We present the design optimization of the magnetic pole and slot design options that minimize the cogging torque of permanent-magnet (PM) brushless generators for small wind turbine generators. Most small wind-turbines use direct-driven PM generators which have the characteristics of low speed and high efficiency. Small wind-turbines are usually self-starting and require very simple controls. The cogging torque is an inherent characteristic of PM generators, and is mainly caused by the generator's geometry. The inherent the cogging torque can cause problems during turbine start-up and cut-in in order to start softly and to run a power generator even when there is little wind power during turbine start-up. Thus, to improve the operation of small turbines, it is important to minimize the cogging torque. To determine the effects of the cogging torque reductions, we adjust the slot opening width, slot skewing, mounting method of magnets, magnet shape, and the opening and combinations of different numbers of slots per pole. Of these different methods, we combine the methods and optimized the design variables for the most significant design options affecting the cogging torque. Finally, we apply to the target design model and compare FEA simulation and measured results to validate the design optimization.
Kim, Hyunwook;Jung, Seungmin;Hwang, Pyeong-Ik;Yoo, Yeuntae;Song, Sungyoon;Jang, Gilsoo
Proceedings of the KIEE Conference
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2015.07a
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pp.247-248
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2015
Wind turbines causes instabilities on the grid as their penetration increase. To mitigate harmful effects from wind turbines, transmission system operator(TSO) set up some requirements to obligate for wind generation operator for grid connection. So wind farm management system(WFMS) has important role to follow requirement from TSO, WFMS calculates available real power by considering wake effects, and dispatches real power order to each wind turbine in wind farm to optimize for decreasing load fatigue. To verify operation of WFMS, real-time simulator(RTS) is necessary. This paper deals with RTS configuration to verify WFMS operation. RTS includes wind farm model and power flow code. Normally, wind farm equivalent simple model makes wind turbines in wind farm to one wind turbine mode which cannot verify power flow in wind farm and WFMS operation. Thus, this paper makes wind farm model using simple wind turbine model with transfer function. Matlab is used for make power flow code and wind farm model to impose RTS and those model is certified by PSCAD/EMTDC.
A general approach of aerodynamic optimization of tall buildings is presented in this paper, focusing on how to best compromise wind issues with other design aspects in the most efficient manner. The given approach is reinforced by establishing an empirical method that can quickly assess the across-wind loads and accelerations as a function of building frequencies, building dimensions, aspect ratios, depth-to-width ratios, and site exposures. Effects of corner modifications, including chamfered corner and recessed corner, can also be assessed in early design stages. Further, to assess the effectiveness of optimization by tapering, stepping or twisting building elevations, the authors introduce a method that takes use of sectional aerodynamic data derived from a simple wind tunnel pressure testing to estimate reductions on overall wind loads and accelerations for various optimization options, including tapering, stepping, twisting and/or their combinations. The advantage of the method is to considerably reduce the amount of wind tunnel testing efforts and speed up the process in finding the optimized building configurations.
Kim, Eun-Ryoung;Park, Rokjin J.;Lee, Dae-Geun;Kim, Jae-Jin
Atmosphere
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v.25
no.3
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pp.473-482
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2015
In this study, street canyons with a higher downwind building (so called, step-up street canyons) are considered for understanding characteristics of flow and reactive pollutants' dispersion as a basic step to understand the characteristics in wider urban areas. This study used a CFD_NIMR_SNU coupled to a chemistry module just including simple $NO_X-O_3$ photochemical reactions. First, flow characteristics are analyzed in step-up street canyons with four aspect ratios (0.33, 0.47, 0.6, 0.73) defined as ratios of upwind building heights to downwind building height. The CFD_NIMR_SNU reproduced very well the main features (that is, vortices in the street canyons) which appeared in the wind-tunnel experiment. Wind speed within the street canyons became weak as the aspect ratio increased, because volume of flow incoming over the upwind building decreased. For each step-up street canyon, chemistry transport model was integrated up to 3600 s with the time step of 0.5 s. The distribution patterns of $NO_X$ and $O_3$ were largely dependent on the mean flow patterns, however, $NO_X$ and $O_3$ concentrations were partly affected by photochemical reactions. $O_3$ concentration near the upwind lower region of the street canyons was much lower than background concentration, because there was much reduction in $O_3$ concentration due to NO titration there. Total amount of $NO_X$ in the street canyons increased with the aspect ratio, resulting from the decrease of mean wind intensity.
Park, Min-Woo;You, Jang-Youl;Sohn, Young-Moo;You, Ki-Pyo
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.18
no.1
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pp.117-125
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2018
Recently, various building integrated wind power (BIWP) approaches have been used to produce energy by installing wind power generators in high-rise buildings constructed in urban areas. BIWP has advantages in that it does not require support to position the turbine up to the installation height, and the energy produced by the wind turbine can be applied directly to the building. The accurate evaluation of wind speed is important in urban wind power generation. In this study, a wind tunnel test and computational fluid dynamics (CFD) analysis were conducted to evaluate the wind speed for installing wind turbines between buildings. The analysis results showed that the longer the length of the buildings, which had the same height, the larger the wind speed between the two buildings. Furthermore, the narrower the building's width, the higher the wind velocity; these outcomes are due to the increase in the Venturi effect. In addition, the correlation coefficient between the results of the wind tunnel test and the CFD analysis was higher than 0.8, which is a very high value.
We have investigated coarse wind sectors in Busan metropolitan area and simulated detailed wind field using local atmospheric circulation model, RAMS in preceding studies (Part I, Part II). In this study, we divided and analyzed local wind sector in Busan according to the preceding results. We found that Busan metropolitan area is divided into 2 or 3 local wind sector in each coarse wind sector. The 9 coarse wind sectors were classified into 20 local wind sectors in total. But three local wind sectors were finally excluded because of these sectors were located on the complex hill area and the sea. Local wind sectors, therefore, in Busan metropolitan area were defined as 17 regimes. We assessed the location of air qualify monitoring sites at Busan metropolitan area using the information of these wind sectors. Most of these were located at proper points, but 6 sites were placed at 3 local wind sectors as a couple and no site was set up at 3 other sectors. Hence the location of these sites was in need of rearrange.
A novel approach is presented to improve dynamic responses of a pedestrian bridge by utilizing decorative wind chimes. Through wind tunnel tests, it was verified that wind chimes can provide stabilization effects against flutter instability, especially at positive or negative wind angles of attack. At zero degrees of angle of attack, the wind chimes can change the flutter pattern from rapid divergence to gradual divergence. The decorative wind chimes can also provide damping effects to suppress the lateral sway motion of the bridge caused by pedestrian footfalls and wind forces. For this purpose, the swing frequency of the wind chimes should be about the same as the structural frequency, which can be achieved by adjusting the swing length of the wind chimes. The mass and the swing damping level are other two important and mutually interactive parameters in addition to the swing length. In general, 3% to 5% swing damping is necessary to achieve favorite results. In the study case, the equivalent damping level of the entire system can be increased from originally assumed 1% up to 5% by using optimized wind chimes.
To investigate the effects of "sudden change" of wind fluctuations on vehicle running performance, which is caused by the artificial discrete simulation of wind field, a three-dimensional vehicle model is set up with multi-body dynamics theory and the vehicle dynamic responses in crosswind conditions are obtained in time domain. Based on Hilbert Huang Transform, the effects of simulation separations on time-frequency characteristics of wind field are discussed. In addition, the probability density distribution of "sudden change" of wind fluctuations is displayed, addressing the effects of simulation separation, mean wind speed and vehicle speed on the "sudden change" of wind fluctuations. The "sudden change" of vehicle dynamic responses, which is due to the discontinuity of wind fluctuations on moving vehicle, is also analyzed. With Principal Component Analysis, the comprehensive evaluation of vehicle running performance in crosswind conditions at different simulation separations of wind field is investigated. The results demonstrate that the artificial discrete simulation of wind field often causes "sudden change" in the wind fluctuations and the corresponding vehicle dynamic responses are noticeably affected. It provides a theoretical foundation for the choice of a suitable simulation separation of wind field in engineering application.
As a new kind of construction facility for high rise buildings, the integral steel platform scaffold system (ISPS) consisting of the steel skeleton and suspended scaffold faces high wind during the construction procedure. The lattice structure type and existence of core tubes both make it difficult to estimate the wind load and calculate the wind-induced responses. In this study, an aeroelastic model with a geometry scale ratio of 1:25 based on the ISPS for Shanghai Tower, with the representative square profile, is manufactured and then tested in a wind tunnel. The first mode of the prototype ISPS is a torsional one with a frequency of only 0.68 Hz, and the model survives under extreme wind speed up to 50 m/s. The static wind load and wind vibration factors are derived based on the test result and supplementary finite element analysis, offering a reference for the following ISPS design. The spacer at the bottom of the suspended scaffold is suggested to be long enough to touch the core tube in the initial status to prevent the collision. Besides, aerodynamic wind loads and cross-wind loads are suggested to be included in the structural design of the ISPS.
Large-span cantilevered roof represents a unique type of structure that is vulnerable to wind loads. Inspired by the need to maximumly reducing the rooftop wind loads, this study examined the feasibility of positioning vented slots on the leading edge, and the effectiveness of such aerodynamic mitigation measures are assessed via both physical and numerical simulations. The reliability of numerical simulation was evaluated via comparisons with the wind tunnel tests. The results indicated that, the variation of venting hole arrangement can cause significant change in the rooftop wind load characteristics. For the cases involved in this study, the maximum reduction of mean and peak wind suction coefficients are found to be 9% and 8% as compared to the original circular slot without venting holes. In addition, the effect of slot shape is also evident. It was shown that the triangular shaped slot tends to increase the wind suction near the leading edge, whereas the hexagonal and octagonal shaped slots are found to decrease the wind suction. In particular, with the installation of octagonal shaped slot, the maximum reduction of wind suction coefficients near the leading edge reaches up to 31% as compared to the circular shaped slot, while the maximum reduction of mean wind suction coefficients is about 30%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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