Design and analysis of a 2.5 MW Coreless Aero Generator for Hybrid-Electric Aircraft

Abstract

Denne avhandlingen presenterer design og analyse av en høyhastighets 2,5 MW spor- løs generator for bruk i hybrid-elektriske fly. De sporløse statorviklingene er basert på Alva Industries FiberPrinting-teknologi og består av fire galvanisk isolerte konsentriske viklingsringer. Luftfartsindustrien har strenge vektbegrensninger for komponentene i fremdriftssystemet. Generatoren må operere med en effekttetthet på minst 20 kW/kg for å oppfylle vekt kravet. For å begrense størrelsen og vekten til kjølesystemet, må generatoren operere med høy effektivitet. Generatoren ble simulert ved hjelp av 2D modellering i COMSOL. Komponentene i det hybrid-elektriske fremdriftssystemet ble også analysert. En litteraturstudie estimerte effektiviteten og vekten til komponentene, og basert på resultatene ble et systemspenningsnivå på 3 kV valgt. Effekten av å introdusere et filter for å redusere støy forårsaket av kraftelectronikken ble også studert.

Den sporløse generatoren på 2,5 MW oppnådde en effekttetthet på 24,38 kW/kg og en effektivitet på 99,5 % når effekten av støy fra kraftelektronikken ikke ble tatt med. Introduksjonen av overharmoniske strømmer påvirket magnettapene betydelig, som økte fra 0,130 til 3,845 kW. Effektiviteten til hybrid-elektriske fremdriftssystemet ble estimert til 97,1 % uavhengig av om et filter ble lagt til. Imidlertid la filteret til en vekt på 140 kg, noe som reduserte systemets effekttetthet fra 5,65 til 4,49 kW/kg.

Resultatene indikerer at en sporløs stator-topologi basert på Alva Industries FiberPrinting- teknologi kan oppnå de effekttettheter og effektiviteter som er nødvendige innen hybrid- elektrisk luftfart.

This thesis presents the design and analysis of a high-speed 2.5 MW coreless generator for use in hybrid-electric aircraft. The slotless stator windings are based on Alva Indus- tries FiberPrinting technology and consist of four galvanically isolated concentric winding rings. The aviation industry sets extreme weight restrictions for the components in the propulsion system. The generator should operate with a power density of at least 20 kW/kg to meet the weight requirement. To limit the size and weight of the cooling system, the generator must operate at high efficiency. The performance of the generator was evaluated through finite element analysis (FEA) in COMSOL. The components of the hybrid-electric propulsion system were analyzed. A literature review estimated the efficiency and weight of the components, and based on the results, a system voltage level of 3 kV was chosen. Finally, the effect of introducing a filtering component to reduce the current harmonics caused by the power electronic converters was studied.

The 2.5 MW coreless generator achieved a power density of 24.38 kW/kg and an efficiency of 99.5 % when excluding the effect of current harmonics. Introducing current harmonics significantly impacted the magnet losses, which increased from 0.130 to 3.845 kW. The efficiency of the hybrid-electric propulsion system was estimated to be 97.1 % regardless if a filter is added.

However, the filter added a weight of 140 kg, which reduced the power density of the system from 5.65 to 4.49 kW/kg. The results indicate that a slotless stator topology based on Alva Industries FiberPrinting technology can achieve the power densities and efficiencies needed in hybrid-electric aviation.