The influence of the design of the stator winding of a synchronous-reactive generator on increasing its energy efficiency

Abstract

Introduction. Increasing the energy efficiency of electric generators is a pressing task for various areas of energy, in particular for autonomous systems and transport. Synchronous-reactive generators (SRGs) are becoming increasingly widespread due to their simple design, absence of magnets and mechanical contacts, and high reliability. The task of the proposed work is to study the influence of the design of the double winding of the stator of a SRG on its energy characteristics, determine the optimal parameters of the mutual arrangement of the windings, and develop recommendations for increasing the generator efficiency. Goal. Analysis of the influence of the design of the double winding of the stator of a SRG on the output energy characteristics and determine recommendations when designing this type of electrical machines. Methodology. The analysis was carried out using numerical modeling by the finite element method in the ANSYS Maxwell environment. Various options for the mutual arrangement of the main and excitation windings in the generator stator were considered. Results. The influence of the single-layer and double-layer winding design on the output characteristics of the generator was studied. It was found that a two-layer arrangement with a phase shift of 2 slots provides minimal torque ripple, improves the stability of the generator operation and helps to increase the efficiency to 92.5 %. Scientific novelty. For the first time, the effect of the phase shift of the windings on electromagnetic processes in the SRG has been studied in detail, which allows optimizing its design and improving operational performance. Practical value. The results can be used in the design of new generators with improved characteristics for use in wind power, diesel generator sets and autonomous electrical systems. References 19, table 1, figures 12.

-

Вступ. Підвищення енергоефективності електричних генераторів є актуальною задачею для різних сфер енергетики, зокрема для автономних систем та транспорту. Синхронно-реактивні генератори (СРГ) завдяки простій конструкції, відсутності магнітів та механічних контактів, а також високій надійності набувають все більшого поширення. Задача даної роботи полягає у дослідженні впливу конструкції подвійної обмотки статора СРГ на його енергетичні характеристики, визначенні оптимальних параметрів взаємного розташування обмоток та розробці рекомендацій для підвищення ефективності генератора. Мета. Аналіз впливу конструкції подвійної обмотки статора СРГ на вихідні енергетичні характеристики та визначення рекомендацій при проєктуванні такого типу електричних машин. Методологія. Аналіз проводився за допомогою чисельного моделювання методом скінченних елементів у середовищі ANSYS Maxwell. Розглянуто різні варіанти взаємного розташування головної та збуджуючої обмоток у статорі генератора. Результати. Досліджено вплив одношарової та двошарової конструкції обмотки на вихідні характеристики генератора. Встановлено, що двошарове розташування з фазовим зміщенням на 2 пази забезпечує мінімальні пульсації крутного моменту, покращує стабільність роботи генератора та сприяє підвищенню ККД до 92,5 %. Наукова новизна. Вперше детально досліджено вплив фазового зміщення обмоток на електромагнітні процеси в СРГ, що дозволяє оптимізувати його конструкцію та покращити експлуатаційні показники. Практична значимість. Результати можуть бути використані при проєктуванні нових генераторів з покращеними характеристиками для застосування у вітроенергетиці, дизельних генераторних установках та автономних електричних системах. Бібл. 19, табл. 1, рис. 12.