Direct Drive PMSM Characteristics for Retrofit in Regional Turboprops Using a Design Space Approach

Abstract

Et design-rom som dekker effekt- og turtallsbehovet til en representativ samling av turbo-prop fly ønskes generert for å avdekke tendenser i ytelsen til permanentmaskinmotorer uten bruk av giring. Design-rommet utgjør effektytelser mellom 500kW og 4 MW, samt omdreiningshastigheter mellom 800 og 2000 o/min. Dette gjennomføres ved bruk av en analytisk algoritme der spesifikk effekt, spesifikt dreiemoment, og effektivitet brukes som ytelsesindikatorer. Resultatene som genereres analytisk blir deretter verifisert ved numerisk analyse av et utvalg av motorer.

Undersøkelsen viser at spesifikk effekt holdes relativt konstant sammenliknet med flyene i design-rommet, med verdier mellom 2.8 og 3.7 kW/kg. Spesifikt dreiemoment og effektivitet øker begge med motorstørrelse, og ligger henholdsvis i området mellom 18 til 34 Nm/kg og 98 til 98.7 %. Resultatene taler for at det i et effektivitetsøyemed kan være bedre å elektrifisere større turboprop-fly.

Det blir også vist at elektrisk motorvekt øker opp mot 30% i forhold til tilsvarende turbinmotorer, i motsetning til de minste elektriske motorene som kan være opp til 40% lettere enn sine motparter.

A design space for radial flux direct drive PMSMs is generated across the performance requirements of a representative selection of turboprop aircraft. This equates to power outputs in the range 500 kW–4MW, and rotational speeds in the range 800–2000 rpm. The electric motor designs are generated using an analytical algorithm, and their specific power, specific torque and motor efficiency. These results are then verified by selective FEM simulation to confirm their validity.

It is found that specific power remains relatively constant in motor designs for turboprop aircraft across the entire performance range, with results in the range between 2.8–3.7 kW/kg. Specific torque and efficiency increases with motor size ranging between 18–34 Nm/kg and 98–98.7%. This indicates that retrofit designs for larger aircraft are more optimal in terms of efficiency, and similar in terms of specific power.

It is also found that larger electric motors are comparatively 30% heavier than their turbine driven counterparts, unlike smaller electric motors that can be up to 40% lighter.