グリーンエネルギーまたはクリーンエネルギーとも呼ばれる再生可能エネルギーは、短期間で再生し、枯渇することのない自然のプロセスに由来します。最も一般的な再生可能エネルギー資源は、バイオマス、地熱、水力、太陽光、風力です。基本的に、クリーン エネルギーの生産は、環境負債の創出にはつながりません。さらに、このエネルギーの生産に使用される技術は、汚染が少ないか、まったく汚染されませんが、簡単に更新できない資源も利用しません。
再生可能エネルギーは米国でどのような役割を果たしていますか?
1800 年代半ばまで、木材は、米国の暖房、調理、照明のすべてのニーズを満たす主要なエネルギー源でした。産業革命の後、新しいエネルギー源とともに新しい製造プロセスが移行しました。第一に、化石石炭は長い間主要なエネルギー供給源でした。その後、石油と天然ガスの発見後、使用されるエネルギー資源ガスの地図は再び変化しました。最近では、原子力、水力発電、および再生可能エネルギーが、米国のエネルギー配分においてより多くのスペースを獲得しました。図 1 は、1700 年から現在までの米国の主要なエネルギー源によるエネルギー消費の変化を示しています [1]。
図 3 -米国におけるエネルギー消費の推移
図 2 から、再生可能エネルギーは約 11,000 兆英国熱量単位 (Btu) を生み出しました。これは、米国の総エネルギー需要の 11% に相当します。米国の再生可能エネルギー消費の約 57% は電力部門によるものであり、米国の発電の約 17% は再生可能エネルギー源によるものでした [1]。
再生可能エネルギーは、温室効果ガスの排出を削減する上で重要な役割を果たします。再生可能エネルギーを使用すると、米国の主要な二酸化炭素排出源である化石燃料の使用を削減できます。
州および連邦政府の奨励により、再生可能エネルギーの使用は 2000 年から 2017 年にかけて 2 倍以上になりました。米国エネルギー情報局は、米国の再生可能エネルギー消費は 2050 年まで増加し続けると予測しています。
図 2 -エネルギー源別の米国のエネルギー消費
上の図に示すように、風力エネルギーは再生可能エネルギー全体の 4 分の 1 以上を占めています。風はクリーンで、無料で、すぐに利用できる再生可能エネルギー源です。毎日、世界中で、風力タービンが風力を捉えて電力に変換しています。この発電源は、私たちが世界に電力を供給する方法においてますます重要な役割を果たしています。これらの風力タービンは、三相軸流機械などの数種類の発電機を使用します。
EMS と SOLIDWORKS Motion を使用した風力タービン用 PM 軸流束発生器の設計とシミュレーション
永久磁石 (PM) 機械は、多くの用途や分野で他のタイプの電気機械に取って代わりつつあります。高エネルギー密度、PM 材料の高信頼性、優れた耐食性、および消磁効果は、PM 発生器の開発の増加の主な利点です。新しい PM 材料は、温度変化の影響を受けにくくなっています。風力発電機の設計と開発には、次のような主な要件が必要です。
より高い効率、損失と温度上昇の低減、複雑でないコマンド、および低コストを特徴とする最新のパワーエレクトロニクスは、システムのニーズに合わせて発電機の出力電圧と周波数を変更する可能性を提供します。 PM同期機、PM軸磁束発生器など、さまざまなPM機が風力エネルギーを変換するために使用されます。
この記事では、3 相 PM アキシャル フラックス マシンを解析します。このタイプのマシンは、コアを持っている場合とコアレスの場合があり、高効率、経済的、コンパクト サイズ、軽量などの多くの理由で使用されます。 [2] で、軸方向フラックス マシンの方が優れていることが示されています。ラジアル フラックス マシンと比較した結果。軸方向磁束発電機がより安価であることが発見されました.さらに、コアレス固定子を備えた軸方向磁束永久磁石発電機は、エネルギー生成システム用の高出力密度を持つ機械と見なされます[3]。
提案されたモデルを図 3 に示します。これは SOLIDWORKS CAD を使用して構築されています。固定子は、3 つの巻線フェーズを形成する 9 つのより線コイルで構成されています。各相は、合計 90 ターンの 3 つの直列コイルをグループ化しています。これは、ローターの 2 つの側面 (上側と下側) の間の機械の中間面に挿入されます。各ローター側は、12個の永久磁石とラミネート加工されたスチールコアで構成されています。表 1 は永久磁石に使用されるネオジム磁石 4212 の特性を示し、図 4 は回転子鉄心に使用される M-19 の BH 曲線を示します。
図 3 -シミュレートされた軸方向磁束発生器の 3D モデル。
表 1 - PM の材料特性 | 相対透磁率 | 残留磁束密度(テスラ) | 保磁力 (A/m) |
| N4212 | 1.205 | 1.35 | 891268 |
図 4 - M-19 の BH 曲線。 SOLIDWORKSモーションと連成
EMS は、SOLIDWORKS 内のプラグインとして、電磁界を SOLIDWORKS モーション解析と連成する機能を備えています。この連成は、機械的負荷と磁気負荷の両方を連成します。
発電機の場合、SOLIDWORKSモーションに連成されたEMS過渡モジュールを使用して、各フェーズでの誘導電圧を計算します。ローターは 1000rpm の速度で回転しています。
シミュレーションは 0.01 秒間実行されます。図 5 は、SOLIDWORKS モーション スタディを示しています。
図 5 - SOLIDWORKS モーション スタディ。 EMS は、シミュレートされたジオメトリを四面体要素でメッシュ化します。要素の総数は、寸法、モデル ジオメトリの形状によって異なります。 EMS では、特定のボディまたはサーフェスのメッシュ サイズを制御して、これらのゾーンの結果の精度を高めることができます。以下はメッシュモデルです。
図 6 -メッシュ モデル
結果
瞬間的な磁気結果は、EMS 過渡モジュールによって計算および生成されます。 EMS の過渡モジュールは、磁束、磁力とトルク、渦電流、電磁損失、誘導電圧、インダクタンスと抵抗行列などの瞬間的な磁気量を計算するために使用されます。 5.5ms での磁石内のモデル全体とベクトル プロット。ベクトル プロットは、PM の磁化方向を示しています。それらは軸方向に磁化されています。図 9 は、10ms での磁場プロットを示しています。図 10 と 11 には、それぞれ回転子の角変位と速度が含まれています。ローター速度は、値 1000 rpm で一定です。
図 7 - 55 ミリ秒での磁束密度のフリンジ プロット
図 8 - 55 ミリ秒での磁束密度のベクトル プロット
図 9 - 10ms での磁場強度プロット
図 10 -角変位
図 11 -角変位
図 12 は、時間に対する各フェーズでの誘導電圧を示しています。計算された信号は正弦波の形状をしています。誘導電圧曲線の最大値は 37V です。信号周波数は、1 フェーズの時間間隔を使用して計算されます。図 12 から抽出された時間は 0.008333 秒で、周波数は 120Hz になります。調査対象の軸方向磁束発生器の誘導電圧は、振幅=37 V、周波数=120 Hz の正弦波信号です。図 13 は、ロータ角度に対する鎖交磁束の結果を示しています。誘起電圧と同じ形をしています。各フェーズの抵抗は 0.45 オームです。コイルは撚り合わせられており（渦電流は無視されます）、使用されている鋼には導電性がないため、時間に対して一定です。静的インダクタンスは 0.146 H です。各相の動的インダクタンスを図 14 にプロットします。
図 12 -誘導電圧
図 13 -鎖交磁束対ローター角度
図 14 -動的インダクタンス
図 15 は、磁束密度対時間のアニメーションを示しています。
図 15 -時間に対する磁束密度のアニメーション
結論
需要が高いため、クリーンエネルギー源の開発と改善は急速に進んでいます。地球温暖化防止の主役です。これらのエネルギー源の中で、風は電気エネルギーを生成するために使用されます。陸上風力発電所と洋上風力発電所が設置され、風力を集めて電力に変換します。これらの風力タービンは、低コストで簡単な構造などの利点により、軸方向磁束発生器を装備できます。 EMS は、このようなの電気機械を解析および検討する高い能力を示しています。 SOLIDWORKSモーションとの連成により、電磁入力と機械入力を統合して、誘導電圧、動的インダクタンスと抵抗、速度、変位などの完全な結果を生成することができました。これにより、効率的な機械をより短時間で設計およびプロトタイプ化することができます。
参考文献
[1]: https://www.eia.gov/energyexplained/?page=renewable_home
[2]: Pop AA, Jurca F, Oprea C, Chirca M, Breban S, Radulescu, MM. Axial-flux vs. radial-flux permanent-magnet synchronous generators for micro-wind turbine application. In: 15th European conference power electronics and applications; 2014; p. 1–10.
[3]: Caricchi, F. Crescimbini, O. Honorati, G. Lo Bianco, E. Santini.Performance of coreless- winding axial-flux permanent-magnet generator with power output at 400 Hz, 3000 r/min. IEEE Trans Ind Appl, 34 (1988), pp. 1263-1269
