Design optimization of permanent magnet synchronous generators applied to a pilot exciter

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Menezes, Gustavo Garbelini de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35611
Resumo: This dissertation presents the development of a design optimisation for permanent magnet synchronous generators applied to pilot exciters. The constant growth of worldwide electrical energy consumption has made the electrical generator market highly competitive, from small-scaled generator-diesel sets to large turbogenerators and synchronous hydro-generators. The preferred choice for power generation nowadays are wound-rotor synchronous generators, given their many advantages over permanent magnet and asynchronous generators. These machines require DC excitation to be supplied to their field winding to establish the primary magnetic field, typically regulated by an automatic voltage regulator. Among the various methods to supply power to the regulator, one of the most robust and reliable solutions is the use of a pilot exciter, which consists of a small permanent magnet synchronous generator mounted on the same shaft as the main generator. Given the additional machine required, the pilot exciter must be optimised to achieve maximum efficiency and torque density to remain a competitive solution. High efficiency ensures the delivery of the required power for the regulator with minimal energy losses, whereas increased torque density ensures maximum power output in a compact size. To accomplish this goal of a compact and efficient machine, firstly, a semi-analytical method for designing surface-mounted permanent magnet synchronous generators is developed and validated through finite element simulations. Two reluctance networks are then developed to obtain the no-load linkage flux and the armature reaction, which are essential for the design and for accurately calculating the terminal voltage. After validating their results, these magnetic circuits are integrated into the design procedure, resulting in an optimisation-oriented electromagnetic model that enables the precise and time-efficient optimisation of surface-mounted permanent magnet synchronous generators. A Pareto front is generated to evaluate the trade-off between efficiency and torque density, guiding the selection of an optimal solution that balances both objectives. Finally, the optimised permanent magnet generator is validated with finite element simulations, demonstrating the accuracy of the proposed method.
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The preferred choice for power generation nowadays are wound-rotor synchronous generators, given their many advantages over permanent magnet and asynchronous generators. These machines require DC excitation to be supplied to their field winding to establish the primary magnetic field, typically regulated by an automatic voltage regulator. Among the various methods to supply power to the regulator, one of the most robust and reliable solutions is the use of a pilot exciter, which consists of a small permanent magnet synchronous generator mounted on the same shaft as the main generator. Given the additional machine required, the pilot exciter must be optimised to achieve maximum efficiency and torque density to remain a competitive solution. High efficiency ensures the delivery of the required power for the regulator with minimal energy losses, whereas increased torque density ensures maximum power output in a compact size. To accomplish this goal of a compact and efficient machine, firstly, a semi-analytical method for designing surface-mounted permanent magnet synchronous generators is developed and validated through finite element simulations. Two reluctance networks are then developed to obtain the no-load linkage flux and the armature reaction, which are essential for the design and for accurately calculating the terminal voltage. After validating their results, these magnetic circuits are integrated into the design procedure, resulting in an optimisation-oriented electromagnetic model that enables the precise and time-efficient optimisation of surface-mounted permanent magnet synchronous generators. A Pareto front is generated to evaluate the trade-off between efficiency and torque density, guiding the selection of an optimal solution that balances both objectives. Finally, the optimised permanent magnet generator is validated with finite element simulations, demonstrating the accuracy of the proposed method.Esta dissertação apresenta o desenvolvimento do projeto ótimo de geradores síncronos de ímãs permanentes aplicados a excitatrizes auxiliares. O constante crescimento do consumo de energia elétrica em todo o mundo tornou o mercado de geradores elétricos altamente competitivo, abrangendo desde pequenos conjuntos geradores-diesel até grandes turbogeradores e hidrogeradores síncronos. Atualmente, geradores síncronos de rotor bobinado são a maioria na geração de energia, devido às suas vantagens em relação aos geradores de ímãs permanentes e assíncronos. Essas máquinas requerem que seus enrolamentos de campo sejam excitados com corrente contínua para produzir o campo magnético principal, que por sua vez é regulada por um regulador automático de tensão. Entre os vários métodos para se alimentar o regulador, uma das soluções mais robustas e confiáveis é o uso de uma excitatriz auxiliar, que consiste em um pequeno gerador síncrono de ímãs permanentes acoplado ao mesmo eixo que o gerador principal. Possuindo uma máquina adicional, essa solução requer uma excitatriz auxiliar otimizada, para alcançar elevados valores de eficiência e densidade de torque, a fim de permanecer uma solução competitiva. Alta eficiência garante a entrega da potência necessária para o regulador com perdas mínimas de energia, enquanto uma maior densidade de torque assegura a máxima produção de potência em um tamanho compacto. Para alcançar uma máquina compacta e eficiente, inicialmente, um método semi-analítico para projetar geradores síncronos de ímãs permanentes montados na superfície é desenvolvido e validado por meio de simulações de elementos finitos. Em seguida, duas redes de relutâncias são desenvolvidas para obter o fluxo principal do gerador à vazio e a reação de armadura, que são essenciais para o projeto e para o cálculo preciso da tensão terminal. Após validação com elementos finitos, esses circuitos magnéticos são integrados ao procedimento de projeto, resultando em um modelo eletromagnético orientado à otimização que permite a otimização precisa em tempo reduzido de geradores síncronos com ímãs permanentes montados na superfície do rotor. Uma fronteira de Pareto é gerada para avaliar o compromisso entre eficiência e densidade de torque, orientando a seleção de uma solução ótima que equilibre ambos os objetivos. Finalmente, o gerador síncrono de ímãs permanentes otimizado é validado com simulações de elementos finitos, demonstrando a precisão do método proposto.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Sistemas de EnergiaUTFPRBazzo, Thiago de Paula Machadohttps://orcid.org/0000-0002-4033-748Xhttp://lattes.cnpq.br/6077469077785397Carvalho, Elissa Soares dehttp://lattes.cnpq.br/9526428257596552Flores Filho, Ály Ferreirahttps://orcid.org/0000-0002-4055-3377http://lattes.cnpq.br/7052451135844502Iamamura, Bruno Akihiro Tannohttps://orcid.org/0000-0002-1956-6181http://lattes.cnpq.br/9326110132754585Ogawa, Carloshttp://lattes.cnpq.br/4918842302630114Bastos, João Pedro Assumpçãohttps://orcid.org/0000-0002-9288-133Xhttp://lattes.cnpq.br/9859703662630141Carlson, Renatohttps://orcid.org/0000-0003-4878-1742http://lattes.cnpq.br/7440114883099242Menezes, Gustavo Garbelini de2024-12-10T21:23:30Z2024-12-10T21:23:30Z2024-11-26info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfMENEZES, Gustavo Garbelini de. Design optimization of permanent magnet synchronous generators applied to a pilot exciter. 2024. Dissertação (Mestrado em Sistemas de Energia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35611enghttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2024-12-11T06:09:56Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/35611Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2024-12-11T06:09:56Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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description This dissertation presents the development of a design optimisation for permanent magnet synchronous generators applied to pilot exciters. The constant growth of worldwide electrical energy consumption has made the electrical generator market highly competitive, from small-scaled generator-diesel sets to large turbogenerators and synchronous hydro-generators. The preferred choice for power generation nowadays are wound-rotor synchronous generators, given their many advantages over permanent magnet and asynchronous generators. These machines require DC excitation to be supplied to their field winding to establish the primary magnetic field, typically regulated by an automatic voltage regulator. Among the various methods to supply power to the regulator, one of the most robust and reliable solutions is the use of a pilot exciter, which consists of a small permanent magnet synchronous generator mounted on the same shaft as the main generator. Given the additional machine required, the pilot exciter must be optimised to achieve maximum efficiency and torque density to remain a competitive solution. High efficiency ensures the delivery of the required power for the regulator with minimal energy losses, whereas increased torque density ensures maximum power output in a compact size. To accomplish this goal of a compact and efficient machine, firstly, a semi-analytical method for designing surface-mounted permanent magnet synchronous generators is developed and validated through finite element simulations. Two reluctance networks are then developed to obtain the no-load linkage flux and the armature reaction, which are essential for the design and for accurately calculating the terminal voltage. After validating their results, these magnetic circuits are integrated into the design procedure, resulting in an optimisation-oriented electromagnetic model that enables the precise and time-efficient optimisation of surface-mounted permanent magnet synchronous generators. A Pareto front is generated to evaluate the trade-off between efficiency and torque density, guiding the selection of an optimal solution that balances both objectives. Finally, the optimised permanent magnet generator is validated with finite element simulations, demonstrating the accuracy of the proposed method.
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