Analysis of multipolar generators operating efficiently in low-speed water and wind flows using ansys maxwell program

Fig. 1. Three-phase current. 

 

Fig. 2. Phase and line voltage. 

 

Fig. 3. Phase and line voltage. 

 

Fig. 4. Torque between stator and rotor teeth. 

When  these  values  were  calculated  using  the 

formulas  currently  used  in  the  design  of  electrical 

machines,  they  were  found  to  correspond  to  the  values 

obtained in Maxwell program. 

3.2  Analysis of an axial generator with 

permanent magnets in the Ansys Maxwell 

program 

In  the  experimental  laboratory  of  alternative  energy 

sources  of  the  Bukhara  Engineering-Technological 

Institute, a generator that works effectively at low water 

turns  has  been  designed.  The  main  advantage  of  the 

developed generator is that it can deliver voltage even at 

low  rotation  speeds.  This  result  was  achieved  by 

increasing  the  number  of  pairs  of  generator  poles.  The 

generator has 16 pole pairs, consisting of 32 permanent 

magnets, and these magnets are located on the upper and 

lower rotors. (Figure 5) There is a fixed stator between 

the two rotors. The stator winding is three-phase, 4 coils 

in each phase. The stator windings can be connected in 

two ways: star or delta. 

The magnetic flux generated in the generator depends 

on the size of the permanent magnets and the magnetic 

induction  [10,  11].  This  expression  is  defined  by  the 

following formula: 

 

 

(3) 

The ELC formed in the generator rings is determined 

by the following relationship [12]: 

 

  (4) 

where: the number of even poles of permanent magnets; 

the  number  of  turns  in  one  phase;  fill  factor  (0.95); 

number  of  packages in  one package;  the  rotation  speed 

of  the  magnetic  field;  permanent  magnet  width; 

permanent  magnet  length;  the  value  of  the  magnetic 

induction between two air magnetic gaps. 

 

𝑝𝑝 − 𝑞𝑞 − k

w

− 𝑁𝑁 − 𝑛𝑛 − W

m

− 𝐿𝐿

m

− B

g

− 

(5) 

The  magnetic  flux  density  is  explained  based  on 

Kirchhoff's law of airspace and magnetic circuit: 

 

  (6) 

 

  (7) 

The  saturation  factor  of  the  magnetic  circuit  is 

determined from the following expression [13-15]: 

 

  𝑘𝑘

𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

= 1 +

𝑙𝑙

𝐹𝐹𝐹𝐹

2?

𝑟𝑟

(𝑔𝑔+0,5𝑑𝑑)

       

(8) 

where:  induction  of  permanent  magnet,  height  of 

permanent magnet, magnetic field strength of permanent 

magnet, distance between stator and permanent magnet, 

stator layer thickness. 

The  electromotive  force  generated  in  the  generator 

depends on  the  induction of  the  permanent  magnet  and 

the length of the coil in the magnetic field, as well as the 

speed of the rotor around the stator [16,17]: 

3

E3S Web of Conferences 288, 01057 (2021) https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128801057

SUSE-2021

---

 

 

2

(2

)

g

g

x

g

E lB v

dE B vdr

v v

rn

dE B

rn dr





=

=

=

=

=

 

(9) 

Before  producing  generators  working  effectively  in 

low  speed  water  flow,  this  generator  is  theoretical  and 

research  is  done  by  creating  a  computer  virtual  model 

[18,19]. If the research is successful, this generator can 

be used in production. The Ansys Maxwell program has 

great  potential  in  generator  design,  virtual  model 

creation  and  research  on  this  virtual  model.  This 

program  allows  testing  objects  in  an  electromagnetic 

field.  In  addition,  for  the  convenience  of  the  user,  the 

program  offers  more  than  a  dozen  models  of  electrical 

machines  [20-22].  By  resizing  the  finished  models,  we 

can create a virtual model of the generator we need. 

 

 

 

a) 

b) 

c)