Diseño de generador de imanes permanentes para aerogeneradores en áreas marinas

Abstract

El objeto de este proyecto es diseñar un generador para turbinas eólicas en áreas marinas. La ventaja de la colocación de estos aerogeneradores en el mar viene dada por unos mejores regímenes de viento, el mar no opone resistencia al paso del viento frenándolo, evitando así la turbulencia. Esto se traduce en un incremento de la velocidad del viento a la altura del buje, permitiendo así un incremento en la potencia extraíble. El hecho de estas condiciones de instalación presenta numerosas dificultades que se deben tener en cuenta siendo el aspecto que más afecta al diseño el difícil acceso a la estructura para mantenimiento. Esto hace cuestionarse la necesidad de una reductora ya que este sistema de engranajes requiere un engrasado periódico, provoca pérdidas y se calienta por lo que se prescindirá de ella. Prescindir de este elemento mecánico tiene importantes consecuencias como que el eje de la máquina tenga que girar a las mismas revoluciones que el rotor aerodinámico. Manteniendo la potencia en estas circunstancias, la única solución es aumentar el par de la máquina, teniendo que aumentar con él el diámetro de esta debido a las tensiones superficiales que se presentan. Sin embargo, al girar a bajas revoluciones aparece un par que tiende a frenar la máquina como consecuencia del entrehierro variable, este par debe ser corregido ya que aumenta la velocidad de conexión de las turbinas a la red. En la actualidad la mayoría de los accionamientos de la energía eólica se dividen en dos grandes grupos: máquina de inducción doblemente alimentada con reductora y máquina síncrona de imanes permanentes y accionamiento directo. Por las condiciones previamente expuestas se empleará la segunda configuración. Entre las diferentes configuraciones de las máquinas de imanes permanentes, se empleará la de imanes superficiales Nd-Fe-B. Estos imanes son los más empleados en la actualidad ya que tienen un campo remanente elevado, gran resistencia a la desmagnetización, y permiten trabajar a altas temperaturas sin riesgo al deterioro.

The aim of this project is to design an electric generator for offshore wind turbines. The advantage of offshore wind turbines is the better wind conditions due to the lack of resistance of the sea against the wind. This means that wind is not stopped, avoiding turbulence. All these facts imply an increment in the wind speed at the hub, increasing the power that can be obtained. The location of this generators in the sea shows several difficulties that must be considered. The most important problem in the design is the lack of easy access to the generator itself for maintenance works. This makes questionable the use of some mechanisms such as the gearbox. In an offshore turbine, the maintenance is highly complex, so we will not use a gearbox in the design. Not using a gearbox implies that the machine shaft must spin at the aerodynamic shaft speed. If we want to maintain the power under these conditions, we must increment the machine torque. Making the torque bigger means increasing the diameter of the generator due to superficial tensions. However, spinning at low speeds present a very important problem: cogging torque. This torque tends to stop the machine due to air gap variations, increasing the cut-in speed in wind turbines. Nowadays, most of wind turbines configurations can be divided into two big groups: wounded rotor induction machines and gearbox and direct-drive permanent magnet synchronous machines. Due to the conditions explained in the previous paragraph in this project the second type was used. Permanent magnets machines are used instead of electrical excitation ones because they generate high voltages using a little amount of material and occupying a small space. In the field of permanent magnet machines, we used those magnets which have a high magnetic field, present high resistance to demagnetizing and can work at high temperatures without risk. This is the reason why we employed Nd-Fe-B magnets.