestuia. Remananța Br a unui magnet este definită ca valoarea densității fluxului magnetic B reținute de acesta în cazul în care câmpul magnetic H este zero. Pe de altă parte, câmpul negativ care aduce densitata fluxuli la zero se numește camp coercitiv (Hc) al MP.

Demagnetizarea unui magnet permanent este influențată de creșterea temperaturii și durata expunerii la starea de temperatură ridicată. Temperatura la care magnetizarea MP se reduce la zero, este cunoscută ca temperatura Curie. Un alt parametru important al unui magnet este energia maximă stocată care este definit ca (BH) max .

Pentru GSMPI ales, magneții permanenți de înaltă performanță neodim-fier-bor au fost considerați cea mai bună soluție deoarece oferă cea mai mare densitate de camp magnetic (circa 1,3 [T]). In mod tipic, permeabilitatea magnetică μ = 1.05μo pentru și neodim-boron- fier.

O descriere mai bună pentru a magnetului permanent anent ales este prezentată în tabelul 2.1.

Tabelul 2-1 Proprietățile magneților permanenți

Figura 2.1: Curba de magnetizare neodim fier boron

2.3 .2 Selecția oțelului laminat (tole)

Miezurile rotorului și statorului au fost alese pentru a fi fabricate din foi de oțel laminate de tipul M-36 (tole) izolate electric unele de altele. Grosimea foilor laminate este 0,635 [mm] . cu un factor de umplere de 0.98. O soluție cu miez de fier solid este de asemenea disponibilă, dar are doua dezavantaje principale: efectul pelicular și pierderi ca urmare a curenților turbionari induși. O mare poțiune a fluxurilor magnetice este forțată pe suprafața exterioară a miezului de către efectul pelicular rezultând la o sub-utilizare a materialului. Pe de altă parte, fenomenul de curenți turbionari cauzează pierderi în miez. Următorul tabel descrie proprietătile de material ale oțelului M-36.

Tabelul 2 -2 Proprietățile de material pentru miez de fier laminat.

F igura 2.2: Curba de magnetizare a oțel electric M-36

2 .4 .1 Algoritmul de dimensionare

Folosind date specifice cunoscute, descrierea si modelarea geometrică, proprietățile magnetice și electrice pentru proiectarea SGMPI este definită algoritmic. Diferitele dimensiuni geometrice ale statorului sunt prezentate în figura 2.3.

Figura 2. 3: Dimensiuni geometrice ale statorului

Algoritmul de dimensionare cuprinde următoarele etape:

1) Diametrul exterior al rotorului:

unde T e – cuplu electromagnetic [Nm],

– Densitate medie de forță pe suprafață [N / m],

– Diametrul rotorului exterior [m],

– Raportul dintre lungimea rotorului și diametrul rotorului exterior

p – numărul de perechi de poli.

2) Pasul polar rotoric:

unde D ro – Diametrul statoric interior,

p – numărul de perechi de poli,

3) Lunigimea rotorului:

l r – lungime rotor

4) Înălțimea piesei polare magnetice

unde: – intrefier.

5) Fluxul maxim in intrefier pe pol:

cu:

unde: – Pas polar,

B g1 – Valoarea medie a densității fluxuluimagnetic in intrefier [T],

– Densitatea de flux remanent in intrefier [T],

-intrefierul [m],

– Înălțimea piesei polare magnetice [m],

– Numărul de perechi de poli,

6) Numărul de spire pe cale de curent:

unde f N – frecvența nominală [Hz],

K W1 – factor infasurării,

U N – tensiunea de fază nominală [V],

7) Numărul de crestături ale statorului și numărul de crestături / pol / fază:

unde a – număr de căi de curent.

în care m – numărul de faze

8) Pasul statoric:

unde D este – diametrul interior stator [m]

9)Înălțimea și lățimea crestăturilor statorice:

unde: – – Factor de umplere crestatură,

– – va loarea efectivă a densității de curent[A/m2],

– – Numărul de spire pe fază înmulțit cu curent de fază

unde nb_phase – numărul de bobine pe faza

10) Înălțimea dinților sau adâncimea crestăturii:

în care: – Înălțimea dinte statoric,

– Înălțimea crestăturii (in partea de jos).

11) Înălțimea jugului statoric:

în care: – Densitatea fluxului in jugul statoric [T],

– Numărul de crestături ale statorului

12) Diametrul statoric exterior:

13) Înălțimea jugului rotoric:

în care: – Densitatea de fluxului in jugul rotoric

14) Tensiunea electromotare de fază este:

[Rad / s]

15) Pierderile în cupru pot fi scrise ca:

16) Pe baza experienței, pierderile mecanice sunt estimate ca:

în care:

17) Puterea nominală nominală la arborele generatorului:

18) Pierderile în fier din dinți statorului sunt:

în care: – Este coeficientul specific pierdere în fier la 1,5 [T] (valoare de vârf),

– Greutatea dinților statorici,

– Este masa specifică a tolelor,

– Densitatea de flux în dinți statorului.

19) Pierderile de fier din jug statorului sunt:

în care:

20) Pierderile totale în fier sunt definite ca suma pierderilor in dinți și jugul statoric:

21) Pierderiele totale represinta suma dintre pierderile în cupru, fier și pierderile mecanice

22) Eficiența și factorul de putere al mașinii sunt(functionare regim motor):

unde este puterea mecanică la arbore și este puterea electrică de intrare.

2.4.2 Masa și costuri materialelor

Ponderile maselor dinților statorului, jugul stator și rotor jugul sunt [4]

unde este masa specifică a tolelor.

Ponderile de masă a magnetului permanent și a cuprului sunt

unde și sunt masa specifică a magneților permanenți și, respectiv, a cuprului.

Masa totală a materialelor active devine

Costurile materialelor active pot fi scris ca si pondere între mesle specifice de material și costurile specifice ale acestora ( , și sunt costurile specifice ale tolelor, cuprului și, respectiv, magneții permanenți).

Capitolul 3 Analiza cu element finit a prototipului GSMPI ales (contribuție personală)

3.1. 3.1. Finite Element Method (FEM) Metoda Elementului Finit (FEM)

Accurate prediction and detailed electro-magnetic analysis are necessary during development of a prototype design so that any kind of oversight that could prove costly after actual construction can be avoided be forehand. Estimarea precisă și analiza detaliată electro-magnetic sunt necesare în timpul dezvoltării unui prototip, astfel încât orice fel de eroare, care s-ar putea dovedi costisitoare după construcția efectivă, să poată fi evitată.

T he main track in generator mode ling is the field approach modeling. Firstly, a model can be used to design a new device with correct physical properties. Calea principală în modelarea generatorlui este modelarea din punct de vedere magnetic. În primul rând, un model poate fi folosit pentru a proiecta un nou dispozitiv cu proprietăți fizice corecte. A method where field equations are solved in accordance with physical correlations is pro bably the more appropriate here . O metodă în care ecuațiile de câmp sunt rezolvate în conformitate cu corelații fizice este probabil mai potrivită aici. The de tailed finite element (FE) mode ling of both hydropower generators for wave energy converters is based on the same physical principles: the field equations. Modelarea prin analiza cu element finit (FEM) pentru generatorul pentru conversioa energiei valurilor se bazează pe aceleași principii fizice: ecuațiile de câmp.

One way to describe a generator is to use the Maxwell's equations for electromagnetic couplin g and induction: Un mod de a descrie un generator este utilizarea ecuațiilor Maxwell pentru cuplajul electromagnetic și inducție:

where unde is magnetic field intensity [A/m], este vectorul intensitate a câmpului magnetic [A / m],

i s magnetic flux density [T], densitatea de flux magnetic [T],

is e lectric flux density [coulomb/m2] , este densitatea de flux electric [coulomb / m2],

is electric current intensity [A/m2] and este densitatea de curent electric [A / m2] și

is the operator del to . este operatorul nabla.

These equations are solved by various methods. Aceste ecuații sunt rezolvate prin diferite metode. These methods can be grouped into Aceste metode pot fi grupate în analytical and numerical methods. metode analitice și numerice. The example of the analytical methods includes l umped parameter model and equivalent circuit method whereas the numerical methods consist of the finite differential and finite element methods etc. T he analytical methods are considered to be inadequate when the problem involves magnetic saturation and complex geometry. Exemplul metodelor analitice includ metoda circuit echivalent iar metodele numerice constau din metoda diferențialelor finite și metoda elementului finit. Metodele analitice sunt considerate a fi inadecvate în cazul în care problema implică saturație magnetică și geometrie complexa. The numerical methods are better equipped to handle such difficult problems. Metodele numerice sunt mai bine potrivite să se ocupe de astfel de probleme dificile. Among the various numerical methods, the finite element method (FEM) is widely used because of its flexibility and reliability. Printre diferitele metode numerice, metoda elementelor finite (FEM) este utilizat pe scară largă datorită flexibilității și fiabilitatății sale.

This chapter discusses the theory behind the finite element analysis of two dimensional electromagnetic field which was used to evaluate the proposed prototype IPM SG machines. Acest capitol discută teoria din spatele analizei cu element finit bidimensional al câmpului electromagnetic care a fost folosită pentru a evalua prototipul GSMPI propuse. In the finite element method, complexity of a problem is minimized by dividing the study domain into finite elements of simpler geometric shapes and then the partial differential equations related to these elements are solved by the numerical În metoda elementului finit, complexitatea unei probleme este minimizată prin împărțirea domeniului de studiu în elemente finite de forme geometrice simple și apoi ecuațiile cu derivate parțiale legate de aceste elemente sunt rezolvate prin metode numerice techniques.. The finite element analysis of a physical event consis ts of following general steps: Analiza cu element finit a unui eveniment fizic constă in următoarele etape generale:

– Representation of the physical event in mathematical model – Reprezentarea evenimentului fizic model matematic

– Construction of the geometry and it s discretiz ation to finite elements (also known as 'Mesh Formation' of the study domain) – Construirea geometriei sale și discretizarea ei în elemente finite (de asemenea, cunoscut sub numele de ” Mesh formation" a domeniului de studiu)

– Assignment of material properties to various regions – Atribuirea proprietăților materialelor pentru diferite regiuni

– Assignment sources of excitation (if present) – Atribuirea surselor de excitație (dacă există)

– Assignment of boundary conditions – Alocarea condiții limită

– Derivation and assembling of the element matrix equations – Derivarea și construirea ecuațiilor matriceale ale elementului

– Solution of the equations for unknown variables – Reazolvarea ecuațiilor pentru variabile necunoscute

– Post processing or analysis of results obtained – Post procesarea sau analiza rezultatelor obținute

In the electric machine, the air-gap between stator and rotor is very small over the În mașină electrică, întrefierul dintre stator și rotor este foarte mic peentire axial length except at the end-turn region. întreaga lungime axială a mașinii. In other words, the magnetic field is Cu alte cuvinte, câmpul magnetic este virtually two-dimensional at the study domain provided the effect of end-turn region practic bidimensional la domeniul de studiu furnizat. Therefore, use of 2D finite element analysis for most of the electric machines is justifiable . Prin urmare, utilizarea de analiza cu element finit 2D pentru majoritatea mașinilor electrice este justificată. Additionally, 2D FEM requires less computing memory, În plus, 2D FEM necesită mai puțină memorie de calcul, power and time compared to 3D FEM. putere și timp în comparație cu 3D FEM.

A FEM anal ysi s can provide important machine parameters such as: O anliză FEM poate oferi parametri importanți ai mașini electricce, cum ar fi:

• back-EMF at no-load and load, • back-EMF in gol și în sarcină,

• cogging torque (zero current), • Cuplu la curent zero- cogging torque,

• torque pulsations, • pulsații în cuplu,

• iron losses, • pierderi de fier,

• demagnetization analysis, • Analiza demagnetizării,

• torque-speed characteristics for different currents and (pre)defined torque-angle • Caracteristici cuplu-viteză pentru diferite curenți și unghi de cuplu (pre)definit

3.2. Dimensionarea generatorului pentru CEV cu revărsare

Procedura dimensionare prezentată în paragraful anterior a fost aplicată pentru următorul set de parametri-cheie de proiectare (specifici aplicației de convertor energie valuri cu revărsare):

– Putere nominala: P = 290 [kW],

-Cuplu nominal: ,

– Viteza unghiularăsincronă nominală: ,

-Viteza unghiulară maximă n max = 550 [rpm],

-Tensiune de linie: ,

-Curent nominal I N = 245 [A],

– Poli Număr: .

-Frecvență nominală: fN=50 [Hz]

-Rezistență fazei statorice Rs=0.49[Ω],

– Reactanța în axele d și q: Xad=Xaq=0.42[Ω].

Dimensiunile geometrice și parametrii electrici și magnetică ai GSMPI sunt prezentate mai jos:

1) Diametrul exterior rotorului:

Am ales ft=3 [N/cm2] and λ=1.75

[m]

2) Pas polar rotoric:

3) Lungimea rotorului:

4) Înălțimea piesei polare magnetice:

Pentru un întrefier g = 0,004 [m], alegem

5) Fluxul maxim in intrefier per pol:

6) Numărul de spire pe cale de curent:

7) Numărul de crestături statorice și numărul de crestături / pol / fază:

q = 3.6

.

8) Pas statoric:

9) Înălțimea și lățimea crestăturilor statorice:

10) Înălțimea dinților sau adâncimea crestăturii:

11) Înălțimea jugului statoric:

12) Diametrul statoric exterior:

13) Înălțimea jugului rotoric:

14) Tensiunea electromotare de fază este:

15) Pierderile în cupru rezultate sunt:

16) Pe baza experienței, pierderile mecanice estimate rezultă ca fiind:

17) Puterea nominală nominală la arborele generatorului:

18) Pierderile de fier din dinți statorului rezultate sunt:

19) Pierderile în fier din jugul statorului sunt:

20) Pierderile totale in fier calculate:

21) Totalul pierderilor in mașina electrică:

22) Eficiența și factorul de putere al mașinii sunt:

unde este puterea mecanică la arborele generatorului

Tabelul 2-3 Dimensiunile și proprietățile rezulatate ale GSMPI dimensionat.

Tabelul 2-4 Parametri Masini (parametrii măsurați / calcul analitic)

3.2 Lua script parametric model 3.2 Model parametric în Lua Script

Lua este limbaj de scripting incorporabil puternic, rapid si ușor; acesta combină sintaxa procedurală simpla cu tablouri asociative și semantică extensibilă. Lua este tastat dinamic, se execută prin interpretarea codului pe biti pentru o mașină virtuală pe bază de registre, fiind ideal pentru configurare, scripting, și prototipuri rapide. Lua a fost folosit în multe aplicații industriale (de exemplu, Adobe Photoshop Lightroom ), cu accent pe sistemele integrate (de exemplu,Ginga middleware pentru TV digitală în Brazilia) și jocuri (de exemplu,World of Warcraft și Angry Birds). Lua este în prezent lider limbajul de scripting în jocuri Mai multe versiuni ale Lua au fost eliberate și utilizate în aplicații reale de la crearea sa în 1993. Mai multe tetste de referința indică Lua ca cel mai rapid limbaj în domeniul limbajelor de scripting interpretate. Lua este rapid, nu numai în programele de referință fine-tuned, dar în viața reală prea. Fracțiuni importante de aplicații mari au fost scrise în Lua.

Lua este distribuit într-un pachet mic și reprezinătă o soluție ieșită din comun pentru toate platformele care au un compilator C standard. Lua ruleaza pe diferite platform: de la Unix si Windows, la dispozitive mobile (care rulează Android, iOS, BREW, Symbian, Windows Phone), pe microprocesoare încorporate (cum ar fi ARM și Rabbit, pentru aplicații cum ar fi Lego Mindstorms), pe mainframe IBM, etc.

Lua are un API simplu și bine documentat care permite integrarea puternică cu codul scris în alte limbaje.Este ușor să se extindă Lua cu bibliotecile scrise în alte limbaje. De asemenea, este ușor să se extindă programele scrise în alte limbaje de programare cu Lua script.Acesta a fost folosit pentru a extinde programe scrise nu numai în C și C ++, dar, de asemenea, în Java, C #, Smalltalk, Fortran, Ada, Erlang, și chiar și în alte limbaje de scripting, cum ar fi Perl si Ruby.

Using the geometrical dimensions and magnetic Folosind dimensiunile geometrice și magnetice and electrical properties extracted from the dimensioning algorithm presented in the previous chapter a parametric model of și proprietățile electrice extrase din algoritmul de dimensionare prezentat în capitolul anterior, un model parametric pentru the chosen IPMSG topology was created. topologia SGMPI ales a fost creat.

The parametric model implemented in FEMM 4.2 with LUA script is listed below: Modelul parametric implementat în FEMM 4.2 cu script LUA este prezentat mai jos:

–Inputs

Dro=1.008637; –outer rotor diameter

g=0.004; –air gap

p=12 –number of pole pairs

Dsi=Dro+2*g; –interior stator diameter

Ns=258 –number of stator slots

tau=pi*Dro/(2*p) –pole pitch

taus=pi*Dsi/Ns –slot pitch

bs=0.45*taus –slot width

hs=8*bs –slot height

hys=0.025516 –stator yoke height

hyr=0.080161 –rotor yoke height

hPM=4*g –permanent magnet height

lPM=tau

x=(taus-bs)

xr=0.075*lPM

htt=0.1*hs

htt1=0.07*hs

beta=2*x/Dsi

beta1=2*0.4*bs/Dsi

beta2=2*0.2*bs/Dsi

alphas=2*(x+bs)/Dsi

betar=2*xr/Dro

alphar=2*lPM/Dro

alpharad=alphar*180/pi

Dso=Dsi+2*g+2*hys+2*hs+2*htt+2*htt1

clearconsole();

newdocument(0)

–mi_probdef(frequency,units,type,precision,(depth),(minangle))

mi_probdef(0,"meters","planar",1E-8,0.231,20)

mi_zoom(-1,-1,1,1)

– Adding Materials

mi_addmaterial("NdFeB 40 MGOe",1.049,1.049,979000,0,0.667,0,0,1,0,0,0,0,0)

mi_addmaterial("Copper",1,1,0,0,58,0,0,1,6,0,0,1,1)

mi_addmaterial("Air",1,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0)

mi_addmaterial("M-36 Steel",1616,1616,0,0,2,0.635,0,0.98,0,0,0)

B={0.000000,0.050000,0.100000,0.150000,0.200000,0.250000,0.300000,0.350000,0.400000,0.450000,0.500000,0.550000,0.600000,0.650000,0.700000,0.750000,0.800000,0.850000,0.900000,0.950000,1.000000,1.050000,1.100000,1.150000,1.200000,1.250000,1.300000,1.350000,1.400000,1.450000,1.500000,1.550000,1.600000,1.650000,1.700000,1.750000,1.800000,1.850000,1.900000,1.950000,2.000000,2.050000,2.100000,2.150000,2.200000,2.250000,2.300000}

H={0.000000,19.398586,29.611086,36.311286,41.398970,45.654681,49.463585,53.042857,56.529325,60.018492,63.584024,67.288555,71.190394,75.348316,79.825601,84.694101,90.039004,95.965085,102.605595,110.135639,118.793308,128.914555,140.993285,155.789587,174.533840,199.329946,233.989035,285.821861,369.571626,515.788276,785.785104,1282.793798,2108.172454,3257.880122,4726.442631,6512.009401,8720.265553,11459.429229,14887.904937,19350.577348,26042.602019,39200.400311,65518.130312,100476.654669,136976.920182,176029.817842,215228.810312}

for i=1,47,1 do

mi_addbhpoint("M-36 Steel",B[i],H[i])

end

–Boundary conditions

mi_addboundprop("A=0",0,0,0,0,0,0,0,0,0)

–STATOR GEOMETRY

for alf=0,2*pi,alphas do

x0=Dsi/2*sin(alf)

y0=Dsi/2*cos(alf)

x1=Dsi/2*sin(alf+beta1)

y1=Dsi/2*cos(alf+beta1)

x2=(Dsi/2+htt)*sin(alf+beta1)

y2=(Dsi/2+htt)*cos(alf+beta1)

x3=(Dsi/2+htt+htt1)*sin(alf)

y3=(Dsi/2+htt+htt1)*cos(alf)

x4=(Dsi/2+htt+htt1+hs)*sin(alf)

y4=(Dsi/2+htt+htt1+hs)*cos(alf)

x5=(Dsi/2+htt+htt1+hs/2)*sin(alf)

y5=(Dsi/2+htt+htt1+hs/2)*cos(alf)

x6=(Dsi/2+htt+htt1+hs)*sin(alf+alphas-beta)

y6=(Dsi/2+htt+htt1+hs)*cos(alf+alphas-beta)

x7=(Dsi/2+htt+htt1)*sin(alf+alphas-beta)

y7=(Dsi/2+htt+htt1)*cos(alf+alphas-beta)

x8=(Dsi/2+htt+htt1+hs/2)*sin(alf+alphas-beta)

y8=(Dsi/2+htt+htt1+hs/2)*cos(alf+alphas-beta)

x9=(Dsi/2+htt)*sin(alf+beta2+beta1)

y9=(Dsi/2+htt)*cos(alf+beta2+beta1)

x10=Dsi/2*sin(alf+beta2+beta1)

y10=Dsi/2*cos(alf+beta2+beta1)

x11=Dsi/2*sin(alf+alphas)

y11=Dsi/2*cos(alf+alphas)

x12=(Dsi/2+htt+htt1+3*hs/4)*sin(alf+beta1)

y12=(Dsi/2+htt+htt1+3*hs/4)*cos(alf+beta1)

x13=(Dsi/2+htt+htt1+hs/4)*sin(alf+beta1)

y13=(Dsi/2+htt+htt1+hs/4)*cos(alf+beta1)

mi_addnode(x0,y0)

mi_addnode(x1,y1)

mi_addnode(x2,y2)

mi_addnode(x3,y3)

mi_addnode(x4,y4)

mi_addnode(x5,y5)

mi_addnode(x6,y6)

mi_addnode(x7,y7)

mi_addnode(x8,y8)

mi_addnode(x9,y9)

mi_addnode(x10,y10)

mi_addnode(x11,y11)

mi_addsegment(x0,y0,x1,y1)

mi_addsegment(x1,y1,x2,y2)

mi_addsegment(x2,y2,x3,y3)

mi_addsegment(x3,y3,x4,y4)

mi_addsegment(x3,y3,x7,y7)

mi_addsegment(x4,y4,x6,y6)

mi_addsegment(x5,y5,x8,y8)

mi_addsegment(x6,y6,x7,y7)

mi_addsegment(x7,y7,x9,y9)

mi_addsegment(x9,y9,x10,y10)

mi_addsegment(x10,y10,x11,y11)

mi_addblocklabel(x12,y12)

mi_selectlabel(x12,y12)

mi_setblockprop("Copper",1,0,"none",0,0,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(x13,y13)

mi_selectlabel(x13,y13)

mi_setblockprop("Copper",1,0,"none",0,0,1)

mi_clearselected()

end

mi_addnode(0,Dso/2)

mi_addnode(0,-Dso/2)

mi_addarc(0,Dso/2,0,-Dso/2,180,5)

mi_addarc(0,-Dso/2,0,Dso/2,180,5)

– setting stator boundary conditions

mi_selectarcsegment(0,Dso/2)

mi_setarcsegmentprop(5,"A=0",0,0)

mi_selectarcsegment(Dso/2,0)

mi_setarcsegmentprop(5,"A=0",0,0)

mi_addblocklabel(0,-Dso/2+hys/2)

mi_selectlabel(0,-Dso/2+hys/2)

mi_setblockprop("M-36 Steel",1,0,"none",0,0,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(-Dro/2-g/2,0)

mi_selectlabel(-Dro/2-g/2,0)

mi_setblockprop("Air",0,0.1,"none",0,0,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(x7,y7)

mi_selectlabel(x7,y7)

mi_setblockprop("Copper",1,0,"none",0,1,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(x8,y8)

mi_selectlabel(x7,y7)

mi_setblockprop("Copper",1,0,"none",0,0,1)

mi_clearselected()

–ROTOR GEOMETRY

i=0

for alfr=0,2*pi,alphar do

xr0=(Dro/2-0.004)*sin(alfr+3*betar/4)

yr0=(Dro/2-0.004)*cos(alfr+3*betar/4)

xr1=(Dro/2-0.004)*sin(alfr+2*betar)

yr1=(Dro/2-0.004)*cos(alfr+2*betar)

xr2=(Dro/2-0.004)*sin(alfr+alphar-betar)

yr2=(Dro/2-0.004)*cos(alfr+alphar-betar)

xr3=(Dro/2-0.004)*sin(alfr+alphar+betar/4)

yr3=(Dro/2-0.004)*cos(alfr+alphar+betar/4)

xr4=(Dro/2-hPM-0.004)*sin(alfr+alphar-betar)

yr4=(Dro/2-hPM-0.004)*cos(alfr+alphar-betar)

xr5=(Dro/2-hPM-0.004)*sin(alfr+2*betar)

yr5=(Dro/2-hPM-0.004)*cos(alfr+2*betar)

xr6=(Dro/2-hPM/2-0.004)*sin(alfr+alphar/2+betar) –mag direction

yr6=(Dro/2-hPM/2-0.004)*cos(alfr+alphar/2+betar)

xr7=(Dro/2-hPM/4-0.004)*sin(alfr+3*betar/2) –Air

yr7=(Dro/2-hPM/4-0.004)*cos(alfr+3*betar/2)

xr8=(Dro/2-hPM/2-0.004)*sin(alfr+alphar-betar/2) – Air

yr8=(Dro/2-hPM/2-0.004)*cos(alfr+alphar-betar/2)

xr9=(Dro/2-hPM/2-0.004)*sin(alfr+2*betar)

yr9=(Dro/2-hPM/2-0.004)*cos(alfr+2*betar)

xr10=(Dro/2-hPM/2-0.004)*sin(alfr+alphar-betar)

yr10=(Dro/2-hPM/2-0.004)*cos(alfr+alphar-betar)

xr11=(Dro/2-hPM/4-0.004)*sin(alfr+3*betar/2)

yr11=(Dro/2-hPM/4-0.004)*cos(alfr+3*betar/2)

xr12=(Dro/2-0.004)*sin(alfr+betar+alphar/2)

yr12=(Dro/2-0.004)*cos(alfr+betar+alphar/2)

xr13=(Dro/2-hPM/4-0.004)*sin(alfr+alphar-betar/2)

yr13=(Dro/2-hPM/4-0.004)*cos(alfr+alphar-betar/2)

xr14=(Dro/2-3*hPM/4-0.004)*sin(alfr+alphar-betar/2)

yr14=(Dro/2-3*hPM/4-0.004)*cos(alfr+alphar-betar/2)

xr15=(Dro/2-hPM-0.004)*sin(alfr+betar+alphar/2)

yr15=(Dro/2-hPM-0.004)*cos(alfr+betar+alphar/2)

xr16=(Dro/2-3*hPM/4-0.004)*sin(alfr+3*betar/2)

yr16=(Dro/2-3*hPM/4-0.004)*cos(alfr+3*betar/2)

mi_addnode(xr0,yr0)

mi_selectnode(xr0,yr0)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_addnode(xr1,yr1)

mi_selectnode(xr1,yr1)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_addnode(xr2,yr2)

mi_selectnode(xr2,yr2)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_addnode(xr3,yr3)

mi_selectnode(xr3,yr3)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_addnode(xr4,yr4)

mi_selectnode(xr4,yr4)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_addnode(xr5,yr5)

mi_selectnode(xr5,yr5)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_addsegment(xr0,yr0,xr1,yr1)

mi_selectsegment(xr11,yr11)

mi_setsegmentprop("None",0,1, 0,1)

mi_clearselected()

mi_addsegment(xr1,yr1,xr2,yr2)

mi_selectsegment(xr12,yr12)

mi_setsegmentprop("None",0,1, 0,1)

mi_clearselected()

mi_addsegment(xr2,yr2,xr3,yr3)

mi_selectsegment(xr13,yr13)

mi_setsegmentprop("None",0,1, 0,1)

mi_clearselected()

mi_addsegment(xr3,yr3,xr4,yr4)

mi_selectsegment(xr14,yr14)

mi_setsegmentprop("None",0,1, 0,1)

mi_clearselected()

mi_addsegment(xr4,yr4,xr5,yr5)

mi_selectsegment(xr15,yr15)

mi_setsegmentprop("None",0,1,0,1)

mi_clearselected()

mi_addsegment(xr5,yr5,xr0,yr0)

mi_selectsegment(xr16,yr16)

mi_setsegmentprop("None",0,1,0,1)

mi_clearselected()

mi_addsegment(xr1,yr1,xr5,yr5)

mi_selectsegment(xr9,yr9)

mi_setsegmentprop("None",0,1, 0,1)

mi_clearselected()

mi_addsegment(xr2,yr2,xr4,yr4)

mi_selectsegment(xr10,yr10)

mi_setsegmentprop("None",0,1,0,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(xr6,yr6)

mi_selectlabel(xr6,yr6)

– Setting the magnetisation direction

if mod(i,2)==0 then

alfpm=-(90+alpharad/2+i*alpharad)

else

alfpm=90-i*alpharad-alpharad/2

end

i=i+1

mi_setblockprop("NdFeB 40 MGOe",1,0,"none",alfpm,1,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(xr7,yr7)

mi_selectlabel(xr7,yr7)

mi_setblockprop("Air",1,0,"none",0,1,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(xr8,yr8)

mi_selectlabel(xr8,yr8)

mi_setblockprop("Air",1,0,"none",0,1,1)

mi_clearselected()

end

mi_addnode(0,Dro/2)

mi_selectnode(0,Dro/2)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_clearselected()

mi_addnode(0,-Dro/2)

mi_selectnode(0,-Dro/2)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_clearselected()

mi_addarc(0,Dro/2,0,-Dro/2,180,5)

mi_selectarcsegment(-Dro/2,0)

mi_setarcsegmentprop(5, "None",1,1)

mi_clearselected()

mi_addarc(0,-Dro/2,0,Dro/2,180,5)

mi_selectarcsegment(Dro/2,0)

mi_setarcsegmentprop(5, "None",1,1)

mi_clearselected()

mi_addnode(0,Dro/2-hyr-hPM)

mi_selectnode(0,Dro/2-hyr-hPM)

mi_setnodeprop("None",1)

mi_clearselected()

mi_addnode(0,-(Dro/2-hyr-hPM))

mi_selectnode(0,-(Dro/2-hyr-hPM))

mi_setnodeprop("None",1)

mi_clearselected()

mi_addarc(0,Dro/2-hyr-hPM,0,-(Dro/2-hyr-hPM),180,5)

mi_addarc(0,-(Dro/2-hyr-hPM),0,Dro/2-hyr-hPM,180,5)

mi_addblocklabel(0,-Dro/2+hPM+hyr/2)

mi_selectlabel(0,-Dro/2+hPM+hyr/2)

mi_setblockprop("M-36 Steel",1,0,"none",0,1,1)

mi_clearselected()

mi_addblocklabel(0,0)

mi_selectlabel(0,0)

mi_setblockprop("Air",0,0.8,"none",0,1,1)

mi_clearselected()

– setting rotor boundary conditions

mi_selectarcsegment(0,Dro/2-hyr-hPM)

mi_setarcsegmentprop(5,"A=0", 0,1)

mi_clearselected()

mi_selectarcsegment((Dro/2-hyr-hPM),0)

mi_setarcsegmentprop(5,"A=0",0,1)

mi_addcircprop("Ia",I, 1)

mi_addcircprop("Ib",I,1)

mi_addcircprop("Ic",I,1)

mi_addcircprop("-Ia",-I, 1)

mi_addcircprop("-Ib",-I,1)

mi_addcircprop("-Ic",-I,1)

mi_saveas("IPMSG.fem")

3.2 Field distribution 3.2 Distribuția câmpului magnetic

The field distribution in no load conditions is the first step in FE-analysis. It offers valuable information about quality and precision of design. Distribuția câmpului în condiții de încărcare nulă este primul pas în FE-analiză. Acesta oferă informații valoroase despre calitatea și precizia designului. Distribuția uniformă a The field lines uniform distribution and the saturation level can be assessed. liniilor de câmp și nivelul de saturație al mașinii poate fi evaluată.

A good field distribution confirms the design and at the same times the correctness of th e FE- modeling and computation. O distribuție bună a câmpului magnetic confirmă proiectarea și in același timp corectitudinea lea modelării cu element finit (FE) și a calculului dimansional. Also can be observed the flux barriers in the rotor, at the extremities. De asemenea, pot fi observate barierele de flux din rotor, la extremități. Their goal is to reduce the leakage flux between megnets .Scopul lor este de a reduce fluxul de dispersie între megneți.

The rest of the magnetic circuit presents (at no-load) flux densities below 1.2 T. This situation will change under load, when high currents will disturb the field distribution (armature reaction). Restul circuitului magnetic (la gol) prezintă densități de flux mai mici de 1.2 T. Această situație se va schimba in condiții de sarcină, când curenți mari vor perturba distribuția liniilor de câmp (reacția armatură).

Figure 3.1 Flux density distribution (no-load conditions ) Figura 3.1 Distributia liniilor de câmp magentic (la funcționare in gol)

Figure 3.2 Flux density distribution (no-load conditions ) Figura 3.2 Distributia liniilor de câmp magentic (la funcționare in sarcină)

Figure 3.3 Figura 3.3 Air-gap field density (no-load Distributia liniilor de câmp magentic în întrefier (la funcționare in gol)

3.3 Cogging torque 3.3 Cuplul la ”zero curent” – cogging torque

The cogging torque in the Permanent Magnet machines is a concern for low speed Cuplul la ”zero curent” în mașinile cu magneți permanenți este o preocupare pentru actionările de viteză redusăapplications.. The cogging torque is caused by the magnetic attraction between rotor Cuplul la ”zero curent” este cauzat de atracția magnetică între permanent magnets and stator teeth. magneții permanenți din rotor și dinții statorici. The circumferential component of the force Componenta circumferențială a forței attempts to maintain the alignment between the stator teeth and the magnet poles. încearcă să mențină alinierea dintre dinții statorului și polii magnetici.

In the finite element model, the cogging of a machine can be estimated from the principle of virtual work based on Maxwell stress-tensor. În modelarea cu elemente finite, cuplul la ”zero curent” al unei mașini poate fi estimat pe baza tensorului lui Maxwell.

The variation of the calculated cogging torque versus rotor ang ular is presented in Figure 3.4 . Variația cuplului la ”zero curent” calculat în funcție de poziția unghiulară a rotorului este prezentată în figura 3.4. This calculation was done for a “natural” period of the cogging torque given by Acest calcul a fost făcut pentru o perioadă "naturala" al cuplului la ”zero curent” dată de:

Figure 3.4 FE-calculated cogging torque Figura 3.4 Cuplul la ”zero curent (FEM)

It can be observed that the condition regarding the maximum cogging torque is fulfilled: Se poate observa că condiția privind cuplul maxim la ”zero curent este îndeplinită:

FE-cogging torque calculation was generated using a LUA script. Calculul la ”zero curent” a fost generat folosind un script LUA. In this program the rotor is moved for 1.2[°mech] =14.4[°elec] with an angular step of 0.05. În acest program rotorul este rotit cu 1,2 [° mech] = 14,4 [° elec] cu un pas unghiular de 0,05°. The LUA script for FE-cogging torque calculation is listed below: Scriptul LUA de calcul cuplu FE-dantură este prezentat mai jos:

mi_analyze(0)

mi_loadsolution()

handle=openfile("coggingtorque.txt","w");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(1)

w=mo_blockintegral(22)

write(handle," ",w,"\n")

closefile(handle)

mo_clearblock()

mo_close()

for alfmec=0,1.2,0.05 do

alfel=alfmec*12

mi_seteditmode("group")

mi_selectgroup(1)

mi_moverotate(0,0,-0.05,4)

mi_clearselected()

mi_analyse()

mi_loadsolution()

handle=openfile("coggingtorque.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(1)

w=mo_blockintegral(22)

write(handle," ",w,"\n")

closefile(handle)

mo_clearblock()

mo_close()

end

For an easy understanding, in the next listing are presented the LUA Script functions used in this program: Pentru o înțelegere ușoară, în lista următoare sunt prezentate funcțiile LUA Script utilizate în acest program:

• mi_analyse(flag) runs fkern to solve the problem. • mi_analyse (flag) execută fkern pentru a rezolva problema. The flag parameter controls whether the fkern window is visible or minimized. Parametrul ”flag” controlează dacă fereastra fkern este vizibilă sau minimizată. For a visible window, either specify no value for flag or specify 0. For a minimized window, flag should be set to 1; Pentru o fereastră vizibilă, se specifica fie nici o valoare pentru ”flag” sau se specifică 0. Pentru o fereastră minimizată, flagul ar trebui să fie setat la 1;

• mi_loadsolution() loads and displays the solution corresponding to the current geometry; • mi_loadsolution () incarcă și afișează soluția corespunzătoare geometriei curente;

• openfile(filename, mode) • OpenFile (filename, mode) – – this function opens a file, in the mode specified in the string mode . Această funcție deschide un fișier, în modul specificat pritr-un caracter de tip string (șir de caractere). It returns a new file handle, or, in case of errors, nil plus a string describing the error. Returnează un nou fișier, sau, în caz de erori, ”nil” plus un șir care descrie eroarea. This function does not modify either _INPUT or _OUTPUT . Această funcție nu modifică nici _INPUT sau _OUTPUT.

The mode string can be any of the following: Șirul mod poate fi oricare dintre următoarele:

„r” read mode; "r" modul citit;

„w” write mode;"w" modul de scriere;

„a” append mode; "a" mod de adăugare;

„r+” update mode, all previous data is preserved; "r +" modul de actualizare, toate datele anterioare se păstrează;

„w+” update mode, all previous data is erased; "w +" modul de actualizare, toate datele anterioare sunt șterse;

„a+” append update mode, previous data is preserved, writing is only allowed at the end of file. "a +" adăuga modul de actualizare, datele anterioare se păstrează, scrierea este permisă numai la sfârșitul fișierului.

• mi_seteditmode(editmode) – sets the current edit – mode to: • mi_seteditmode (editmode) – stabilește module de editare curent pentru:

– "nodes" – nodes – "nodes" – noduri

– "segments" – line segments – "segments" – segmente de linie

– "arcsegments" – arc segments – "arcsegments" – segmente de arc

– "blocks" – block labels – "blocks" – blocuri

– "group" – selected group – "grup" – grupul selectata

• mo_groupselectblock(n) selects all of the blocks that are labeled by block labels that are members of group n. • mo_groupselectblock (n) selectează toate blocurile care sunt etichetate cu etichete de bloc care sunt membre ale grupului n. If no number is specified ( ie mo_groupselectblock() ), all blocks are selected. Dacă nu este specificat nici un număr (de exemplu, mo_groupselectblock ()), sunt selectate toate blocurile. In this program the group 1 represents th e rotor of the considered IPMSG, În acest program grupul 1 reprezintă rotorul GSMPI considerat,

• mo_blockintegral(type) calculate a block integral for the selected blocks • mo_blockintegral (type-) calculaează o integrală pentru blocurile selectate

Type Definition

0 A· J

1 A

2 Magnetic field energy

3 Hysteresis and/or lamination losses

4 Resistive losses

5 Block cross-section area

6 Total losses

7 Total current

8 Integral of Bx (or Br) over block

9 Integral of By (or Bz) over block

10 Block volume

11 x (or r) part of steady-state Lorentz force

12 y (or z) part of steady-state Lorentz force

13 x (or r) part of 2× Lorentz force

14 y (or z) part of 2× Lorentz force

15 Steady-state Lorentz torque

16 2× component of Lorentz torque

17 Magnetic field coenergy

18 x (or r) part of steady-state weighted stress tensor force

19 y (or z) part of steady-state weighted stress tensor force

20 x (or r) part of 2× weighted stress tensor force

21 y (or z) part of 2× weighted stress tensor force

22 Steady-state weighted stress tensor torque

23 2× component of weighted stress tensor torque

24 R2 (i.e. moment of inertia / density)

• write([filehandle,] • write([filehandle,] value1 …) valoare1 …) writes the value of each of its arguments to file _output , or to filehandle if this argument is given. scrie valoarea fiecărui argument în file _output, sau filehandle dacă este dat acest argument. The arguments must be strings or numbers. Argumentele trebuie să fie șiruri sau numere.

• closefile(handle) • closefile (handle) – this function closes the given file. – Această funcție închide fișierul dat. It does not modify either _INPUT or _OUTPUT ; Ea nu modifică nici _INPUT sau _OUTPUT;

• mo_clearblock() – clear block selection; • mo_clearblock () – deselecteaza blocurile curent selectate;

• mo_close() – closes the current post-processor instance; • mo_close () – închide actuala instanță post-procesare;

• mi_selectgroup(n) – select the n th • mi_selectgroup (n) – selectează al n-lea group of nodes, segments, arc segments and blocklabels.This function will clear all previously selected elements and leave the editmode in 4 (group); grup de noduri, segmente, segmente de arc și etihete de blocuri. Această comanda va șterge toate elementele selectate anterior și va lăsa modul de editare în 4 (grup);

• mi_moverotate(bx,by,shiftangle (editaction)) • mi_moverotate (bx, de, shiftangle (editaction))

– bx, by – base point for rotation, – Bx, de – punctul de baza pentru rotatie,

– shiftangle – angle in degrees by which the selected objects are rotated, – Shiftangle – unghiul în grade prin care obiectele selectate sunt rotite,

– editaction 0-nodes, 1-lines (segments), 2-block labels, 3-arc segments, 4-group; – Editaction 0-noduri, 1 linii (segmente), 2- etichete bloc, 3- segmentele de arc, 4-grup;

• mi_clearselected() – clear all selected nodes, blocks, segments and arc segments. • mi_clearselected () – șterge toate noduri, blocuri, segmente și segmente de arc selectate.

In this program used to calculate cogging torque all the results are writt en in a file named cogging torque.txt. În acest program folosit pentru a calcula cuplul dantură toate rezultatele sunt writt en într-un fișier numit coggingtorque.txt.

3. 4 Load torque (for full current ) 3. 4 Cuplu de sarcină (pentru curent constant)

In the following , the result FE-calculation for torque at full constant current will be presented. În cele ce urmează, vor fi prezentate rezultatele calculului cu element finit pentru cuplul de sarcină la curent constant .

Figure 3. 5 Electromagnetic torque versus rotor position at Figura 3. 5 Cuplu electromagnetic în funcție de poziția rotorului la

constant current (I A =245[A],I B =-122.5[A],I C =-122.5[A] ) curent constant (IA=245[A],IB=-122.5[A],IC=-122.5[A])

The next listing presents the Lua script program used for torque calculation: Următoarea listare prezintă programul LUA script utilizat pentru calculul cuplului:

iaf=I*sqrt(2)

ibf=-I*sqrt(2)/2

icf=-I*sqrt(2)/2

mi_modifycircprop("Ia",1,iaf)

mi_modifycircprop("Ib",1,ibf)

mi_modifycircprop("Ic",1,icf)

mi_modifycircprop("-Ia",1,-iaf)

mi_modifycircprop("-Ib",1,-ibf)

mi_modifycircprop("-Ic",1,-icf)

mi_analyse()

mi_loadsolution()

handle=openfile("torqueload1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(1)

w=mo_blockintegral(22)

write(handle," ",w,"\n")

closefile(handle)

mo_clearblock()

mo_close()

mi_analyse()

mi_loadsolution()

handle1=openfile("curenta1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(3)

w1=mo_blockintegral(7)

write(handle1," ",w1,"\n")

closefile(handle1)

mo_clearblock()

handle2=openfile("curentb1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(4)

w2=mo_blockintegral(7)

write(handle2," ",w2,"\n")

closefile(handle2)

mo_clearblock()

handle3=openfile("curentc1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(5)

w3=mo_blockintegral(7)

write(handle3," ",w3,"\n")

closefile(handle3)

mo_clearblock()

for alfmec=1,30,1 do

alfel=p*alfmec

mi_seteditmode("group")

mi_selectgroup(1)

mi_moverotate(0,0,1,4)

mi_clearselected()

iaf=I*sqrt(2)

ibf=-I*sqrt(2)/2

icf=-I*sqrt(2)/2

mi_modifycircprop("Ia",1,iaf)

mi_modifycircprop("Ib",1,ibf)

mi_modifycircprop("Ic",1,icf)

mi_modifycircprop("-Ia",1,-iaf)

mi_modifycircprop("-Ib",1,-ibf)

mi_modifycircprop("-Ic",1,-icf)

mi_analyse()

mi_loadsolution()

handle=openfile("torqueload1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(1)

w=mo_blockintegral(22)

write(handle," ",w,"\n")

closefile(handle)

mo_clearblock()

mo_close()

mi_analyse()

mi_loadsolution()

handle1=openfile("curenta1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(3)

w1=mo_blockintegral(7)

write(handle1," ",w1,"\n")

closefile(handle1)

mo_clearblock()

handle2=openfile("curentb1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(4)

w2=mo_blockintegral(7)

write(handle2," ",w2,"\n")

closefile(handle2)

mo_clearblock()

handle3=openfile("curentc1.txt","a");

mo_seteditmode("block")

mo_groupselectblock(5)

w3=mo_blockintegral(7)

write(handle3," ",w3,"\n")

closefile(handle3)

mo_clearblock()

end

mi_seteditmode("group")

mi_selectgroup(1)

mi_clearselected()

3.5 3.5 Conclusions Concluzii

This chapter has presented the FE-analysis of the considered IPMSG case study design solution. Acest capitol a prezentat analiza cu element finit (FEM) a GSMPI considerat ca studiu de caz priving generatoarele utilizate in conversia energiei valurilor. The calculations in this section were carried on with the 2D-FEMM 4.2-program. Calculele din această secțiune au fost efectuate cu ajutorul programului 2D FEMM 4.2.

A parametric program of the prototype dimensioned in t he previous chapter was generated using LUA Script . This parametric LUA script program can easily adapted for different topologies Un program parametric a prototipului dimensionat în capitolul anterior a fost generat folosind LUA Script. Acest program script LUA parametrizat poate fi ușor adaptat pentru diverse topologii of I PMSG (for example different number of poles, number of slots, different air-gap or stator and rotor dimensions). GSMPI (de exemplu număr diferit de poli, numărul de crestături, intrefier diferit sau dimensiuni ale rotorului și statorului). Also some LUA Script programs were used to calculated the torque for zero current (cogging torque), the torque for full constant current and for d ifferent values of the current. De asemenea, unele programe LUA Script au fost utilizate pentru a calcula cuplul de la zero curent (cogging torque), cuplul de sarcină la diferite valori ale curentului.

The obtained result show the corectness of design. Rezultatul obținut arată corectitudinii design si probează fiabilitatea utilizării programelor LUA script si FEMM 4.2 in designul mașinilor electrice.

1 Capitolul 4 Bibliografie

[1] Anette Muetze, J. Vining, Ocean Wave Energy Conversion, Wisconsin-Madison, 2005

[2] Brooke, John, Wave Energy Conversion, Elsevier Ocean Engineering Book Series, Oxford, United Kingdom, 2003

[3] James Tedd, Testing, analysis and control of Wave Dragon wave energy converter, Phd. Thesis , Aalborg, 2007

[4] http://www.emec.org.uk/marine-energy/wave-devices/

[5] Ion Boldea, Electric Generators Handbook, Taylor& Francis, 2005

[6] Hans Chr. Soerensen, Rune Hansen, Low pressure turbines and control equipment for wave energy converters, EMU, 2001

[7] Anette Muetze, J. Vining, Linear gnerators fot direct-drive ocean wave energy conversion, WEMPEC, 2007

[8] H. Polinder, B. Mecrow, A. Jack, P. Dickinson, and M. Mueller, “Conventional and TFPM Linear Generators for Direct-Drive Wave Energy Conversion,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 20, no. 2, June 2005.

[9] Florence Libert, Design,optimization and comparison of permanent magnet motor for a low-speed direct-driven mixer, Stockholm, 2004

[10] Titus Slavici, Utilizarea si programarea calculatoarelor, Editura Fundației pentru Cultură si Învățământ Ioan Slavici, 2010

[11] Marius Fatu, High performance control of PM synchronous generator for wind energy conversion, Phd. Thesys, Politehnica,2008

[12] M. Jasinski, M. P. Kazmierkowski, H. C. Soerensen, Control of AC/DC/AC converter for ulti MW Wave dragon Offshore Energy conversion system, IEEE, 2007

[13] M. Jasinski, Direct Power and Torque of AC/DC/AC Converter-fed Induction motor drive, PhD thesis, Warsaw, Poland, 2005

[14] David Meeker, Finite Element Method Magnetics Users Manual, 2010

[15] http://www.lua.org/about.html

Bibliografie