ITMI20081416A1

ITMI20081416A1 - PERMANENT MAGNET ELECTRIC GENERATOR FOR WIND TURBINES

Info

Publication number: ITMI20081416A1
Application number: IT001416A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Berghi; Gianni Regazzi
Original assignee: Ducati Energia Spa
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-01-31
Also published as: IT1397343B1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

â€œGENERATORE ELETTRICO A MAGNETI PERMANENTI PER TURBINE EOLICHEâ€ â € œ PERMANENT MAGNET ELECTRIC GENERATOR FOR WIND TURBINESâ €

SFONDO DELL'INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION

La presente invenzione si riferisce ai generatori elettrici a magneti permanenti, ed in particolare riguarda un generatore a magnetici permanenti utilizzato in turbine eoliche per la produzione di energia elettrica sfruttando la forza del vento. The present invention relates to permanent magnet electric generators, and in particular it relates to a permanent magnetic generator used in wind turbines for the production of electrical energy by exploiting the force of the wind.

STATO DELL'ARTE STATE OF THE ART

Come noto, i generatori elettrici a magneti permanenti, trovano una particolare applicazione nel settore delle turbine eoliche, dato l'elevato rendimento energetico e la quasi totale assenza di manutenzione; ciÃ² Ã ̈ molto importante in quanto normalmente questi generatori sono posti a notevole altezza dal suolo o in luoghi difficilmente accessibili. As known, permanent magnet electric generators find a particular application in the wind turbine sector, given the high energy efficiency and the almost total absence of maintenance; this is very important as these generators are normally placed at a considerable height from the ground or in places that are difficult to access.

I generatori a magneti permanenti destinati a queste applicazioni sono caratterizzati dal fatto di dover sviluppare una elevata potenza ad una bassa velocitÃ di rotazione e di mantenere dimensioni di ingombro estremamente ridotte. The permanent magnet generators intended for these applications are characterized by the fact that they have to develop a high power at a low rotation speed and maintain extremely small overall dimensions.

Ãˆ altresÃ¬ noto che i generatori elettrici a magneti permanenti, per turbine eoliche, presentano normalmente una configurazione trifase, nonchÃ© un numero di poli magnetici del rotore inferiore al numero di cave dello statore; pertanto le superfici frontali delle scarpe polari dello statore, si estendono circonferenzialmente per un angolo o arco superiore a quello delle superfici frontali contrapposte dei poli magnetici del rotore; inoltre il rapporto tra poli magnetici di rotore e cave di statore, tipicamente, risulta essere pari a 2/3, prevedendo quindi la presenza di due poli magnetici ogni tre cave di statore. It is also known that electric generators with permanent magnets, for wind turbines, normally have a three-phase configuration, as well as a number of magnetic poles of the rotor lower than the number of slots of the stator; therefore the front surfaces of the polar shoes of the stator extend circumferentially for an angle or arc greater than that of the opposite front surfaces of the magnetic poles of the rotor; moreover, the ratio between the magnetic poles of the rotor and the stator slots is typically equal to 2/3, thus providing for the presence of two magnetic poles every three stator slots.

Nella progettazione di generatori a magneti permanenti di questo tipo, si tende a privilegiare l'uso di un alto numero di poli magnetici e di cave di statore, utilizzando magneti permanenti in terre rare, ad esempio di tipo NdFeB, caratterizzati da una elevata energia specifica. In the design of permanent magnet generators of this type, there is a tendency to favor the use of a high number of magnetic poles and stator slots, using rare earth permanent magnets, for example of the NdFeB type, characterized by a high specific energy .

L'uso di un elevato numero di poli magnetici tende ad aumentare la frequenza elettrica, al fine di ottenere un'elevata potenza alle basse velocitÃ di rotazione, che nel caso di generatori eolici sono in un intervallo compreso tra 50 e 500 rotazioni al minuto (rpm), a seconda della potenza del generatore e del tipo di pale usate. The use of a high number of magnetic poles tends to increase the electrical frequency, in order to obtain high power at low rotation speeds, which in the case of wind generators are in a range between 50 and 500 rotations per minute ( rpm), depending on the power of the generator and the type of blades used.

Tenuto conto che generatori a magneti di questo tipo devono presentare dimensioni di ingombro notevolmente ridotte, aumentare eccessivamente il numero dei poli e delle cave, mantenendo inalterate le dimensioni del generatore, comporterebbe una eccessiva riduzione delle dimensioni delle cave e delle scarpe polari, con conseguenti difficoltÃ di lavorazioni meccaniche, indebolimento strutturale e difficoltÃ di esecuzione dell'avvolgimento elettrico. Taking into account that magnet generators of this type must have considerably reduced overall dimensions, excessively increasing the number of poles and slots, while maintaining the size of the generator, would lead to an excessive reduction in the size of the slots and polar shoes, with consequent difficulties of mechanical processing, structural weakening and difficulty in carrying out the electrical winding.

Inoltre, tutto ciÃ² porta ad accentuare una caratteristica negativa di questi generatori, costituita dalla coppia di impuntamento che impedisce alla turbina eolica di ruotare se la velocitÃ del vento Ã ̈ inferiore ad un certo valore; pertanto risulta a volte problematico generare energia elettrica in presenza di piccole brezze, che in molte localitÃ sono i tipi di vento piÃ¹ frequenti. Moreover, all this leads to accentuate a negative characteristic of these generators, constituted by the jamming torque which prevents the wind turbine from rotating if the wind speed is lower than a certain value; therefore it is sometimes problematic to generate electricity in the presence of small breezes, which in many places are the most frequent types of wind.

Per ovviare in parte a questo inconveniente, attualmente si tende a modificare l'inclinazione delle pale per sopperire alle basse velocitÃ del vento; tuttavia ciÃ² non consente di ottenere una buona resa del generatore elettrico quando il vento tende a raggiungere velocitÃ elevate. To partially obviate this drawback, currently there is a tendency to modify the inclination of the blades to compensate for low wind speeds; however this does not allow to obtain a good yield of the electric generator when the wind tends to reach high speeds.

SCOPI DELL'INVENZIONE AIMS OF THE INVENTION

Uno scopo della presente invenzione Ã ̈ di fornire un generatore elettrico a magneti permanenti per turbine eoliche, mediante il quale si tende ad ovviare alle problematiche insite nei generatori elettrici convenzionali, mediante il quale Ã ̈ possibile aumentare la potenza elettrica mantenendo sostanzialmente inalterato il dimensionamento del circuito magnetico, in particolare il numero e le dimensioni delle cave e delle scarpe polari di statore. One purpose of the present invention is to provide an electric generator with permanent magnets for wind turbines, by means of which the problems inherent in conventional electric generators tend to be obviated, by means of which it is possible to increase the electric power while maintaining substantially unchanged the dimensioning of the magnetic circuit, in particular the number and dimensions of the stator hollows and polar shoes.

Un ulteriore scopo ancora Ã ̈ di fornire un generatore a magneti permanenti, per l'applicazione precedentemente riferita, in cui il circuito magnetico risulta configurato in modo da ottenere una maggiore uniformitÃ del flusso magnetico in corrispondenza del traferro esistente tra superfici polari affacciate del rotore e dello statore, al variare della loro posizione angolare; ciÃ² determina una riduzione della coppia di impuntamento del generatore. A still further object is to provide a permanent magnet generator, for the application referred to above, in which the magnetic circuit is configured in such a way as to obtain a greater uniformity of the magnetic flux in correspondence with the air gap existing between facing polar surfaces of the rotor and of the stator, as their angular position varies; this determines a reduction of the generator jamming torque.

BREVE DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Quanto sopra Ã ̈ conseguibile mediante generatore elettrico a magneti permanenti, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da un numero di poli magnetici del rotore, superiore al numero di cave o di scarpe polari dello statore, ed in cui la superficie polare di ciascun magnete del rotore si estende per un arco maggiore della superficie polare contrapposta di ciascuna scarpa polare dello statore. The above can be achieved by means of an electric generator with permanent magnets, according to claim 1, characterized by a number of magnetic poles of the rotor, greater than the number of slots or polar shoes of the stator, and in which the polar surface of each magnet of the rotor extends for a greater arc than the opposite polar surface of each polar shoe of the stator.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Questi ed ulteriori caratteristiche del generatore elettrico a magneti permanenti secondo l'invenzione, risulteranno maggiormente dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni, in cui: These and further characteristics of the permanent magnet electric generator according to the invention will become clearer from the following description with reference to the drawings, in which:

Figura 1 Ã ̈ una vista in pianta del generatore; Figura 2 Ã ̈ una sezione trasversale secondo la linea 2-2 di figura 1; Figure 1 is a plan view of the generator; Figure 2 is a cross section along line 2-2 of Figure 1;

Figura 3 Ã ̈ un particolare ingrandito di figura 1, per un generatore elettrico convenzionale; Figure 3 is an enlarged detail of Figure 1, for a conventional electric generator;

Figura 4 Ã ̈ un particolare ingrandito di figura 1, per un generatore elettrico secondo l'invenzione. Figure 4 is an enlarged detail of Figure 1, for an electric generator according to the invention.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Le figure 1 e 2 mostrano schematicamente un generatore elettrico a magneti permanenti particolarmente adatto per turbine a vento. Figures 1 and 2 schematically show an electric generator with permanent magnets particularly suitable for wind turbines.

Il generatore elettrico a magneti permanenti Ã ̈ costituito da un rotore a tazza 10, e da uno statore 11 interno al rotore 10. Il rotore 10 comprende una parte di fondo 12 avente un mozzo 13 di collegamento ad un albero di comando operativamente collegato all'albero delle pale della turbina, ed una parete cilindrica 14. Una pluralitÃ di magneti permanenti 15 sono fissati alla superficie interna della parete cilindrica 14 del rotore, in posizioni angolarmente distanziate; in particolare i magneti permanenti del rotore sono polarizzati radialmente in modo che i magneti 15A definenti i poli magnetici di una prima polaritÃ N, si alternano ai magneti 15B definenti i poli S di polaritÃ opposta alla precedente. Nel caso di figura 1, i magneti 15A, 15B sono angolarmente distanziati tra loro e sono di numero multiplo delle fasi del generatore; tuttavia non si esclude una qualsiasi altra conformazione e/o disposizione dei magneti 15A e 15B, a seconda del tipo o configurazione del generatore. The permanent magnet electric generator consists of a cup rotor 10, and a stator 11 inside the rotor 10. The rotor 10 comprises a bottom part 12 having a hub 13 for connection to a drive shaft operatively connected to the turbine blade shaft, and a cylindrical wall 14. A plurality of permanent magnets 15 are attached to the inner surface of the cylindrical wall 14 of the rotor, in angularly spaced positions; in particular the permanent magnets of the rotor are radially polarized so that the magnets 15A defining the magnetic poles of a first polarity N alternate with the magnets 15B defining the poles S of opposite polarity to the previous one. In the case of Figure 1, the magnets 15A, 15B are angularly spaced from each other and have a multiple number of the phases of the generator; however, any other conformation and / or arrangement of the magnets 15A and 15B is not excluded, depending on the type or configuration of the generator.

A sua volta lo statore 11 comprende un corpo cilindrico 16 di forma anulare, costituito da una pluralitÃ di lamierini magnetici sovrapposti, da cui si protende una pluralitÃ di scarpe polari 17, separate da cave longitudinali 18 che si estendono parallelamente all'asse di rotazione del rotore 10; con A1, A2 e A3 in figura 1 sono stati schematicamente indicati gli avvolgimenti di fase nel caso di un generatore elettrico con configurazione trifase del proprio avvolgimento. In turn, the stator 11 comprises an annular cylindrical body 16, consisting of a plurality of superimposed magnetic laminations, from which a plurality of pole shoes 17 protrude, separated by longitudinal slots 18 which extend parallel to the axis of rotation of the rotor 10; A1, A2 and A3 in Figure 1 schematically indicate the phase windings in the case of an electric generator with a three-phase configuration of its own winding.

Come mostrato dal particolare ingrandito di figura 3, in un generatore elettrico convenzionale con configurazione trifase, in cui l'avvolgimento elettrico comprende una fase per cava, e tre cave 18 per ogni coppia di poli 15A, 15B, si ha uno sfasamento elettrico tra le tre fasi di 120° elettrici. As shown in the enlarged detail of figure 3, in a conventional electric generator with three-phase configuration, in which the electric winding comprises one phase per slot, and three slots 18 for each pair of poles 15A, 15B, there is an electrical phase shift between the three electrical 120 ° phases.

Una tipica applicazione prevede ad esempio 18 poli magnetici 15A, 15B del rotore, con 27 cave di statore, con un rapporto tra numero P di poli e numero C di cave pari a P/C=2/3. A typical application provides for example 18 magnetic poles 15A, 15B of the rotor, with 27 stator slots, with a ratio between the number P of poles and the number C of slots equal to P / C = 2/3.

PoichÃ© la frequenza elettrica del generatore Ã ̈ determinata dal prodotto del numero di giri al secondo del rotore, per il numero delle coppie polari 15A, 15B, risulta evidente che aumentando le coppie polari, per aumentare la frequenza elettrica mantenendo un rapporto P/C=2/3, occorrerebbe conseguentemente aumentare il numero delle cave. In un generatore elettrico di dimensioni convenzionali tutto ciÃ² comporterebbe una riduzione delle dimensioni delle stesse cave e delle scarpe polari, con conseguenti difficoltÃ di lavorazione meccanica dello statore e di esecuzione dell'avvolgimento elettrico. Since the electrical frequency of the generator is determined by the product of the number of revolutions per second of the rotor, by the number of pole pairs 15A, 15B, it is evident that by increasing the pole pairs, to increase the electrical frequency while maintaining a P / C ratio = 2/3, the number of quarries should consequently be increased. In an electric generator of conventional dimensions, all this would entail a reduction in the dimensions of the cavities themselves and of the polar shoes, with consequent difficulties in mechanical processing of the stator and in carrying out the electrical winding.

Inoltre, dal particolare di figura 3 si nota che l'estensione angolare delle scarpe polari 17 Ã ̈ inferiore a quella dei magneti 15; vale a dire che ciascuna scarpa polare 17 si estende per un arco di cerchio minore di quello dei magneti 15. Pertanto la distribuzione del flusso magnetico tra superfici polari contrapposte dei magneti 15A, 15B e delle scarpe polari 17 risulta disomogenea al variare della posizione reciproca. Furthermore, from the detail of figure 3 it can be seen that the angular extension of the polar shoes 17 is less than that of the magnets 15; that is to say that each polar shoe 17 extends for an arc of a smaller circle than that of the magnets 15. Therefore, the distribution of the magnetic flux between opposite polar surfaces of the magnets 15A, 15B and of the polar shoes 17 is inhomogeneous as the reciprocal position varies.

Le prestazioni di un generatore elettrico a magneti permanenti di tipo convenzionale, secondo l'esempio di figura 3, possono dunque essere implementate secondo la presente invenzione mediante la configurazione magnetica di figura 4. The performance of a conventional permanent magnet electric generator, according to the example of Figure 3, can therefore be implemented according to the present invention by means of the magnetic configuration of Figure 4.

Secondo la figura 4 si ha sempre una fase elettrica per cava di statore tuttavia, diversamente dal caso di figura 3, ora si hanno tre cave 18 e relative scarpe polari 17 di dimensioni ancora identiche a quelle dell'esempio precedente, ogni due coppie polari 15A, 15B del rotore; lo sfasamento elettrico che si viene ad avere tra le tre fasi Ã ̈ pari a 360°+120° cioÃ ̈ equivalente allo sfasamento di 120° di un sistema trifase convenzionale. In altri termini, mentre nel caso di figura 3 si hanno due magneti ogni tre cave o scarpe polari, nel caso di figura 4 a paritÃ di diametro del rotore, si hanno quattro magneti di ampiezza angolare inferiore, mantenendo invariato il numero e le dimensioni delle cave 18 e delle scarpe polari 17 dello statore. In questo modo si ottiene una frequenza elettrica maggiore, doppia del caso precedente, con un numero di cave relativamente ridotto. According to figure 4 there is always an electrical phase for the stator slot however, unlike the case of figure 3, there are now three slots 18 and relative pole shoes 17 of dimensions still identical to those of the previous example, every two pole pairs 15A , 15B of the rotor; the electrical phase shift between the three phases is equal to 360 ° + 120 °, which is equivalent to the 120 ° phase shift of a conventional three-phase system. In other words, while in the case of figure 3 there are two magnets every three hollows or polar shoes, in the case of figure 4 with the same diameter of the rotor, there are four magnets of lower angular amplitude, keeping the number and dimensions of the hollows 18 and polar shoes 17 of the stator. In this way, a higher electrical frequency is obtained, double that of the previous case, with a relatively reduced number of slots.

Da un confronto tra il particolare di figura 4 e quello di figura 3, risulta evidente un ulteriore vantaggio, non trascurabile, della configurazione magnetica del generatore secondo l'invenzione, consistente nel fatto che i rapporti dimensionali tra la lunghezza dei magneti e quella delle scarpe polari nella direzione circonferenziale, vale a dire la maggior estensione angolare che le scarpe polari vengono ad avere rispetto ai magneti, permette di avere una maggiore uniformitÃ di flusso magnetico al traferro, al variare della posizione relativa tra rotore e statore. Questo fatto determina una sostanziale riduzione della coppia di impuntamento. Da alcune simulazioni e da prove condotte con un prototipo, in pratica si Ã ̈ riscontrato un dimezzamento della coppia di impuntamento. From a comparison between the detail of figure 4 and that of figure 3, a further, not negligible, advantage of the magnetic configuration of the generator according to the invention is evident, consisting in the fact that the dimensional relationships between the length of the magnets and that of the shoes polar in the circumferential direction, ie the greater angular extension that the polar shoes have with respect to the magnets, allows to have a greater uniformity of magnetic flux at the air gap, as the relative position between rotor and stator varies. This fact determines a substantial reduction of the locking torque. From some simulations and from tests conducted with a prototype, in practice a halving of the locking torque was found.

Da quanto detto e mostrato risulta dunque evidente che si Ã ̈ fornito un generatore elettrico a magneti permanenti, per turbine eoliche, mediante il quale si conseguono gli scopi voluti, mediante una soluzione semplice, che non comporta alcun eccessivo aumento dei costi o l'impiego di una maggior quantitÃ di materiale magnetico rispetto a soluzioni convenzionali, con tutti i vantaggi conseguenti. From what has been said and shown it is therefore evident that an electric generator with permanent magnets has been supplied, for wind turbines, through which the desired purposes are achieved, by means of a simple solution, which does not involve any excessive increase in costs or use. of a greater quantity of magnetic material compared to conventional solutions, with all the consequent advantages.

Pertanto, quanto Ã ̈ stato detto e descritto con riferimento all'esempio dei disegni allegati, Ã ̈ stato dato a puro titolo illustrativo di un generatore elettrico con configurazione trifase; altre modifiche o varianti potranno pertanto essere apportate, sia in relazione al numero di cave e/o di poli o di altre caratteristiche meccaniche e/o magnetiche del generatore stesso, senza con ciÃ² allontanarsi dalle rivendicazioni. Therefore, what has been said and described with reference to the example of the attached drawings, has been given purely for illustrative purposes of an electric generator with a three-phase configuration; other modifications or variations may therefore be made, both in relation to the number of slots and / or poles or other mechanical and / or magnetic characteristics of the generator itself, without thereby departing from the claims.

Claims

Claims 1. A permanent magnet electric generator for wind turbines, comprising a rotor (10) having a plurality of magnetic poles (15) arranged circumferentially, and a stator (11) having a plurality of slots (18) and pole shoes (17 ) for a polyphase electrical winding extending longitudinally to the stator (11); and in which the magnetic poles (15) of the rotor (10) and the pole shoes (17) of the stator (11) have opposite front surfaces which extend circumferentially, characterized in that the rotor (10) has a number of poles ( 15) greater than the number of slots (18) of the stator (11), and by the fact that the front surface of each of the pole shoes (17) of the stator (11) extends for an angular amplitude greater than that of the magnetic poles (15 ) of the rotor (10).

2. The permanent magnet electric generator according to claim 1, in particular a generator with a three-phase configuration, characterized in that the rotor (10) has a number of magnetic poles (15) equal to 4/3 of the number of slots (18 ) of the stator (11).

3. The electric generator according to claim 1, characterized in that it comprises: a cup rotor (10) having a bottom wall (12) provided with a hub (13) for connection to a drive shaft, and a wall cylindrical support (14) for a first plurality of radially polarized permanent magnets (15A, 15B) with opposite polarities (N, S); a stator (11) inside the rotor (10), the stator (11) being shaped with a second plurality of radially extending pole shoes (17), angularly separated by slots (18) extending parallel to a longitudinal axis; And from the fact that the polar shoes (17) of the stator (11) have polar surfaces which extend circumferentially for an arc of a greater circle than that of the opposite polar surfaces of the magnets (15A, 15B) of the rotor (10).