Numerical and experimental validation of multi-physics design models for axial flux permanent magnet wind generator

摘要

An Axial Flux Permanent Magnet synchronous (AFPM) generator dedicated to small wind turbine is presented. Hence, the investigation of electromagnetic performance is done using quasi-3D analytical model based on multi-slice 2D analytical solution of Maxwell equations coupled sequentially to thermal model and mechanical model for rotor thickness study and vibration behaviour. The manufactured prototype has 10 kW rated power and operates at 375 rpm. This three-phase direct drive generator has double-stator-single-rotor configuration with 20 poles, 24 slots and modular windings. Experimental results such as Electromotive Forces (EMF) and inductances are agreed with those obtained from analytical simulation; both of them have been satisfying the desired technical specifications.%L 'objectif de ce travail est de présenter un outil de conception analytique multi-physique pour la modélisation d'une génératrice synchrones à aimants permanents à flux axial. Cette approche est basée principalement sur la méthode de résolution formelle des équations de Maxwell. L'analyse des performances électromagnétiques de la machine est réalisée à l'aide d'un modèle analytique quasi-SD basé sur la technique multicouche. Cette analyse est couplée à la fois à une étude mécanique portant essentiellement sur le rotor et à un modèle thermique utilisant la méthode nodale. Afin d'évaluer la pertinence de cette approche multiphysique, un prototype de 10 kW fonctionnant à 375 tr/min est construit. Ce générateur discoïde triphasé à rotor interne à entraînement direct dispose de 20 pôles, 24 encoches et d'un bobinage dentaire. Les mesures expérimentales des grandeurs globales telles que la force électromotrice (FEM) et les inductances valident bien les modèles théoriques, à savoir le modèle éléments finis et le modèle analytique.