Design and Electromagnetic Analysis of a 15 MW Class Superconducting Wind Power Generator

15 MW급 초전도 풍력 발전기의 설계 및 전자기 해석

Abstract

A high-temperature superconducting(HTS) generators have been actively studied because of its advantages of weight, size, and efficiency. A large-scale superconducting wind power generator becomes a very low-speed high-torque rotating machine. In these machines, high electromagnetic force and torque are important issued. Two generators connected in series on one shaft design are one of the solution to overcome the high torque problem. In this paper, the authors design and analyze a 15 MW class HTS generator. The 15 MW HTS generator is confirmed in terms of magnetic field distribution and torque performance using a 3D finite element method. As a result, the designed generators generates less torque than a conventional generator. The designed 15 MW superconducting generator will be effectively utilized in the construction of the large-scale wind power generation system.

고온 초전도 (HTS) 발전기는 무게, 크기 및 효율의 장점 때문에 활발히 연구되어왔다. 대규모의 초전도 풍력 발전기는 매우 저속의 고토크 회전 기계이다. 이 기계에서는 높은 전자기력과 토크가 중요한 문제이다. 하나의 축에 직렬로 연결된 2개의 발전기는 고토크의 문제를 극복하기위한 하나의 해결 방안이 될 수 있다. 본 논문에서 저자는 15 MW 급 HTS 발전기를 설계하고 분석했다. 3D 유한 요소법을 사용하여 15 MW HTS 발전기의 자기장 분포 및 토크 성능을 확인하였다. 결과적으로 설계된 발전기는 기존의 발전기보다 적은 토크를 생성한다. 제시된 15 MW 초전도 발전기의 설계방식은 대용량 초전도 풍력 발전기의 제작에 있어 고토크로 인한 문제를 해결하는데 활용될 수 있다.

Fig. 1 Three blades wind turbine with a R_blade and the V_wind.

Fig. 2 Block Diagram of the 15 MW Single Generator

Fig. 3 Block Diagram of the 15 MW SCTG

Fig. 4 3D Structures of the Single Generator and SCTG

Fig. 5 Magnetic Field Distribution of the 15 MW Class Single Generator

Fig. 6 Magnetic Field Distribution of the 7.8 MW Single Generator

Table 1 Design Specifications of the Wind Turbine

Table 2 Specifications and FEM Analysis Results of the 15 MW Class Single Generator and the SCTG