Design of a High Speed Permanent Magnet Radial Flux Outer Rotor Generator

Abstract

Implementering av elektriske kraftsystemer for fremdrift av fly anses som en mulighet for å redusere karbonutslipp fra luftfart. Veien mot helelektriske fly krever utvikling og forbedring av elektriske komponenter med fokus på virkningsgrad og vekt. Siden lagring av elektrisitet forblir en utfordring grunnet lav energitetthet i relevante medier er hybridelektriske systemer ansett som et steg på veien mot utslippsfri drift. Motivert av utformingen av et slikt system har en høyhastighets permanentmagnet synkrongenerator for kraftproduksjon blitt designet for direkte kobling til en gassturbin. Med nominell ytelse på 2.5 MW og 15 000 rpm, utsettes maskinen for store sentrifugalkrefter som det må kompenseres for. Derfor er det her valgt å se på en ytreroterende elektrisk maskin.

Med en innledende analytisk tilnærming til en foretrukket geometri, påfulgt av implementasjon i programvare for beregninger ved hjelp av elementmetoden, er en modell av generatoren utviklet. De nominelle forholdene studeres med vekt på dreiemoment, spenning og effekt. Nødvendige forbedringer av designet er valgt på grunnlag av resultater fra simuleringer i programvare. Den høye hastigheten til maskinen gjør at utstrekningen i radiell retning er begrenset for å unngå tap.

Implementing electric power systems for propulsion in aircraft is seen as an enabler for future air travel with reduced carbon emissions. The path towards fully electric aircraft requires the development of enhanced electrical components with respect to efficiency and weight. As storage of electricity remains a challenge due to low energy density in relevant mediums, hybrid electric power systems are considered an intermediate step towards emission free operation. Motivated by the development of this type of system, a high speed permanent magnet synchronous generator for power production with direct coupling to a gas turbine is designed. With a rated performance of 2.5 MW at the high speed 15 000 rpm, the machine experiences large centrifugal forces whose effects should be mitigated. Therefore, the study of an outer rotor machine is selected.

With an initial analytical approach of a feasible geometry, followed by implementation in a software for finite element computations, the model of a generator is obtained. Its rated conditions are studied with emphasis on the general output of torque, voltage and power. Necessary improvements for the design are selected based on the FEM results. Due to high speed operation, the machine is required to have small radial extension in order to omit losses.