In this thesis, it is aimed to design a high torque density generator for a variable speed, direct drive wind turbine application. Such a generator may reduce the size of the turbine tower and the nacelle and may provide cost advantage. For this purpose, various topologies of the permanent magnet machines in the literature are reviewed. Among the reviewed electrical machines, a magnetically geared machine introduced as a concept with high torque density and high power factor is chosen to be evaluated for the desired application. First, chosen machine is modeled using combination of analytic and Finite Element methods. Finite Element method is utilized to estimate average value of the air gap flux density and analytic method is used for calculating main dimensions and geometrical parameters of the generator. Furthermore, existing analysis methods for this type of machine performance is modified as necessary, to calculate the generator performance including its losses and efficiency. In order to achieve the highest possible torque density and minimize generator mass, an optimization procedure is developed for the proposed design process. The developed model is used to optimize the generator for a 50 kW, 60 rpm wind turbine application. A conventional surface-mounted Radial Flux Permanent Magnet (RFPM) generator is also designed and optimized for the same application as a reference of comparison to understand whether any advantage can be obtained using magnetically geared generator. The magnetically geared and RFPM generators are optimized in the terms of their active materials mass, first. The optimization results reveal that the active materials mass is not the best objective function for comparing relative merits of the two types of generators as the frame contributes significantly to the overall mass of generators.An analytic model is presented to design structural geometry and obtain structural mass of both types of generators. Next the structural mass of both types of generators is taken into account in the optimization procedure to identify relative advantage of each type. The results indicate that by using proposed magnetically geared generator the total mass of the generator of a direct drive wind turbine system can be reduced by half. However, the magnetically geared generator has lower power factor implying that current rating of the power converter is increased. As a consequence while the generator cost is reduced the cost of the converter increases.

Bu tezde, bir değişken hız, direkt sürüşlü rüzgar türbini uygulaması için yüksek tork yoğunluğu jeneratör tasarımı amaçlanmıştır. Böyle bir alternatör, türbin kulesini ve kabinini ufaltabilir ve maliyet avantajı sağlayabilir. Bu amaç için, literatürde daimi mıknatıslı makineler için önerilen çeşitli topolojiler incelenmiştir. Gözden geçirilen elektrik makinaları arasında, yüksek tork yoğunluğu ve yüksek güç faktörüne sahip bir seçenek olarak tanıtılan bir manyetik dişli bir motor yapısı, istenen uygulama için değerlendirilmek üzere seçilmiştir.İlk olarak, seçilen makine analitik ve `sonlu elemanlar` (Finite Element) yöntemlerinin kombinasyonu kullanılarak modellenmiştir. Sonlu Elemanlar yöntemi hava boşluğu akı yoğunluğu ortalama değerini tahmin etmek için kullanılmış ve analitik yöntem makinanın ana boyutlarını ve jeneratör geometrik parametrelerinin hesaplanması için kullanılmıştır. Ayrıca, makine performansı hesabı için, mevcut analiz yöntemleri, alternator kayıplarını ve verimliliğini, hesaplayabilmek için gereken şekilde değiştirilmiştir. Mümkün olan en yüksek moment yoğunluğu elde etmek ve jeneratör kütlesini en aza indirmek için, bir optimizasyon prosedürü önerilen tasarım işlemi için geliştirilmiştir. Geliştirilen model, 50 kW, 60 d/d bir rüzgar türbini alternatörünü optimize etmek için kullanılmıştır.Geleneksel yüzeye monte edilen Radyal Akılı Daimi Mıknatıs alternatör de aynı uygulama için tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Sonra Radyal Akı Daimi Mıknatıs jeneratör bir referans olarak manyetik dişli jeneratör ile karşılaştırılmıştır.Manyetik dişli ve Radyal Akılı Daimi Mıknatıs jeneratörler önce aktif maddelerinin kütlesini en azlamak açısından optimize edilmiştir. Optimizasyon sonuçları aktif maddelerin kütlesini en iyi amaç fonksiyonu olmadığını ortaya koymuştur. Çünki taşıyıcı gövde kütlesinin alternatör toplam kütlesinde önemli katkıya sahıp olduğu anlaşılmıştır.Tezde her iki tip alternatörün gövde tasarımı için analitik bir model sunulmuştur. Bu model kullanılarak her iki tip alternatörün taşıyıcı gövde tasarımını da dikkate alan bir optimizasyon prosedürü geliştirilmiştir. Optimizasyon sonuçları, önerilen manyetik dişli alternatörü kullanarak, direkt sürüşlü rüzgar türbini sistemide kullanılacak alternatörün toplam kütlesinin yarı yarıya azaltılabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, manyetik dişli alternatorün düşük güç faktörü nedeni ile daha yüksek güçlü bir frekans dönüştürücüye ihtiyaç duyacağı seçim yaparken dikkate alınmalıdır.