Thesis (Ph.D.)--University of Western Sydney, Nepean, 1995. / Includes bibliography.

Thesis (M.Sc (Hons)) -- University of Western Sydney, Nepean, 2000. / "Submitted for the degree of Master of Engineering (Hons), School of Mechatronic, Computer & Electrical Engineering, University of Western Sydney, Nepean" Includes bibliographical references (leaves 107-114).

Thesis (M.S.)--Cleveland State University, 2010. / Abstract. Title from PDF t.p. (viewed on June 3, 2010). Includes bibliographical references (p. 118-120). Available online via the OhioLINK ETD Center and also available in print.

Thesis (M.Eng.)--Memorial University of Newfoundland, 2003. / Bibliography: leaves 121-132. Also available online.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2006. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 140-147).

Οι σύγχρονες αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις καθώς και η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που κάνουν τα αιολικά συστήματα να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά συστήματα αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ανάλογα με την τεχνολογία που εφαρμόζουν χωρίζονται σε επιμέρους κατηγορίες. Στη παρούσα εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Η απήχηση της ΣΜΜΜ στα αιολικά συστήματα διαρκώς αυξάνει. Αυτό οφείλεται κυρίως στην απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, δακτυλιοφόρου δρομέα και εξωτερικής διεγέρσεως, που προσφέρουν οι μηχανές αυτές. Πράγμα που σημαίνει αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση. Στην εργασία αυτή θα μοντελοποιήσουμε και θα προσομοιώσουμε, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, το αιολικό σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Στο σύστημα αυτό θα εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου που μεγιστοποιεί την παραγόμενη ενέργεια ρυθμίζοντας κατάλληλα τις στροφές της μηχανής. Τέλος, θα παραθέσουμε τα αποτελέσματα μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και θα εξάγουμε ορισμένα συμπεράσματα. / Today’s increased energy needs and the increasing environmental pollution are the main reasons which make wind systems more usable in electric energy production. Wind systems use the kinetic energy of the wind. Depending on the technology they apply, they are divided into certain categories. In the present project we will study a varying speed wind system which uses a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The popularity of the PMSG in wind systems is continuously increasing. This is mainly due to the absence of gear box, wound rotor and external excitation which offer such machines. This means increased reliability and efficiency. In this project we will model and simulate, in Matlab/Simulink environment, the wind system described above. In this system we will apply a control strategy which maximizes the produced energy by regulating appropriately the speed of the machine. Finally, we will demonstrate the results among with a brief comment and we will extract some conclusions.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της σύγχρονης μηχανής αξονικής ροής με μόνιμους μαγνήτες, που προορίζεται να λειτουργήσει σε ανεμογεννήτρια, μέσω της δημιουργίας του αντίστοιχου τρισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της εργασίας είναι η σχεδίαση και η εξομοίωση του μοντέλου στις τρεις διαστάσεις μέσω του λογισμικού της OPERA 3D. Τα δεδομένα, προκειμένου να επιτευχθεί η σχεδίαση της μηχανής, προέκυψαν έπειτα από ακριβή διαδικασία διαστασιολόγησής της αξιοποιώντας τις θεωρητικές σχέσεις που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, περιγράφουν τη λειτουργία της. Η δομή της διπλωματικής εργασίας διαρθρώνεται ως εξής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στο θέμα της αιολικής ενέργειας σε σχέση με την αξιοποίησή της τόσο σε εγχώριο όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο, καθώς επίσης και μια παράθεση στοιχείων που αφορούν τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο λειτουργίας των ανεμογεννητριών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διερεύνηση της βέλτιστης τοπολογίας σύγχρονης μηχανής αξονικής ροής που φέρει μόνιμους μαγνήτες για χρήση σε ανεμογεννήτρια. Η διερεύνηση γίνεται ως προς τη διάταξη δρομέα – στάτη, το τύλιγμα και τους μαγνήτες της μηχανής. Συνεχίζοντας, στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση της συγκεκριμένης μηχανής και η βήμα προς βήμα διαδικασία της διαστασιολόγησής της. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να διευκρινιστεί ότι το περιεχόμενο αυτού του κεφαλαίου είναι αποτέλεσμα συνεργασίας με τη φοιτήτρια του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών Αγγελίνα Ιωάννου, της οποίας η Διπλωματική Εργασία είναι παρόμοιου θέματος με αυτό της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη θεωρητική προσέγγιση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων και μια εισαγωγή στον τρόπο λειτουργίας του λογισμικού της OPERA 3D. Στο πέμπτο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο που σχεδιάστηκε το μοντέλο στην OPERA 3D. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις εξομοιώσεις του μοντέλου στην OPERA 3D οι οποίες περιλαμβάνουν: • Στατική γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη • Στατική μη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη • Στατική γραμμική ανάλυση της τοπολογίας μονού δρομέα – μονού στάτη • Στρεφόμενη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη εν κενώ • Στρεφόμενη γραμμική ανάλυση της τοπολογίας διπλού δρομέα – μονού στάτη για διάφορα φορτία / The subject of this thesis is the research of a permanent magnet axial flux synchronous machine, which is intended to operate in a wind turbine, through finite element analysis. The purpose of this thesis is the design and the simulation of the model in three dimensions using the software OPERA 3D. The data we needed, in order to achieve the design of the machine, were results of a detailed process of sizing with the use of all the theoretical relationships that, according to the literature, describe machine’s operation. This thesis is structured as follows. The first chapter is a brief reference to the issue of wind energy in relation to its use both in Greece and abroad, as well as a quote data concerning the characteristics and operation of wind turbines. The second chapter presents the investigation of the optimal topology of a permanent magnet axial flux synchronous machine used in wind turbines. The investigation includes the rotor – stator order, the winding and the magnets of the machine. Continuing, the third chapter presents the theoretical analysis of this machine and the step by step process of sizing. It should be noted that the content of this chapter is the result of cooperation with the student of the Department of Electrical and Computer Engineering in the University of Patras, Aggelina Ioannou whose thesis subject is similar to that of this thesis. The fourth chapter is a brief theoretical approach to the finite element method and an introduction to the way the software OPERA 3D operates. The fifth chapter provides basic information about how the model was designed to OPERA 3D. Finally, the sixth chapter presents the results obtained from simulations of the model in OPERA 3D which include: • Static linear analysis of the double rotor – single stator topology • Static non linear analysis of the double rotor – single stator topology • Static linear analysis of the single rotor – single stator topology • RΜ linear no load analysis of the double rotor – single stator topology • RΜ linear load analysis of the double rotor – single stator topology

Les aimants NdFeB sont les aimants les plus puissants que l’on peut trouver actuellement sur le marché. Leurs propriétés exceptionnelles proviennent des propriétés intrinsèques de la phase Nd2Fe14B mais également de la microstructure imposée par le mode d’élaboration. Ces aimants sont généralement réalisés par frittage avec phase liquide à partir d’une poudre monocristalline préalablement orientée sous champ magnétique. Cette voie permet d’obtenir une microstructure à grains fin découplés magnétiquement les uns des autres par une fine couche de phase riche en néodyme, dont la distribution est optimisée après un recuit à une température donnée. Pour une utilisation dans des moteurs et générateur électriques, il est courant d’ajouter du dysprosium pour conserver une coercitivité suffisante à la température de fonctionnement. Mais ce gain de coercitivité se fait au détriment de l’induction rémanente et du coût de l’aimant de par la rareté du dysprosium. Il est donc nécessaire de pouvoir s’affranchir de son utilisation par une meilleure compréhension des liens entre le procédé d’élaboration et la microstructure du matériau, afin d’optimiser les propriétés magnétiques finales.Cette thèse s’intéresse tout d’abord au frittage d’aimants NdFeB pour une nuance du commerce et donc fortement alliée. La forte anisotropie de retrait lors de la densification n’est pas clairement expliquée dans la littérature et son interprétation peut apporter un éclairage sur les propriétés magnétiques. Le frittage a ainsi été étudié à l’aide d’essais de dilatométrie dans la direction d’orientation de la poudre ainsi que dans la direction transverse. Le frittage a également été interrompu à différents moments et la microstructure analysée. Des analyses d’images ont permis de comprendre, à l’aide d’un modèle analytique du frittage, qu’une partie de l’anisotropie de retrait s’expliquait par une distribution anisotrope des surfaces de contact entre les grains de poudre, issue de l’étape d’orientation sous champ. Cette analyse a été confirmée par des simulations par éléments discrets.Le deuxième volet de la thèse s’intéresse au rôle des éléments d’alliage les plus couramment rencontrés dans les aimants hors dysprosium. Le rôle de l’aluminium, du cobalt et du cuivre sur les propriétés magnétiques a été examiné en étudiant une vingtaine de compositions simplifiées avec des quantités d’éléments d’alliage voisines des valeurs que l’on retrouve dans les aimants du commerce. Les différents échantillons ont été recuits à des températures déduites d’essais DSC. Les résultats montrent que ces trois éléments d’alliage agissent de manière croisée sur la coercitivité. Au-delà de la mesure de coercitivité, l’évolution de la forme de la courbe de désaimantation en fonction de la composition et de la température de recuit apporte des informations importantes sur l’action des éléments d’alliage sur la microstructure. / NdFeB hard magnets are the most powerful magnets commercially available. Their outstanding properties originate from Nd2Fe14B intrinsic properties and from the microstructure imposed by the manufacturing process. These magnets are generally obtained by liquid phase sintering of an oriented monocrystalline powder which enables a microstructure made of grain magnetically decoupled by a thin neodymium-rich layer which is optimally distributed in the magnet after a low temperature annealing. For them to be used in electrical engines and generators, dysprosium is usually added so that the coercivity is high enough at the working temperature. But dysprosium is rare and expensive and lowers the remnant induction. It is therefore important to get free of its usage by a better understanding of the links between the manufacturing process and the microstructure, so that the final magnetic properties can be optimized.First, this thesis deals with NdFeB sintering on an alloyed commercial grade. The high shrinkage anisotropy during densification is not clearly explained and its interpretation could bring information on the magnetic properties. Dilatometric studies have been performed along orientation direction as well as along the transverse direction. Sintering has been interrupted at different times and the microstructure was observed. Image analysis has enabled to understand, thanks to an analytical model, that a part of the anisotropy could be explained by an anisotropic contact orientation distribution, originating from the magnetic orientation step. Discrete element modelling has confirmed this approach.The second part of the thesis deals with the role of the most commonly used alloying elements on the magnetic properties: aluminum, cobalt and copper. Around twenty different model grades were examined with composition close to the ones of commercial magnets. After having been sintered, the samples were annealed at temperatures deduced from DSC measurements. Results show that the three elements have cross effects on coercivity. Beyond coercivity, demagnetizing curve shape is sensitive to the composition and annealing temperature and gives important information on the role of the alloying elements on the microstructure.

A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado. / A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado.

A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado. / A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado.