Multi Polar Direct Drive Permanent Magnet Synchronous Machines for Renewable Energy

This doctoral study mainly considers the Wind Energy resource and focuses on the electromagnetic aspects of generators for direct drive solutions in this field. Despite the strong employing by many constructor of geared technology in Wind Turbines Generators, a transmission/gear box reduces both, eciency and reliability: the losses due to the transmission potentially compromise the sustainability of the electromechanical system. A better solution is the multipolar low speed direct drive train. Permanent magnet machines offer compactness and the absence of brushes with respect to traditional machines. Material in the armature can be saved using fractional slot windings. This type of machine exhibits many advantages such as short end windings, high slot fill factor, high efficiency and power density together with electrical redundancy, which allows the modularization of the active part and fault-tolerance capabilities. However, space harmonics of the magneto-motive force (MMF) in fractional slot windings lead to considerable rotor losses. The computation of these losses according to standard procedures (e.g. Steinmetz equation or models for massive body within homogeneous field) is not satisfactory. The MMF harmonics move asynchronously with respect to the rotor, inducing currents in any conductive rotor parts, e.g. the metallic iron yoke which supports the magnetic poles and the rare earth permanent magnets (PMs), acting on their working temperature which is strictly related to the performance of PMs. The reduction of the residual ux density causes a decrease both in the back electromotive force (EMF) and in the electromagnetic torque. The reduction of the magnetic eld increases the risk of an irreversible demagnetization of the PMs. The MMF space harmonic amplitude and frequency depend on the particular combination of number of slots and poles. The amount of such losses increases dramatically with the size of the machine becoming a crucial aspect in the design of a large diameter (v 2 - 3m) multipolar direct drive generators with PMs. A proper selection of the winding of the machine,fixing the number of slot and poles represents an improvement in the sustainability of the electromechanical conversion process: losses are limited and a higher eciency is achieved. If efficiency is better even less active material is wasted. This part of the doctoral study has been accomplished at the Electric Drives Laboratory at the Department of Industrial Engineering of the University of Padova during a partnership with Leitwind A.G.(in Sterzing, Italy), which operates in the Wind Energy Market. The aim is to design a large diameter generator (v 4m), which will be employed in the prototype of a 3 MW wind turbine. The will of Leitwind to implement a method to predict rotor losses in large machines with permanent magnet and fractional slot windings is the key basic point to be solved. The existing LW15C generator for LTW77 (1.5 MW rated power) wind turbine is analyzed by means of analytical relations and finite elements: it represents the starting point of this study. A method to calculate rotor losses due to the high harmonic contents of the fractional slot winding is applied. Such estimated losses are then compared with the results of experimental test benches with "full-scale" prototypes. The same study is then repeated on SFA motor (500 kW rated), employed in ropeways transport in Leitner A.G. plants. Both Leitner and Leitwind belong to the Leitner Technologies Group. Test bench results are finally compared with the values from the analysis. Starting from both the experience on LW15C generator and SFA motor the design of LW30A prototype generator for Leitwind 3MW wind turbine is chosen. Dierent topologies of PM machines with fractional slot winding are then investigated and compared with the switching ux configuration (SFPM), both with rare earths and ferrite PMs. The possibility to integrate a huge magnet quantity in the armature of the SFPM machine and the ux concentration principle can lead to a cost eective solution which must be carefully evaluated without considering the performance of the machine only. The structure of the rotor is robust and simple, like in classical reluctance machines. The robustness against PMs demagnetization is a crucial point to investigate. To extend the scenario of renewable energy, the wave energy resource is brie y overviewed and some topologies for linear direct drive generator in this field are investigated. In order to increase the thrust density the possibility of employing a double-sided structure is analyzed. The employing of ferrite PMs is also considered: despite their low energy with respect to rare earth magnets they have a lower impact on environment and human health. The extraction process of ferrite is similar to the iron one, while rare earths must be separated from radio elements. Main contributions of the thesis To the knowledge of the author, the contributions of this thesis for the upcoming researchers in electrical machines for renewable energy eld are: • The application of straight lined model and of the current sheet method to calculate rotor losses in large direct drive permanent magnet machines. The results of the test bench activity on real machines are then described and compared with the prediction. • Selection of number of slots and poles for fractional winding direct drive large generators. • Comparison of the switching ux machine with other well known machine topologies, including demagnetization behavior and ferrite PMs, more sustainable than rare earth ones. • Investigation on dierent linear modules topologies for wave energy, including double side switching ux topology. Outline of the thesis Chapter 1 provides an overview on renewable energy conversion field and presents the company Leitwind A.G. Chapter 2 describes the analysis and modeling of the LW15C generator for 1.5 MW wind turbine. Then a similar study has been performed for the SFA motor for ropeways applications. Both analytical and finite elements model have been developed/implemented and are compared to the results of experimental test bench activities. The same models are applied to the analysis of the new LW30A generator. Chapter 3 faces the topic of rotor losses in order to model them with the straight lined model and the current sheet method. The rotor losses computation is considered and described. Predicted values are compared with the test bench ones. Chapter 4 establishes a scaling law for rotor losses in fractional slot PM machines. Chapter 5 provides the selection of the number of slots and poles to design the new LW30A generator for 3.0 MW wind turbine. The validity of the Index of Rotor Losses obtained from the straight lined model is investigated and applied. Chapter 6 describes the comparison of fractional winding machine with a small switching ux permanent magnet machine, both with rare earth and ferrite PMs. The demagnetization behavior of the different machine topologies is analyzed. Chapter 7 considers linear drives for Wave energy conversion with different topologies, including the double side switching flux machine

Questo lavoro di dottorato considera principalmente la Risorsa Eolica e si focalizza sulle caratteristiche elettromagnetiche dei generatori a presa diretta per questa applicazione. Malgrado molti Costruttori di turbine eoliche usino congurazioni comprendenti il moltiplicatore di giri, la presenza di quest'organo di trasmissione causa una perdita di ecienza del sistema elettromeccanico che va a comprometterne la sostenibilità. Una soluzione multipolare a bassa velocita di rotazione e presa diretta tra generatore e pale della turbina e quindi adottata. Si sceglie l'utilizzo del magnete permanente grazie alla sua compattezza e all'assenza di spazzole in paragone alle soluzioni di macchina sincrona tradizionale. L'avvolgimento frazionario e adottato per risparmiare materiale nell'avvolgimento di armatura della macchina. Questo tipo di congurazione presenta evidenti vantaggi come la lunghezza ridotta delle testate, il buon fattore di riempimento delle cave, elevati rendimento e fattore di potenza. Essa si presta inoltre a soluzioni circuitalmente ridondanti che consentono una struttura modulare della parte attiva, con la capacita di tollerare i guasti. D'altro canto, le armoniche spaziali della forza magneto motrice (MMF) dovuta all'avvolgimento frazionario causano perdite nel rotore di entita notevole. I metodi tradizionali di calcolo delle perdite (formula di Steinmetz o modelli di corpi solidi in campo magnetico uniforme) non forniscono risultati soddisfacenti per queste perdite. La forza magneto motrice risulta non sincrona con il rotore della macchina, con conseguente indursi di correnti parassite in ogni parte conduttrice del rotore, come nel giogo metallico che sorregge i poli magnetici e nei magneti stessi (terre rare). Le perdite nei magneti ne causano il riscaldamento, con conseguente calo delle prestazioni della macchina. La riduzione del campo dei magneti dovuta all'aumento di temperatura aumenta il rischio di smagnetizzazione irreversibile. L'ampiezza delle armoniche spaziali di forza magneto motrice e la loro frequenza vista dal rotore dipendono dalla particolare combinazione cave{poli dell'avvolgimento scelto. L'entita di queste perdite cresce notevolmente con l'aumentare delle dimensioni della macchina, divenendo un aspetto cruciale nella progettazione di macchine multipolari a presa diretta di grande diametro (. 2m) con magnete permanente. Una scelta adeguata del rapporto cave{poli dell'avvolgimento, signica un notevole miglioramento della sostenibilita del processo di conversione elettromeccanica: le perdite vengono ridotte e il rendimento migliora. Se il rendimento migliora, signica che meno materiale e stato sprecato. Questa parte del lavoro di tesi si e svolta presso il Laboratorio di Azionamenti Elettrici nel Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universita di Padova nell'ambito di un contratto di ricerca voluto da Leitwind SpA (VIpiteno, Italia). Leitwind e un costruttore di turbine eoliche. Lo scopo e progettare un generatore di grande diametro (v 4m) per il prototipo di turbina eolica da 3 MW. Compresa l'importanza del fenomeno delle perdite rotoriche, la volonta di Leitwind e svilupparne calcolo per scegliere l'avvolgimento della nuova macchina. Il generatore Leitwind esitente, denominato LW15C, per la turbina LTW77 (potenza nominale 1.5 MW) e analizzato sia con modelli analitici che con gli elementi niti. Questo generatore e la base di partenza di questo studio. Viene applicato un metodo per il calcolo delle perdite rotoriche indotte dall'elevato contenuto armonico dell'avvolgimento frazionario. Le perdite cos ottenute sono confrontate con i risultati dell'attivita del banco prova su macchine reali. Con lo stesso approccio si studia e si modella il motore diretto per trazione funiviaria SFA (500 kW di potenza nominale) negli impianti Leitner. Leitner e Leitwind appartengono al Gruppo Leitner Technologies. I risultati del banco prova sono confrontati con i valori calcolati. La progettazione del nuovo generatore LW30A e sviluppata a partire dai modelli creati per il generatore LW15C e il motore diretto SFA. Vengono poi studiate dierenti topologie di macchina a magnete permanente con avvolgimento frazionario per confrontarle con la congurazione switching ux (SFPM). Lo studio prende in considerazione sia magneti di terre rare, che di ferrite. La possibilità di integrare una notevole quantita di magnete nella parte di armatura della macchina SFPM e il principio di concentrazione di usso portano ad una soluzione con un buon rapporto costi prestazioni, che pero deve essere valutata non solo da un punto di vista di prestazioni. La struttura del rotore di questa macchina e semplice e robusta, come per le macchine a riluttanza. Il comportamento della topologia SFPM a smagnetizzazione dei magneti permanenti risulta un punto cruciale da indagare. Per allargare lo studio ad un'altra Fonte Rinnovabile, l'energia da moto ondoso e brevemente descritta e vengono confrontate alcune topologie di generatori lineari per questa applicazione. Uno struttura a doppio statore viene studiata con l'intento di massimizzare la spinta sulla parte mobile. Si considera inoltre l'utilizzo dei magneti in ferrite: malgrado il loro basso prodotto di energia rispetto ai magneti in terre rare, essi risultano meni nocivi per l'ambiente e la salute dell'uomo: il processo di estrazione delle terre rare coinvolge infatti elementi radioattivi, mentre l'estrazione della ferrite e in tutto simile a quella del ferro. Contributi principali della tesi I principali contributi di questo lavoro di tesi alla ricerca futura nell'ambito delle energie rinnovabili si possono cos sintetizzare: • L'applicazione del modello a strati e del metodo dei punti corrente nel calcolo delle perdite rotoriche di macchine elettriche a presa diretta di grande diametro, con magneti permanenti. I risultati dell'attivita sperimentale su banco prova di grosse macchine reali sono confrontati con i valori calcolati. • La scelta del numero di poli e di cave nella progettazione di macchine a presa diretta di grande diametro, con avvolgimento frazionario. • Confronto della macchina switching ux con topologie di macchina note, comprendendo la smagnetizzazione del magnete e l'utilizzo della ferrite, materiale più sostenibile delle terre rare. • Studio di diverse topologie di generatore lineare per generazione da moto ondoso, includendo la topologia switching ux a doppio statore. Struttura della tesi Capitolo 1 : presenta una breve panoramica sull'energia rinnovabile eolica e da moto ondoso e descrive l'azienda Leitwind SpA. Capitolo 2 : descrive la modellazione e l'analisi delle macchine studiate, sia con metodi analitici che con gli elementi niti: sono inclusi i risultati dell'attivita sul banco prova. I modelli, sviluppati sul generatore LW15 e sul motore SFA sono poi applicati al nuovo generatore LW30A. Capitolo 3 : aronta la tematica del calcolo delle perdite rotoriche, sviluppando il modello a strati e il metodo dei punti corrente. Viene descritto il calcolo delle perdite rotoriche. Si aronta la validazione dei metodi di calcolo al banco prova. Capitolo 4 : ricava una legge di scala per le perdite rotoriche per macchine a magnete permanente ad avvolgimento frazionario. Capitolo 5 : presenta la scelta del rapporto cave{poli nel progetto del nuovo generatore LW30A per la turbina da 3.0 MW LTW 101. Viene investigata la possibilità di applicare l'Indice delle Perdite Rotoriche, ricavato dal modello a strati. Capitolo 6 : confronta diverse topologie di macchine ad avvolgimento frazionario con la congurazione switching ux, sia con terre rare che con ferrite. Si aronta il fenomeno della smagnetizzazione sulle diverse topologie di macchina. Capitolo 7 : prende in considerazione topologie di macchina lineare per conversione da moto ondoso. Include la congurazione switchng ux a doppio statore