Permanentmagnetiserade generatorer för vindkraftverk

Transkript

1 Permanentmagnetiserade generatorer för vindkraftverk Sandra Eriksson Docent, Universitetslektor Avdelningen för Elektricitetslära Institutionen för Teknikvetenskaper Uppsala Universitet

2 Projektering & Etablering Konstruktion & Produktion Drift & Underhåll Nätintegration

3 Vindgruppen vid Elektricitetslära Projektledare: Seniora forskare: Doktorander: Professor Hans Bernhoff Marcus Berg, Mikael Bergkvist, Sandra Eriksson, Anders Goude, Bahri Uzunoglu, Mats Leijon Senad Apelfröjd, Eduard Dyachuk, Petter Eklund, Jon Olauson, Per Ribbing, Morgan Rossander, Stefan Sjökvist Halmstadsgruppen: Jonny Hylander, Erik Möllerström, Fredric Ottermo, Göran Sidén

4 Forskning inom permanentmagnetiserade generatorer (PMSG) för vindkraft Presentation av resultat från tre forskningsprojekt Design av olika typer av permanentmagnetiserade (PM) generatorer Simuleringar och experiment Koppling till elsystem och till turbin (rotordynamik)

5 Permanentmagneter utan sällsynta jordartsmetaller Varför vill vi ha PMs utan sällsynta jordartsmetaller? Prisutvecklingen för Neodym Miljöaspekter Tillgång på resursen 95% av gruvdriften f.n. i Kina Liknande scenario för Neodym, Praseodym, Dysprosium etc.

6 Magnetiska material Gutfleisch, O., Willard, M. A., Brück, E., Chen, C. H., Sankar, S. G. and Liu, J. P. (2011), Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger, Lighter, and More Energy Efficient. Adv. Mater., 23:

7 Jämförelse av NdFeB och ferritmagneter Egenskap NdFeB Ferrit Typ N40H Y40 Remanens, Br (T) Koercivitet, Hcn (ka/m) Intr. Koerc., Hci (ka/m) En. prod. (kj/m 3 ) En. Dens. (J/kg) Rel. massa/energienhet 1 5.2

8 Elektromagnetisk och mekanisk design av en vindkraftsgenerator med ferritmagneter för vindkraft P. Eklund, S. Sjökvist, S. Eriksson, M. Leijon, "A Complete Design of a Rare Earth Metal- Free Permanent Magnet Generator", Machines 2014, 2(2),

9 Experimentprototyp med ferritmagneter 12 kw, 253 V, 127 rpm Ferritrotor (vänster) och NdFeB-rotor (höger) utan magneter monterade, designade för samma stator.

10 Jämförelse av NdFeB- och ferritgenerator Elektromagnetiska egenskaper Väldigt lika Överlastkapacitet Fe lägre maxq Fe större spänningsfall Mekanisk design Låg avmagnetiseringsrisk för båda Rotorvikt 3.7 ggr större för Ferrit Y40 än för NdFeB N40 (12 kw prototyp) Överlastkapacitet för resistiv last. Solid - NdFeB Streckad - Ferrit

11 Rotordesign för olika PM-material: Alternativa material för PM generatorer Hur designar man en maskin med ett PM-material med magnetiska egenskaper någonstans mellan ferrit och NdFeB? Fältförstärkning (låg remanens) Skydd mot motriktade fält (låg koercivitet)

12 Rotordesign för olika PM-material: Alternativa material för PM generatorer Hur designar man en maskin med ett PM-material med magnetiska egenskaper någonstans mellan ferrit och NdFeB?

13 Studier av avmagnetisering av permanentmagneter i generatorer S. Sjökvist, S. Eriksson, "Study of Demagnetization Risk for a 12kW Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generator for Wind Power", Energy Science and Engineering, 7 pages, S. Sjökvist, S. Eriksson, Experimental Verification of a Simulation Model for Partial Demagnetization of Permanent Magnets, Magnetics, IEEE Transactions on, vol.50, no.12, pp.1,5, Dec

14 Studier av avmagnetisering av permanentmagneter i generatorer Avmagnetisering vid strömpuls (t.ex. kortslutning). Simuleringar verifierade med experiment S. Sjökvist, S. Eriksson, Experimental Verification of a Simulation Model for Partial Demagnetization of Permanent Magnets, Magnetics, IEEE Transactions on, vol.50, no.12, pp.1,5, Dec

15 Val av PM material för vindkraft Volym Vikt Generatorer med växellåda: Begränsad plats. Direktdrivna generatorer: Volym ofta inget problem då diametern är stor Traditionell vindkraft: Nacellevikt bör vara låg. Vertikalaxlade vindkraftverk med generator på marknivå: Vikten mindre problem. Ferriter intressant alternativ. Avmagnetisering Oftast liten risk (både NdFeB och ferriter)

16 Generatoreffektivitet vid dellast PM generator: Mycket lite rotorförluster! Variabelt varvtal och variabel effekt: Önskar hög effektivitet både vid dellast och fullast.

17 Designoptimering med fokus på dellasteffektivitet Effektivitet för sex olika generatorer designade med olika märkspänning. Den streckade linjen visar effektivitet vid märkeffekt. De heldragna linjerna visar medeleffektiviteten vid olika medelvindhastighet. S. Eriksson, H. Bernhoff. Loss Evaluation and Design Optimisation for Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generators for Wind Power, Applied Energy 88 (2011), pp

18 Slutsatser Det perfekta PM materialet (billigt och miljövänligt med hög energiprodukt) för PMs för vindkraft saknas idag. En direktdriven PMSG kan normalt designas utan risk för avmagnetisering för NdFeB, ferriter samt material med liknande egenskaper. Direktdrivna generatorer bör designas med hänsyn till effektivitet vid dellast.