Тепловой расчет новой конструкции синхронного генератора с поперечным потоком
Ключевые слова:
поперечный поток, постоянные магниты, синхронный генератор, топология, конвективная теплоотдача, критерии подобия, 3D-моделирование
Аннотация
Основной областью применения электрических машин с поперечным потоком является низкоскоростной электропривод, в частности ветровые турбины и силовые установки транспортных средств. Конструкция электрических машин с поперечным потоком за счет возможности реализовать более высокие плотности вращающего момента рассматривается в качестве перспективной для децентрализованной ветроэнергетики. В статье приведена расчетная оценка теплового состояния синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и с поперечным магнитным потоком патентно-защищенной конструкции с двойным статором, расположенным с одной стороны ротора, мощностью 5 кВт. Значения коэффициентов теплоотдачи корпуса уточнены по произведению критериев Грасгофа и Прандтля как для однофазного модуля, так и для трехфазной машины. Расчет среднего превышения температуры поверхностей охлаждения, обмотки статора и диска ротора выполнен с помощью зависимости между критериями подобия. Созданы полные трехмерные модели однофазного модуля и трехфазного генератора с поперечным магнитным потоком. Трехмерное моделирование подтвердило правильность оценки теплового состояния новой конструкции, полученной с помощью зависимости между критериями подобия.
Литература
1. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Исследование параметров синхронного ветрогенератора с поперечным потоком для арктического региона. – Электричество, 2024, № 3, с. 59–67.
2. Ballestín-Bernad V., Artal-Sevil J.S., Domínguez-Navarro J.A. A Review of Transverse Flux Machines Topologies and Design. – Energies, 2021, vol. 14, DOI: 10.3390/en14217173.
3. Boomiraja B., Kanagaraj R. Torque Density Improvement in Transverse Flux Machine using Disc Rotor. – IEEE International WIT Conference on Electrical and Computer Science, 2019, pp. 22–27, DOI: 10.1109/WITCONECE48374.2019.9092919.
4. Bang D. et al. Design of a Lightweight Transverse Flux Permanent Magnet Machine for Direct-drive Wind Turbines. – Industry Applications Society Annual Meeting, 2008, DOI:10.1109/08IAS.2008.71.
5. Husain T., Hasan I., Sozer Y. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/TIA.2018.2814979.
6. Пат. RU2818077C1. Электрическая машина с поперечным потоком / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, А.В. Иванова, 2024.
7. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. М.: Высшая школа, 1989, 239 с.
8. Yu B. et al. Thermal Analysis of a Novel Cylindrical Transverse-Flux Permanent-Magnet Linear Machine. – Energies, 2015, vol. 8, pp. 7874–7896, DOI: 10.3390/en8087874.
9. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
10. Bianchi N. Electrical Machine Analysis Using Finite Elements. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005, 304 p.
11. Marignetti F., Delli Colli V. Thermal Analysis of an Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous Machine. – IEEE Trans. on Magnetics, 2009, 45(7), pp. 2970–2975, DOI: 10.1109/TMAG.2009.2016415.
12. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Трехмерное моделирование теплового поля быстроходного турбогенератора. – Электротехника, 2013, № 9, с. 487–491.
13. Вэйли Л. и др. Исследование различных конструкций медного экрана в торцевой зоне мощного турбогенератора на основе трехмерного моделирования. – Электричество, 2015, № 6, с. 39–46.
14. Hosseini S., Moghani J.S., Jensen B.B. Accurate Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Generator Using 3D Finite Element Analysis. – Advances in Electrical and Computer Engineering, 2011, 11(3), DOI: 10.4316/AECE.2011.03019.
15. Hasan I. et al. Mechanical and Thermal Performance of Transverse Flux Machines. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2017, pp. 1205–1211, DOI: 10.1109/ECCE.2017.8095926
---
Работа выполнена в рамках Госзадания ИХС РАН (регистрационный номер темы 1023032900322-9-1.4.3).
#
1. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 3, pp. 59–67.
2. Ballestín-Bernad V., Artal-Sevil J.S., Domínguez-Navarro J.A. A Review of Transverse Flux Machines Topologies and Design. – Energies, 2021, vol. 14, DOI: 10.3390/en14217173.
3. Boomiraja B., Kanagaraj R. Torque Density Improvement in Transverse Flux Machine using Disc Rotor. – IEEE International WIT Conference on Electrical and Computer Science, 2019, pp. 22–27, DOI: 10.1109/WITCONECE48374.2019.9092919.
4. Bang D. et al. Design of a Lightweight Transverse Flux Permanent Magnet Machine for Direct-drive Wind Turbines. – Industry Applications Society Annual Meeting, 2008, DOI:10.1109/08IAS.2008.71.
5. Husain T., Hasan I., Sozer Y. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/TIA.2018.2814979.
6. Pаt. RU2818077C1. Elektricheskaya mashina s poperechnym potokom (Transverse Flux Electrical Machine) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, A.V. Ivanova, 2024.
7. Sipaylov G.A., Sannikov D.I., Zhadan V.А. Teplovye, gidrav-licheskie i aerodinamicheskie raschety v elektricheskih mashinah (Thermal, Hydraulic and Aerodynamic Calculations in Electric Machines). M.: Vysshaya shkola, 1989, 239 p.
8. Yu B. et al. Thermal Analysis of a Novel Cylindrical Transverse-Flux Permanent-Magnet Linear Machine. – Energies, 2015, vol. 8, pp. 7874–7896, DOI: 10.3390/en8087874.
9. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
10. Bianchi N. Electrical Machine Analysis Using Finite Elements. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005, 304 p.
11. Marignetti F., Delli Colli V. Thermal Analysis of an Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous Machine. – IEEE Trans. on Magnetics, 2009, 45(7), pp. 2970–2975, DOI: 10.1109/TMAG.2009.2016415.
12. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Elecrical Engineering), 2013, No. 9, pp. 487–491.
13. Veyli L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2015, No. 6, pp. 39–46.
14. Hosseini S., Moghani J.S., Jensen B.B. Accurate Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Generator Using 3D Finite Element Analysis. – Advances in Electrical and Computer Engineering, 2011, 11(3), DOI: 10.4316/AECE.2011.03019.
15. Hasan I. et al. Mechanical and Thermal Performance of Transverse Flux Machines. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2017, pp. 1205–1211, DOI: 10.1109/ECCE.2017.8095926
---
The work was carried out within the framework of the State Assignment of the ISC RAS (topic registration number 1023032900322-9-1.4.3)
2. Ballestín-Bernad V., Artal-Sevil J.S., Domínguez-Navarro J.A. A Review of Transverse Flux Machines Topologies and Design. – Energies, 2021, vol. 14, DOI: 10.3390/en14217173.
3. Boomiraja B., Kanagaraj R. Torque Density Improvement in Transverse Flux Machine using Disc Rotor. – IEEE International WIT Conference on Electrical and Computer Science, 2019, pp. 22–27, DOI: 10.1109/WITCONECE48374.2019.9092919.
4. Bang D. et al. Design of a Lightweight Transverse Flux Permanent Magnet Machine for Direct-drive Wind Turbines. – Industry Applications Society Annual Meeting, 2008, DOI:10.1109/08IAS.2008.71.
5. Husain T., Hasan I., Sozer Y. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/TIA.2018.2814979.
6. Пат. RU2818077C1. Электрическая машина с поперечным потоком / В.Н. Антипов, А.Д. Грозов, А.В. Иванова, 2024.
7. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. М.: Высшая школа, 1989, 239 с.
8. Yu B. et al. Thermal Analysis of a Novel Cylindrical Transverse-Flux Permanent-Magnet Linear Machine. – Energies, 2015, vol. 8, pp. 7874–7896, DOI: 10.3390/en8087874.
9. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
10. Bianchi N. Electrical Machine Analysis Using Finite Elements. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005, 304 p.
11. Marignetti F., Delli Colli V. Thermal Analysis of an Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous Machine. – IEEE Trans. on Magnetics, 2009, 45(7), pp. 2970–2975, DOI: 10.1109/TMAG.2009.2016415.
12. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Трехмерное моделирование теплового поля быстроходного турбогенератора. – Электротехника, 2013, № 9, с. 487–491.
13. Вэйли Л. и др. Исследование различных конструкций медного экрана в торцевой зоне мощного турбогенератора на основе трехмерного моделирования. – Электричество, 2015, № 6, с. 39–46.
14. Hosseini S., Moghani J.S., Jensen B.B. Accurate Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Generator Using 3D Finite Element Analysis. – Advances in Electrical and Computer Engineering, 2011, 11(3), DOI: 10.4316/AECE.2011.03019.
15. Hasan I. et al. Mechanical and Thermal Performance of Transverse Flux Machines. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2017, pp. 1205–1211, DOI: 10.1109/ECCE.2017.8095926
---
Работа выполнена в рамках Госзадания ИХС РАН (регистрационный номер темы 1023032900322-9-1.4.3).
#
1. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 3, pp. 59–67.
2. Ballestín-Bernad V., Artal-Sevil J.S., Domínguez-Navarro J.A. A Review of Transverse Flux Machines Topologies and Design. – Energies, 2021, vol. 14, DOI: 10.3390/en14217173.
3. Boomiraja B., Kanagaraj R. Torque Density Improvement in Transverse Flux Machine using Disc Rotor. – IEEE International WIT Conference on Electrical and Computer Science, 2019, pp. 22–27, DOI: 10.1109/WITCONECE48374.2019.9092919.
4. Bang D. et al. Design of a Lightweight Transverse Flux Permanent Magnet Machine for Direct-drive Wind Turbines. – Industry Applications Society Annual Meeting, 2008, DOI:10.1109/08IAS.2008.71.
5. Husain T., Hasan I., Sozer Y. Design Considerations of a Transverse Flux Machine for Direct-Drive Wind Turbine Applications. – IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(4), pp. 3604–3615, DOI: 10.1109/TIA.2018.2814979.
6. Pаt. RU2818077C1. Elektricheskaya mashina s poperechnym potokom (Transverse Flux Electrical Machine) / V.N. Antipov, A.D. Grozov, A.V. Ivanova, 2024.
7. Sipaylov G.A., Sannikov D.I., Zhadan V.А. Teplovye, gidrav-licheskie i aerodinamicheskie raschety v elektricheskih mashinah (Thermal, Hydraulic and Aerodynamic Calculations in Electric Machines). M.: Vysshaya shkola, 1989, 239 p.
8. Yu B. et al. Thermal Analysis of a Novel Cylindrical Transverse-Flux Permanent-Magnet Linear Machine. – Energies, 2015, vol. 8, pp. 7874–7896, DOI: 10.3390/en8087874.
9. QuickField 5.8. Finite Element Analysis System. User's Guide. Swedenborg: Tera Analysis Ltd., 2011, 257 p.
10. Bianchi N. Electrical Machine Analysis Using Finite Elements. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005, 304 p.
11. Marignetti F., Delli Colli V. Thermal Analysis of an Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous Machine. – IEEE Trans. on Magnetics, 2009, 45(7), pp. 2970–2975, DOI: 10.1109/TMAG.2009.2016415.
12. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Elecrical Engineering), 2013, No. 9, pp. 487–491.
13. Veyli L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2015, No. 6, pp. 39–46.
14. Hosseini S., Moghani J.S., Jensen B.B. Accurate Modeling of a Transverse Flux Permanent Magnet Generator Using 3D Finite Element Analysis. – Advances in Electrical and Computer Engineering, 2011, 11(3), DOI: 10.4316/AECE.2011.03019.
15. Hasan I. et al. Mechanical and Thermal Performance of Transverse Flux Machines. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2017, pp. 1205–1211, DOI: 10.1109/ECCE.2017.8095926
---
The work was carried out within the framework of the State Assignment of the ISC RAS (topic registration number 1023032900322-9-1.4.3)
