Mechanical Design of Electric Demonstrator Motor for E-Fan X Hybrid Aeroplane and a Study of Dynamics of Rotating Bodies

Abstract

Denne masteroppgaven er en fortsettelse av ett forprosjekt som ble fullført høsten 2019. Hovedaspektene ved oppgaven omhandler videreutvikling og ferdigstilling av ett design av en elektrisk outrunnermotor med en effekt på 250 kW. Dynamikken i roterende maskiner er viktig når en utvikler komponenter med høy rotasjonshastighet, derfor presenteres en grundig studie av de dynamiske aspektene ved roterende maskineri. Denne oppgaven er en del av et samarbeid mellomtre forskjellige fagfelt innen ingeniørvitenskap. Det ferdige designet er resultatet av utmerket samarbeid mellom studenter med bakgrunn innen elektroteknikk, termodynamikk og, som denne oppgaven omhandler, maskinteknikk. Oppgaven presenterer ett produksjonsklart mekanisk design av en prototype som fokuserer på funksjonalitet, strukturell integritet og produserbarhet. Designet har vært gjennom mange iterasjoner fra konseptstadiet, og det endelige resultatet er godkjent av Rolls Royce Trondheim. Produksjonstegninger, deleliste og all nødvendig data er gitt i vedlegg på slutten oppgaven. Nødvendige strukturelle analyser presenteres i oppgaven, ettersom dette er beviset på designets integritet og funksjonalitet. Lastforholdene er gitt av Rolls Royce, og fokuserer på høy ytelse i formav kraft og hastighet. En dyptgående teoretisk bakgrunn med fokus på sentrale begreper innen rotordynamikk er avledet og presentert. Den teoretiske bakgrunnen er oppsummert og ett omfattende program er laget i programmeringsspråket Python. Programmet et i stand til å løse komplekse FEM-bjelkemodeller. Dataet produsert av programmet er presentert i form av grafer og tabelldata, og er av stor betydning for en somdesigner roterende maskineri.

This thesis is a continuation of a preliminary study completed in the fall of 2019. The main aspects of the thesis is concerned with further development and finalizing design of a 250 kW prototype electric outrunner motor. The dynamics of rotating machinery is of concern when developing high rotational speed components, therefore an in-depth study of dynamical aspects of rotating machinery is presented. This thesis is part of a collaboration between three different disciplines within engineering. The complete motor design is the result of excellent teamwork between students with background in electrical engineering, thermal engineering and, as this thesis is concerned with, mechanical engineering. The thesis presents a production ready mechanical design of a prototype which focuses on functionality, structural integrity, and producibility. The design has been through many iterations from the conceptual stage, and the final results have been approved by Rolls Royce Trondheim. Production drawings, parts list and all necessary data is given in the appendix. Necessary finite element analyses are presented in the thesis, as these are the proof of the integrity and functionality of the design. The load conditions are all given by Rolls Royce, and are focused on high performance when it comes to power and speed. An in-depth theoretical background focusing on key concepts within rotor dynamics are derived and presented. The theoretical background is summarized and programmed into an extensive Python class, which can solve complex FEMbeam models, and present data in the form of plots and tabular data. The data provided by the software is of vital importance to a mechanical designer of rotating machinery.