Design of a high-power density microgenerator for a steam-driven microturbine

Abstract

Abstract : In this research project, a microgenerator that is to be integrated with a high-temperature (500 degrees C) steam microturbine was designed. As part of the realization of a microturbogenerator, a Rankine microturbine is being developed at the University of Sherbrooke. This microturbine has great potential for portable power applications such as providing power to sensors and actuators due to its high-power density. The operation of this microturbine has been shown for elevated temperatures. To reach project maturity and demonstrate mechanical energy conversion into electricity, a microgenerator needs to be designed and integrated with the Rankine microturbine. More precisely, the objective of this research project is to design a microgenerator that can deliver at least 1 W of electrical power and that has an efficiency, at minimum, of 50%. This microgenerator will need to respect the dimensions of the microturbine (2mm radius) and its rotor will be subjected to temperatures of 500 degrees C. Initially, several different microgenerator concepts and topologies were studied in order to determine project feasibility. These generators were examined in terms of power density, high-temperature compatibility and implementation of power electronics. Of all the studied generator types, the permanent magnet generator (with the magnets located in the rotor) had the highest power output. However, exposing the permanent magnets to such elevated temperatures leads to several engineering problems, such as large differences between the coefficients of thermal expansion of the materials and the loss of remanence from the magnets. To alleviate these difficulties, the microgenerator conception consists of permanent magnets situated in the stator rather than the rotor and is more commonly known as a “flux-switching generator”. The final 3-phase design consists of 6 stator magnets, 6 stator coils, and 8 rotor segments that are responsible for switching the flux seen in the stator coils. COMSOL finite element simulations indicate that when the rotor is spinning at 1 MRPM, the final design has a power output of 2.2 ± 0.9 W, an efficiency of 65%, a variation of the axial force of 0.003 N and a cogging torque of 3.12x10-6 Nm. The resultant power density is approximately 120 MW/m3 which is an order of magnitude larger than a reported macro-scale turbine generator.

Dans ce projet de recherche, une microgénératrice qui doit être intégrée avec une microturbine à vapeur opérant à haute température (500 degrés C) a été conçue. Dans le cadre du projet de la réalisation d’une microturbogénératrice, une microturbine Rankine est actuellement en voie de développement à l’Université de Sherbrooke. Cette microturbine représente un grand potentiel pour l’alimentation des appareils portables, capteurs et actionneurs dû à sa haute densité de puissance. L’opération de cette microturbine a été démontrée pour des températures élevées. Cependant pour arriver à la maturité du projet et démontrer la conversion d’énergie mécanique en électricité, une microgénératrice doit être conçue et intégrée avec la microturbine Rankine. Plus précisément, l’objectif de ce travail de recherche est de concevoir une microgénératrice qui puisse fournir au minimum 1W de puissance électrique et avoir une efficacité d’au moins 50%. Cette microgénératrice devra respecter les dimensions de la microturbine (rayon de 2 mm) et son rotor devra être soumis à des températures de 500 degrés C. Initialement, plusieurs différents types de microgénératrices ont été examinés afin de mieux déterminer la faisabilité du projet. Les génératrices ont été étudiées en termes de densité de puissance, compatibilité thermique avec la microturbine et électroniques de puissances requises. Parmi tous les types de génératrice étudiés, la génératrice à aimants permanents (avec les aimants situés au niveau du rotor) offre la plus grande puissance électrique. Par contre, l’exposition des aimants permanents à de telles températures engendre plusieurs défis d’ingénierie, notamment des grands écarts entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux et la perte de rémanence des aimants. Pour contrer ces problèmes, la conception de la microgénératrice consiste en des aimants situés au stator au lieu du rotor et est mieux connu sous le nom d’un « alternateur à commutation de flux ». La conception finale consiste en 6 aimants statoriques, 6 bobines statoriques et 8 segments rotoriques qui ont comme fonction de commuter le flux dans les bobines statoriques. Les simulations par éléments finis (COMSOL) démontre qu’avec une vitesse de rotation de 1 MRPM, la microgénératrice conçue a une puissance de sortie de 2.2 ± 0.9 W, une efficacité de 65%, une variation de la force axiale de 0.003 N et un couple d’encochage de 3.12x10-6 Nm. La densité de puissance de cette génératrice est d’environ 120 MW/m3, ce qui est environ un ordre de grandeur plus élevée à celle d’un turbogénérateur macroscopique.