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Berechnung und Optimierung permanenterregter Maschinen am Beispiel von Generatoren für Windkraftanlagen

Henschel, Michael (2006)
Berechnung und Optimierung permanenterregter Maschinen am Beispiel von Generatoren für Windkraftanlagen.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung und optimalen Auslegung von permanenterregten Maschinen am Beispiel von langsam drehenden Synchrongeneratoren für direkt angetriebene Windkraftanlagen. Zur Berechnung des magnetischen Kreises wurde die Finite-Elemente-Methode herangezogen, welche es erlaubt, den Magnetkreis mit seiner exakten Geometrie und seinen nichtlinearen Materialeigenschaften nachzubilden. Die FE-Modellierung fand unter Vernachlässigung der axialen Randeffekte in 2D statt. Eine mögliche Schrägung wurde durch diskrete Schrägungssegmente und die Rotordrehung durch diskrete Rotorpositionen berücksichtigt. Der magnetische Kreis wurde statisch und transient berechnet. Die Resultate der FEM Magnetkreisberechnung wurden herangezogen, um die Wirbelstromverluste im Rotor und die Eisenverluste im Ständerblechpaket zu berechnen. Die Ergebnisse Berechnungsmodelle wurden mit Messergebnissen eines Generators validiert, der mit dem hier untersuchten Konzept vergleichbar ist. In der Regel werden für die Optimierung (hier: eines Generators) mehrere Ziele (z.B. minimales Gewicht, minimale Kosten, maximaler Wirkungsgrad etc.) angestrebt, welche sich zumeist gegenläufig verhalten. Es wurde ein mehrkriterieller Optimierungsalgorithmus implementiert, welcher die effiziente Menge der Zielfunktionen und die Pareto-Menge des Parametervektors bestimmt. Damit ist es möglich, das \emph{"`Kosten -- Nutzen"'} Verhalten dieser Ziele darzustellen und anhand dessen Entscheidungen zu treffen. Der beschriebene Optimierungsalgorithmus wurde anhand eines Anwendungsbeispiels (Optimierung eines $5,3 \megawatt$ Generator nach den Zielfunktionen minimales Gewicht der aktiven Massen, minimale Kosten und maximaler Wirkungsgrad) vorgeführt.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2006
Creators: Henschel, Michael
Type of entry: Primary publication
Title: Berechnung und Optimierung permanenterregter Maschinen am Beispiel von Generatoren für Windkraftanlagen
Language: German
Referees: Hartkopf, Prof. Dr. Thomas ; Canders, Prof. Dr. Wolf-Rüdiger
Advisors: Hartkopf, Prof. Dr. Thomas
Date: 14 June 2006
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Technische Universität
Refereed: 12 May 2006
URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7044
Abstract:

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung und optimalen Auslegung von permanenterregten Maschinen am Beispiel von langsam drehenden Synchrongeneratoren für direkt angetriebene Windkraftanlagen. Zur Berechnung des magnetischen Kreises wurde die Finite-Elemente-Methode herangezogen, welche es erlaubt, den Magnetkreis mit seiner exakten Geometrie und seinen nichtlinearen Materialeigenschaften nachzubilden. Die FE-Modellierung fand unter Vernachlässigung der axialen Randeffekte in 2D statt. Eine mögliche Schrägung wurde durch diskrete Schrägungssegmente und die Rotordrehung durch diskrete Rotorpositionen berücksichtigt. Der magnetische Kreis wurde statisch und transient berechnet. Die Resultate der FEM Magnetkreisberechnung wurden herangezogen, um die Wirbelstromverluste im Rotor und die Eisenverluste im Ständerblechpaket zu berechnen. Die Ergebnisse Berechnungsmodelle wurden mit Messergebnissen eines Generators validiert, der mit dem hier untersuchten Konzept vergleichbar ist. In der Regel werden für die Optimierung (hier: eines Generators) mehrere Ziele (z.B. minimales Gewicht, minimale Kosten, maximaler Wirkungsgrad etc.) angestrebt, welche sich zumeist gegenläufig verhalten. Es wurde ein mehrkriterieller Optimierungsalgorithmus implementiert, welcher die effiziente Menge der Zielfunktionen und die Pareto-Menge des Parametervektors bestimmt. Damit ist es möglich, das \emph{"`Kosten -- Nutzen"'} Verhalten dieser Ziele darzustellen und anhand dessen Entscheidungen zu treffen. Der beschriebene Optimierungsalgorithmus wurde anhand eines Anwendungsbeispiels (Optimierung eines $5,3 \megawatt$ Generator nach den Zielfunktionen minimales Gewicht der aktiven Massen, minimale Kosten und maximaler Wirkungsgrad) vorgeführt.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

This thesis deals with calculation and optimization of permanently excited machines, in specific of directly driven synchronous generators. The magnetic circuit is calculated with the finite-element-method, which allows modelling of exact geometry and nonlinear material characteristics. The FE modelling took place in 2D and neglected axial edge effects. A possible skewing was modelled with discrete skew segments and the rotor rotation was modelled with discrete rotor positions. The magnetic circuit was calculated for static and transient behaviour. The results of the FEM calculation were used to determine eddy current losses in the rotor and iron losses in the stator lamination. The obtained results were validated with measurements of a generator, which is comparable to the here investigated generator concept. Usually, optimization (here: of a generator) takes place for multiple optimization goals (or objectives, e.g. minimal weight, minimal cost, maximal efficiency), which mostly contradict themselves. A multicriterial optimization algorithm was implemented, which determines the efficient set of the objective vector or the Pareto set of the parameter vector. A visualization of these sets allows to manifest and judge trade-offs among the objectives. The described optimization algorithm was demonstrated on an example of use (optimization of a $5,3 \megawatt$ generator) with the objectives minimal weight of active mass, minimal cost and maximal efficiency.

English
Uncontrolled Keywords: effiziente Menge, nichtdominierte Menge
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
efficient set, nondominated setEnglish
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 26 Aug 2018 21:25
PPN:
Referees: Hartkopf, Prof. Dr. Thomas ; Canders, Prof. Dr. Wolf-Rüdiger
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 May 2006
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
efficient set, nondominated setEnglish
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