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Simulation helps Indar to design one of the world’s highest-efficiency permanent magnet wind turbine generators.
Jon Vaquerizo, Project Manager, and Xabier Calvo, Technical Manager, Indar Electric, S.L., Beasain Guipuzkoa, Spain
ANSYS Advantage, Volume V, Issue 1, 2011
風能是現今世界發展最快的能源之一。2009年就增加了375億瓦運轉量。全球風能協會( The Global Wind Energy Council )預期五年後的2014年將會成長160%。永磁發電機 ( Permanent Magnetic Generators, PMGs )是其中一個成長的趨勢。它能提供更高的效率及設計彈性。Indar electric, S.L.計畫發展達250萬瓦的風力發電廠。此計畫將以永磁發電機在給定負載下將機械能轉電能的轉換效率史無前例的達到97.7%。由於風機時常在部份負載下運作，另一個目標則是提高部分負載時的效能及效率。先建造後測試(build-and test)的傳統方法無法在合理的時間內達成以上目標。因此Indar應用電磁場與流場耦合模擬來達成此目標。
Indar electric創立於1940年的小型電動馬達製造商。在1997年，它成為西班牙一家掌握全球風能市場15%的可更新能源公司，Ingeteam，的一員。Indar生產各種發電機，包含較傳統的多重供給感應發電機 (Double-Fed Induction Generator, DFIG)及較新的永磁發電機 (PMGs)。由於以恆磁作為轉換成電能的媒介，因此不需要轉子線圈，永磁發電機可在給定負載下，甚或部分負載下，提供更高的效率。由於不需要線圈，因此也不需要電刷。由於所需組件較少，永磁發電機可減少可能的發生的問題及降低維修需求。
Indar的設計團隊在發展新的恆磁發電機時遭遇幾個重大挑戰。高效率是最重要的目標，但同時也須達成好幾個目標以能進行可靠的操作。發生於轉子永久磁鐵與定子狹縫間的齒輪力矩必須降低至所有力矩的0.1%。 輸出電壓諧波 (THD)必須保持在0.5%之間。必須要求冷卻系統能使永久磁鐵低於100℃以確保磁鐵保有20年的壽命。
Indar的工程師以ANSYS Inc 之低頻Ansoft Maxwell電磁場模擬軟體評估不同幾何和磁鐵特性在發電機電磁表現的差異。已知的基本方程式用以發展初步的發電機設計。工程師依發電機製圖先後建立二維及三維模型以重建轉子，定子薄片及線圈的幾何及材料特性。模擬的時間步階將與發電機轉動速度及永久磁鐵中磁極數目配合。工程師模擬各種提出方案在無負載，全負載及短路下的表現。
模擬的結果包含發電機產生的電壓波型。實驗量測結果也會一起與設計需求進行比較，以可評估諧波。Maxwell方程式中的電壓快速傅立業轉換可獲得不同頻率下的電壓，因此可直接計算出特別設計下的諧波。
短路時的行為也是另一個重要的考慮。短路可能由發電機內的機械故障，絕緣被破壞或能量轉換故障所造成。工程師研究在短路發生時，永久磁鐵個區域產生的磁場，以期確認這些磁鐵仍保持完好，無遭受任何傷害。一般在設計一PMG時，Indar工程師會先考慮包含磁鐵溫度，轉動速度，轉換頻率及二相或三相短路表現等各種因素以確保磁鐵在整個發電機運轉壽命中皆能保持理想的特性。
全負載模擬中，工程師觀察Ingeteam變頻器上可行的轉換頻率的輸入需求以獲得正常的力矩，高電流及低損失。由於定子對於效率有極重要的效應，他們測試定子的感應層級。雖然高感應層級可使發電機尺寸縮小，也會增加鐵原子的損失。Maxwell方程式計算的結果顯示定子鐵原子損失分布，提供設計改變導引以提高效率。Indar的工程師持續修改設計，嘗試降低定子鍍銅層的損失，機械損失，及於變頻器中轉換頻率所造成的損失 – 以達成其他設計要求。
即使PMG處於不運轉的情況下，由於高磁場強度， Indar的工程師模擬組裝及平衡轉子的過程，以確保整各組裝過程能安全完成。他們決定置入轉子時產生磁力的大小，以能設計特別的組裝工具以對抗磁力。發電機轉子藉由與偵測轉子不平衡時產生之力的加速器一起安裝於同一基座以獲得平衡。在此過程中轉子所產生的電磁場可藉由Maxwellz方程式模擬以確保不會干擾加速度計訊號線。
由於電與熱之間有交互作用，Indar工程師同時研究發電機的冷卻系統。磁鐵的溫度扮演抵抗消磁的一個很重要的角色。因此提高冷卻效能可磁鐵能力以控制短路。冷卻管路最佳化可藉機械和冷卻損失來改善效率。
為最佳化冷凍迴路，工程師使用ANSYS Fluent流體動力軟體以展現發電機內部及周圍流場及熱傳的詳細研究。由於小至5到10毫米的轉子和定子間的空隙，大則大到1米的冷卻系統及發電機尺寸，尺寸上的差異造成網格建立的挑戰。為縮短計算時間，三維穩態分析被大量應用於設計過程中，而幾何模型則降為軸對稱周期模型。流體動力分析結果包含局部熱傳係數，機械管路上各處流速，經過發電機的空氣管路壓降，發電機的溫度及熱分布，及磁鐵工作溫度。工程師參考模擬的結果，藉由降低整個發電機的冷卻變化程度，以降低溫度熱點。
ANSYS幫助Indar輕易地進行自動多重參數設計變化。電磁和流場模擬提供了比實驗測試更多的判斷資訊。模擬提供了計算區內各點結果，而實驗測試僅能藉由局部安裝的感測器提供資訊。在原型機建立之前，工程師可以重覆一個設計以符合所有規格需求。一般的參數管理可快速且容易地經由參數改變達成並表現出來。這些參數將從CAD模型，經由網格建立，邊界條件給定到結果產出，傳導於整個設計系統中。
下一步便是建造及測試真實尺寸的原型機以驗證模擬結果以及確認發電機的功能性及壽命期望。有兩種測試型式:發電機全負載相應測試以確認發電機效能，以及耐久測試以確認長時間的可靠度。在原型機上所量測到的電與熱的結果與模擬的結果相符合。舉例而言，預測的電壓波型與量測值的最大差異為0.1%。新發電機量測得到的效率為97.86，高於97.7%的設計目標，且確實與預測結果相近。這是市場上擁有最高效率等級的PMG。模擬使其能以用先建造後測試的方法所需時間的一半完成提高效能目標的挑戰。與實地測試結果相吻合的模擬預測提供了Indar以模擬的方式來設計在最嚴峻情況下依然能有高性能產品的信任。
