Mıknatıslı Alternatörler; Dış Rotorlu Sabit Mıknatıslı Alternatörlerin Küçük Ölçekli Rüzgar Enerjisi Uygulamaları İçin Avantajları
Dış rotorlu sabit mıknatıslı alternatör teknolojileri iç rotorlu Sabit Mıknatıslı alternatör teknolojilerine göre maliyet ve ağırlık yönünden daha avantajlıdır. Bu iddianın ıspatı için yapılan bir çalışmada; sabit Mıknatıslı alternatörlerin temel parametreleri sırasıyla hesaplanmış ve sonrasında, prototip modellere öncelikle sonlu elemanlar yöntemi ve tasarım ve simülasyon ilkeleri kullanılarak birleştirilmiş geçici elektromanyetik süreçler uygulanmıştır. Her iki modelden elde edilen simülasyon verileri karşılaştırılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. İncelenen tüm güçaralıklarında, aynı kalıcı mıknatıs (PM) geometrisi ve karakteristiği için iç rotorlu konfigürasyonu uygulayarak daha yüksek çıkış gücü ve torku elde etmek mümkündür. Ayrıca, dış rotorlu PM Alternatör konfigürasyonu, iç rotorlu PM Alternatör konfigürasyonundan daha üstündür ve aynı zamanda toplam ağırlık ve maliyeti Düşüktür.
Özellikle rüzgar enerjisi uygulamaları için, çok kutuplu sabit mıknatıslı alternatörler, küçük uygulamalarda çok çekici hale gelmiştir [1-3]. Sabit mıknatıslı senkron alternatörler (PMSG), küçük ölçekli rüzgar santralleri için en iyi çözümlerden biridir. Düşük hızlı çok kutuplu PM alternatörler bakım gerektirmez ve farklı iklim koşullarında kullanılabilir. Rüzgar-dizel, rüzgar-fotovoltaik, vb. gibi hibrit teknolojiler için PM alternatörlerini kullanmak mümkündür [4]. Rüzgar gücünü elektriğe dönüştürmek için birçok türde jeneratör konsepti pazarda sunulmuş ve kullanılmıştır [5]. Sunulan düşük hızlı rüzgar türbini alternatörlerinin çoğu sabit mıknatıslı makinelerdir. Bunlar, harici uyarmaya ihtiyaç duyulmadığı ve rotordan iletken kayıplarının ortadan kaldırıldığı için yüksek verim ve güvenilirlik avantajlarına sahiptir [6, 7]. Günümüzde gücü 20 kW’a kadar olan orta ölçekli rüzgar alternatörlerine talep her geçen gün artmaktadır. Uzak bölgelerde, jeneratör için temel gereksinimler kompaktlık ve sağlamlıktır. Rüzgâr türbinlerine doğrudan akuple edilen alternatörler, klasik dişli kutulu türbin jeneratörleriyle karşılaştırıldığında, tüm sistemin küçültülmesi, düşük bakım ve kurulum maliyeti, yük değişimi, rüzgar hızı ve üretilen voltaj arasındaki lineer korelasyon gibi birçok avantaja sahiptir.
Bu nedenle doğrudan tahrikli alternatörler normal frekans aralığında elektrik üretmek için çok düşük hızda çalışırlar [8]. Potansiyel olarak, sabit mıknatıslı alternatörler, alan akımı ve sargı kullanılmadığı için operasyonda yüksek verimlilik içeren basit ve sağlam bir yapı sunar [9–11]. Temel olarak, radyal akılı PM alternatörleri, hava boşluğundaki rotor yönüne göre dahili ve harici makinelere ayrılabilir. NdFeB gibi modern yüksek enerji yoğunluklu mıknatıs malzemelerinin mevcudiyeti, özel topolojiler tasarlamayı mümkün kılmıştır [6].
Genel bir değerlendirme olarak; dış rotorlu PM makine tipi yüksek armatür termal yüküne, bakır kaybına ve akım yoğunluğuna sahiptir. Daha yüksek kayıplara sahip olmasının nedeniyle daha düşük verimliliğe sahiptir. Ancak bu konfigürasyonlar daha küçük hacme, daha düşük maliyete ve kısa devre akımına sahiptir. Aynı PM geometrisine ve özelliklerine sahip iç rotorlu PM makine tipi daha yüksek çıkış gücüne sahiptir. Daha düşük yük direnci, armatür akım yoğunluğu, armatür termal yükü ve toplam kayıplar bu tip konfigürasyonun temel avantajlarıdır. Yüksek verimliliğe sahip olması bir diğer avantajıdır. Bu avantajların yanı sıra, bu konfigürasyon daha büyük hacme ve daha fazla maliyet değerine sahiptir. Dış rotorlu PM yapısı konfigürasyonu, iç rotorlu PM konfigürasyonundan daha üstündür. Dış rotorlu konfigürasyonu ayrıca daha düşük toplam ağırlığa ve maliyete sahiptir. İlkinin kurulum ve soğutma kolaylığı gibi avantajları da vardır. Bu nedenle dış rotor yapısı, küçük ölçekli ve düşük hızlı rüzgar enerjisi sistemlerinde uygulanmaya daha uygundur. Karşılaştırmaların çoğu için, düşük hızlı yapılar yüksek hızlı yapıya göre daha üstündür; bu da küçük, dişlisiz, düşük hızlı rüzgar sistemi uygulamasında çok kutuplu PM jeneratörlerinin tercih edildiği anlamına gelir.
