Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines
Widespread use of synchronous generators with permanent magnet excitation in modern wind power plants requires development and upgrade of their calculation methods. Consideringthe variety of this generator type structures this is hard to make with one procedure. At the same time for a number of stan...
Saved in:
| Date: | 2016 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/121 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871102989879476224 |
|---|---|
| author | Permynov, Y. Kokhanievych, V. Zinchenko, T. |
| author_facet | Permynov, Y. Kokhanievych, V. Zinchenko, T. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Y. Permynov",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
},
{
"author": "V. Kokhanievych",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
},
{
"author": "T. Zinchenko",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Permynov, Y. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:10Z |
| description | Widespread use of synchronous generators with permanent magnet excitation in modern wind power plants requires development and upgrade of their calculation methods. Consideringthe variety of this generator type structures this is hard to make with one procedure. At the same time for a number of standard designs with synchronous generators excited by permanent magnets, there have been developed calculation algorithms that take into account the accumulated theoretical research and practical achievements.The paper suggests the calculating algorithm for end design generators with two magnetic systems based on permanent magnets being installed on stator ends; the algorithm got tested on 200 Watt generator.The calculation algorithm includes the following steps:
– step 1 – choice of nominal generator parameters;– step 2 – calculation of generator parameters;– step 3 – calculation of magnetic system;– step 4 – calculation of stator parameters;– step 5 – clarifying generator electric parameters;– step 6 – calculation for a 200 Watt generator and its experimental verification.The deviation between experimental data and the developed algorithm for a 200 Watt generator does not exceed 7.5%. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:36:44Z |
| format | Article |
| fulltext |
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 45
УДК 621.548
Ю.Н.Перминов,1 канд.техн.наук, В.П.Коханевич,2 канд.техн.наук, Т.В.Зинченко3 (Институт возобновляе-
мой энергетики НАН Украины, Киев)
Алгоритм расчета синхронных генераторов торцевой конструкции
с двумя магнитными системами, расположенными по торцам статора,
для ветроэнергетических установок
Разработан алгоритм расчета синхронного генератора торцевой конструкции с двумя магнитными системами на базе
постоянных магнитов, расположенных по торцам статора, и проведена его апробация на генераторе мощностью 200 Вт.
Библ. 4, табл. 1, рис. 2.
Ключевые слова: ветроэнергетика, синхронный генератор, возбуждение от постоянных магнитов.
ORCID: 10000-0001-5604-8327; 20000-0003-0033-1355; 30000-0002-6598-6347.
Широкое распространение синхронных гене-
раторов с возбуждением от постоянных магнитов
в современных ветроэлектрических установках
малой мощности требует разработки и усовер-
шенствования методик их расчета. Учитывая
разнообразие конструкций данного типа генера-
торов, их невозможно охватить одной методикой.
В то же время для ряда типовых конструкций
синхронных генераторов с возбуждением от по-
стоянных магнитов разработаны алгоритмы их
расчета с учетом накопленных теоретических
исследований и практических наработок, кото-
рые отражены в работах [1, 2].
В данной статье предложен алгоритм расчета
генератора торцевой конструкции (рис. 1) с дву-
мя магнитными системами на базе постоянных
магнитов, расположенных по торцам статора, и
проведена его апробация на генераторе мощно-
стью 200 Вт. Алгоритм расчета состоит из сле-
дующих этапов:
этап 1 – выбор номинальных параметров ге-
нератора;
этап 2 – расчет параметров генератора;
этап 3 – расчет магнитной системы;
этап 4 – расчет параметров статора;
этап 5 – уточнение электрических парамет-
ров генератора;
этап 6 – расчет генератора мощностью 200 Вт
и его экспериментальная проверка.
Рис. 1. Общий вид генератора торцевой конструкции с
беспазовым статором:
1 – пакет статора; 2 – обмотка; 3 – магниты; 4 – подшип-
никовые щиты; 5 – ярмо статора; 6 – подшипники; 7 – вал;
8 – корпус ротора.
Этап 1. Выбор номинальных параметров
генератора.
Исходными номинальными параметрами, как
правило, являются:
номинальная мощность генератора Р;
фазное напряжение UФ;
частота выходного напряжения f;
число фаз m;
номинальная частота вращения ω.
Номинальная мощность генератора и номи-
нальная частота вращения определяются при рас-
чете параметров ротора ветроустановки или (при
их отсутствии) со следующих выражений [3]:
© Ю.Н.Перминов, В.П.Коханевич, Т.В.Зинченко, 2016
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 46
Мощность на валу ротора ветроустановки:
31
2P PP C S V , (1)
где PC – коэффициент использования энергии
ветра; ρ – плотность воздуха; S – площадь оме-
таемой поверхности ротора; V – скорость ветро-
вого потока.
Из (1) получаем площадь ометаемой поверх-
ности ротора:
3
2 P
P
PS
C V
, (2)
соответственно, радиус ротора будет равен:
SR
. (3)
Имея радиус ротора, находим частоту его
вращения:
H
P
Z V
R
, (4)
где HZ 6÷7 – коэффициент номинальной быст-
роходности ротора [3].
Номинальная мощность генератора:
PP P , (5)
где η – КПД трансмиссии от ротора к генератору.
Номинальная частота вращения генератора:
P Ti , 6)
где Ti – передаточное отношение трансмиссии от
ротора к генератору.
Фазное напряжение и частота выходного на-
пряжения определяются из требований к системе
генерации электрической энергии.
Этап 2. Расчет основных параметров гене-
ратора.
Мощность 3-х фазного генератора равна:
3 cosФ ФP U I , (7)
где ФI – фазный ток; cos 0,8÷0,85 – коэффи-
циент мощности.
Фазный ток равен:
3 cosФ
Ф
PI
U
. (8)
Электромагнитный момент генератора:
Э
PМ
. (9)
С другой стороны, электромагнитный мо-
мент может быть определен по формуле:
3
Э i б CМ A B D , (10)
где i 0,72÷0,8 – коэффициент полюсного пе-
рекрытия; A (10÷12)∙103 А/м – линейная на-
грузка; B 0,29÷0,31 Тл – предварительное
значение индукции в рабочем зазоре при беспа-
зовой конструкции статора и с применением маг-
нитов NdFeB; CD – диаметр статора; 0,5 –
отношение активной длины тороидального сер-
дечника статора к его диаметру.
Выражение (10) позволяет определить диа-
метр статора:
3 Э
C
i
МD
A B
. (11)
Из опыта проектирования аналогичных ма-
шин принимаем:
число полюсов: 2 8p (р – число пар
полюсов);
число секций: 24Cn ;
число фаз: m=3;
число катушек в фазе: 8Kn ;
используемые магниты и их геометрия:
предполагается использование магнитов
трапецеидальной формы, заполняющих
всю площадь торца, из сплава типа
NdFeB.
Этап 3. Расчет магнитной системы.
В соответствии с [4] максимальный магнит-
ный момент обеспечивается при следующих гео-
метрических параметрах генератора (рис. 2):
внешний радиус магнитного тора:
1 0 5 CR , D ;
внутренний радиус магнитного тора:
2 10 5R , R .
С учетом технологических рекомендаций по
изготовлению аналогичных генераторов можно
принять следующее:
зазор между ротором и обмоткой:
1 5З , мм;
толщина катушки: 8Kh мм;
высота магнита: 7Mh мм.
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 47
Площадь сечения полюса равна:
2 20 785
2
C Св
m
, D D
S
p
, (12)
где CвD – внутренний диаметр статора.
Внутренний диаметр статора для данного
типа генераторов обычно совпадает с внутрен-
ним радиусом магнитного тора, т.е. 22CвD R .
Суммарная проводимость рассеяния в соот-
ветствии с [4]:
1 0 2 0 1 2
2 2 4 4
S Ф ФR R R R
,(13)
где φ – центральный угол полюсной дуги;
0 – магнитная проницаемость воздуха;
r
Ф
C
B
H
– проницаемость магнита (определя-
ется как отношение остаточной индукции rB к
коэрцитивной силе CH ).
Рис. 2. Основные геометрические параметры генератора.
Полезный поток на один полюс в соответст-
вии с [4] будет составлять:
r m
m
S Ф
M
B SФ S
h
, (14)
где – проводимость рабочего зазора на один
полюс.
Выражение для имеет следующий вид:
0 S
, (15)
где S – площадь рабочего зазора ( mS S );
K Зh – полный немагнитный зазор, вклю-
чающий толщину катушки и зазор в свету.
Индукция в рабочем зазоре:
ФB
S
.
Этап 4. Расчет параметров статора.
Толщина тороидального сердечника равна:
1 2
С
Фb
B R R
, (16)
где 1 4B , Тл – допустимая индукция в сер-
дечнике.
Минимальный диаметр по размещению ка-
тушек:
2Cв Kd D h . (17)
Ширина катушки:
0 9
K
C
, db
n
. (18)
Длина среднего витка катушки:
2 2Kср C Св K C Kl D D h b h . (19)
Число витков в катушке:
2
0 84 K K
K
пр
, b hW
d
, (20)
где прd – диаметр провода (без изоляции).
Диаметр провода определяется исходя из до-
пустимой плотности тока в обмотке j. Из опыта
проектирования аналогичных генераторов плот-
ность тока в обмотке принимаем равной:
j = 5,5 А/мм2.
Активное сопротивление катушки:
Kср K
K
l W
R
q
, (21)
где ρ – удельное сопротивление материала про-
вода; q – площадь поперечного сечения провода.
Этап 5. Уточнение электрических пара-
метров генератора.
Сопротивление фазы равно:
8Ф K K KR n R R . (22)
Количество витков фазы:
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 48
8Ф K K KW n W W . (23)
Частота ЭДС:
2
pf
. (24)
ЭДС фазы:
4, 44ф Ф OE f Ф W k , (25)
где Ok – коэффициент обмотки.
Индуктивное сопротивление фазы:
2
0
2
2 0 5d C a ср
Ф
k m f D l W ,
X
k k p
, (26)
где 0,6dk – коэффициент, учитывающий ре-
акцию якоря; 1,1k – коэффициент, учиты-
вающий насыщение магнитной цепи;
2
C Cв
a
D Dl
– активная длина проводника.
Падение напряжения на активном сопротив-
лении равно:
R Ф Ф ФU I R . (27)
Падение напряжения на индуктивном сопро-
тивлении:
X Ф Ф ФU I X . (28)
Фазное напряжение генератора:
2 2
Ф R Ф Ф X ФU U E U . (29)
Электромагнитная мощность:
cosЭ ф фP m U I . (30)
Линейная нагрузка:
Ф
ср
I NA
D
, (31)
где 3 ФN W – полное число проводников об-
мотки;
2
C Cв
ср
D DD
– средний диаметр тора.
Удельный тепловой поток:
1010 10A j .
Этап 6. Расчет генератора мощностью 200
Вт и его экспериментальная проверка.
В таблице 1 приведен пример расчета гене-
ратора мощностью 200 Вт при скорости враще-
ния 300 об/мин по указанному алгоритму.
Таблица 1
Параметры Единица измерения Расчетные значения
Экспериментальные
значения
Диаметр голого провода мм 0,62
Диаметр изолированного провода мм 0,69
Сечение провода мм2 0,3
Число витков в секции шт. 118
Число витков в фазе шт. 947
Сопротивление секции (активное) Ом 0,93
Сопротивление фазы Ом 7,48
Плотность тока в фазе А/мм2 5,5
Фазный ток А 1,65 1,73
Магнитный поток на пару полюсов (×103) Вб 0,55
Индукция в рабочем зазоре Тл 0,3
Фазная ЭДС В 45,5
Индуктивное сопротивление фазы Ом 1,2
Падение напряжения на активном
сопротивлении
В 12,3
Падение напряжения на индуктивном
сопротивлении
В 2
Фазное напряжение В 33,2 35,6
Электромагнитная мощность Вт 200 185
Линейная нагрузка (×103) А/м 11
Удельный тепловой поток (×1010) А2/м3 6
Масса машины кг 8
ВІТРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 49
Выводы. 1. Принятые в начале расчета
удельные электромагнитные нагрузки А и B
соответствуют значениям, полученным в резуль-
тате расчета.
2. Отклонение экспериментальных данных от
результатов расчета по разработанному алгорит-
му не превышает 7,5%.
1. Кудря С.А., Перминов Ю.Н., Буденный И.В. Некото-
рые особенности проектирования синхронних ветрогенера-
торов повышенной мощности с возбуждением от постоян-
ных магнитов // Відновлювана енергетика. – 2014. – № 3.
– С. 54–57.
2. Перминов Ю.Н., Коханевич В.П., Буденный И.В., До-
нец А.М. Алгоритм расчета синхронных генераторов с воз-
буждением от постоянных магнитов для ветроэнергетиче-
ских установок // Відновлювана енергетика. – 2015. – № 2.
– С. 60–65.
3. Фатеев Е.М. Ветродвигатели. – Л.: ВИМЭ, 1946.
– 244 с.
4. Перминов Ю.Н. Проектирование электродвигателей
с кольцевыми многополюсными анизотропными магнитами
// Известия высших учебных заведений: Электромеханика.
– 1988. – № 11. – С. 45–50.
REFERENCES
1. Kudrya S.A., Perminov Yu.N., Budennyy I.V. Some de-
sign features of synchronous high-power wind turbines with
permanent-magnet excitation // Vidnovliuvana enerhetyka. –
2014. – № 3. – Pp. 54–57.
2. Perminov Yu.N., Kokhanevich V.P., Budennyy I.V., Do-
nets A.M. Algorithm for calculating synchronous generators for
wind turbines with permanent magnets excitation // Vidnovli-
uvana enerhetyka. – 2015. – № 2. – Pp. 60–65.
3. Fateev Ye.M. Wind turbines. – L.: VIME, 1946. – 244 p.
4. Perminov Yu.N. Designing electric motors with annular
multipolar anisotropic magnets // Izvestiya vysshikh uchebnykh
zavedeniy: Elektromekhanika. – 1988. – № 11. – Pp. 45–50.
Ю.М.Пермінов, канд.техн.наук, В.П.Коханєвич,
канд.техн.наук, Т.В.Зінченко (Інститут відновлюваної ене-
ргетики НАН України, Київ)
Алгоритм розрахунку сінхронних генераторів торце-
вої конструкції з двома магнітними системами, роз-
ташованими на торцях статора, для вітроенергетич-
них установок
Розроблено алгоритм розрахунку синхронного генератора
торцевої конструкції з двома магнітними системами на
базі постійних магнітів, розташованих по торцях статора,
та проведено його апробацію на генераторі потужністю
200 Вт. Бібл. 4, табл. 1, рис. 2.
Ключові слова: вітроенергетика, синхронний генератор,
збудження від постійних магнітів.
Perminov Yu.N., Kokhanevich V.P., Zinchenko T.V., (Insti-
tute of Renewable Energy, NAS of Ukraine, Kyiv)
Algorithm for calculating synchronous end design generators
with located at stator ends two magnetic systems for wind
turbines
There has been developed an algorithm for calculating a syn-
chronous end design generator with two magnetic systems based
on permanent magnets and arranged at stator ends; the algo-
rithm got tested on 200 Watt generator. References 4, table 1,
figures 2.
Keywords: wind power, synchronous generator, permanent
magnet excitation.
SYNOPSES
Widespread use of synchronous generators with permanent
magnet excitation in modern wind power plants requires devel-
opment and upgrade of their calculation methods. Considering
the variety of this generator type structures this is hard to make
with one procedure. At the same time for a number of standard
designs with synchronous generators excited by permanent mag-
nets there have been developed calculation algorithms that take
into account the accumulated theoretical research and practical
achievements.
The paper suggests the calculating algorithm for end design
generators with two magnetic systems based on permanent mag-
nets being installed on stator ends; the algorithm got tested on
200 Watt generator.
The calculation algorithm includes the following steps:
– step 1 – choice of nominal generator parameters;
– step 2 – calculation of generator parameters;
– step 3 – calculation of magnetic system;
– step 4 – calculation of stator parameters;
– step 5 – clarifying generator electric parameters;
– step 6 – calculation for a 200 Watt generator and its
experimental verification.
The deviation between experimental data and the developed
algorithm for a 200 Watt generator does not exceed 7.5%.
Стаття надійшла до редакції 27.05.16
Остаточна версія 07.06.16
|
| id | veorgua-article-121 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:01:04Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/b0/aad9327600966a17e8e9f580cc5318b0.pdf |
| spelling | veorgua-article-1212026-07-18T06:32:10Z Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines Алгоритм расчета синхронных генераторов торцевой конструкции с двумя магнитными системами, расположенными по торцам статора, для ветроэнергетических установок Алгоритм розрахунку синхронних генераторів торцевої конструкції з двома магнітними системами, розташованими на торцях статора, для вітроенергетичних установок Permynov, Y. Kokhanievych, V. Zinchenko, T. wind power synchronous generator permanent magnet excitation вітроенергетика синхронний генератор збудження від постійних магнітів ветроэнергетика синхронный генератор возбуждение от постоянных магнитов Widespread use of synchronous generators with permanent magnet excitation in modern wind power plants requires development and upgrade of their calculation methods. Consideringthe variety of this generator type structures this is hard to make with one procedure. At the same time for a number of standard designs with synchronous generators excited by permanent magnets, there have been developed calculation algorithms that take into account the accumulated theoretical research and practical achievements.The paper suggests the calculating algorithm for end design generators with two magnetic systems based on permanent magnets being installed on stator ends; the algorithm got tested on 200 Watt generator.The calculation algorithm includes the following steps: – step 1 – choice of nominal generator parameters;– step 2 – calculation of generator parameters;– step 3 – calculation of magnetic system;– step 4 – calculation of stator parameters;– step 5 – clarifying generator electric parameters;– step 6 – calculation for a 200 Watt generator and its experimental verification.The deviation between experimental data and the developed algorithm for a 200 Watt generator does not exceed 7.5%. Разработан алгоритм расчета синхронного генератора торцевой конструкции с двумя магнитными системами на базе постоянных магнитов, расположенных по торцам статора, и проведена его апробация на генераторе мощностью 200 Вт. Розроблено алгоритм розрахунку синхронного генератора торцевої конструкції з двома магнітними системами на базі постійних магнітів, розташованих по торцях статора,та проведено його апробацію на генераторі потужністю 200 Вт. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2016-06-23 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/121 Vidnovluvana energetika ; No. 2 (45) (2016): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 45-49 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2 (45) (2016): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 45-49 Відновлювана енергетика; № 2 (45) (2016): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 45-49 2664-8172 1819-8058 ru https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/121/77 Copyright (c) 2016 Y. Permynov, V. Kokhanievych, T. Zinchenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | wind power synchronous generator permanent magnet excitation Permynov, Y. Kokhanievych, V. Zinchenko, T. Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines |
| title | Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines |
| title_alt | Алгоритм расчета синхронных генераторов торцевой конструкции с двумя магнитными системами, расположенными по торцам статора, для ветроэнергетических установок Алгоритм розрахунку синхронних генераторів торцевої конструкції з двома магнітними системами, розташованими на торцях статора, для вітроенергетичних установок |
| title_full | Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines |
| title_fullStr | Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines |
| title_full_unstemmed | Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines |
| title_short | Algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines |
| title_sort | algorithm for calculating synchronous end design generators with located at stator ends two magnetic systems for wind turbines |
| topic | wind power synchronous generator permanent magnet excitation |
| topic_facet | wind power synchronous generator permanent magnet excitation вітроенергетика синхронний генератор збудження від постійних магнітів ветроэнергетика синхронный генератор возбуждение от постоянных магнитов |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/121 |
| work_keys_str_mv | AT permynovy algorithmforcalculatingsynchronousenddesigngeneratorswithlocatedatstatorendstwomagneticsystemsforwindturbines AT kokhanievychv algorithmforcalculatingsynchronousenddesigngeneratorswithlocatedatstatorendstwomagneticsystemsforwindturbines AT zinchenkot algorithmforcalculatingsynchronousenddesigngeneratorswithlocatedatstatorendstwomagneticsystemsforwindturbines AT permynovy algoritmrasčetasinhronnyhgeneratorovtorcevojkonstrukciisdvumâmagnitnymisistemamiraspoložennymipotorcamstatoradlâvetroénergetičeskihustanovok AT kokhanievychv algoritmrasčetasinhronnyhgeneratorovtorcevojkonstrukciisdvumâmagnitnymisistemamiraspoložennymipotorcamstatoradlâvetroénergetičeskihustanovok AT zinchenkot algoritmrasčetasinhronnyhgeneratorovtorcevojkonstrukciisdvumâmagnitnymisistemamiraspoložennymipotorcamstatoradlâvetroénergetičeskihustanovok AT permynovy algoritmrozrahunkusinhronnihgeneratorívtorcevoíkonstrukcíízdvomamagnítnimisistemamiroztašovaniminatorcâhstatoradlâvítroenergetičnihustanovok AT kokhanievychv algoritmrozrahunkusinhronnihgeneratorívtorcevoíkonstrukcíízdvomamagnítnimisistemamiroztašovaniminatorcâhstatoradlâvítroenergetičnihustanovok AT zinchenkot algoritmrozrahunkusinhronnihgeneratorívtorcevoíkonstrukcíízdvomamagnítnimisistemamiroztašovaniminatorcâhstatoradlâvítroenergetičnihustanovok |