Design of a Hybrid Winding PM Machine for Electric Aviation

Abstract

Mens samfundet beveger seg i retning av elektrifisering og fornybar energi, trengs det ny teknologi og nye løsninger for å muliggjøre overgangen til en grønnere luftfartssektor. Dagens luftfart er sterkt avhengige av fossilt brennstoff, og de tilgjengelige elektriske løsningene innfrir ikke kravene til ytelse. Denne avhandlingen undersøker om en ny permanent magnet hybrid maskin topologi som kombinerer luftgaps- og sporviklinger kan være en konkurransedyktig løsning til bruk i elektriske småfly applikasjoner.

\forceindent Et sett med ytelses spesifikasjoner har blitt samlet basert på dagens toppmoderne permanent magnet maskiner, og brukt som utgangspunkt i design prosessen. En maskin med sporviklinger ble designet ut i fra disse spesifikasjonene i prosjektet som ledet opp til denne avhandlingen. Ved å endre geometrien til maskinen, har en maskin med hybrid viklingsløsning blitt designet, analysert, og optimert gjennom beregninger med endelige elementer metoden i programmet COMSOL Multiphysics. Maskinen oppnår en effekt på 82.20 kW, med en aktiv vekt på 13.51 kg, som tilsier en spesifikk effekt på 6.07 kW/kg. Pulsasjon i levert dreiemoment ble beregnet til å være 1.35\%. Tapene i maskinen har blitt beregnet med Bertottis metode i frekvensplanet i COMSOL Multiphysics, og ga en virkningsgrad på 96.9\%. Hovedkomponentene av tapene er jern- og kobbertap, som står for 1.33 kW og 1.28 kW tap respektivt. Tap som en følge av virvelstrømmer i magnetene ble beregnet til kun 8.2 W.

\forceindent Resultatene tilsier at maskinen med en hybrid viklingsløsning har bedre ytelse enn maskinen med sporviklinger brukt som utgangspunkt i design prosessen, og resultatene er lovende med tanke på å utkonkurrere de toppmoderne maskinene produsert av Siemens og Yasa Limited.

While society moves towards electrification and renewable energy, new technology and solutions are necessary to enable the transmission to a greener aviation sector. Unfortunately, aviation relies heavily on fossil fuels, as electric solutions available today do not fulfill the performance requirements. This thesis examines if a new permanent magnet(PM) hybrid winding machine topology that combines airgap- and slot windings can be a viable solution for small aircraft applications.

From the current state-of-the-art permanent magnet machines, specifications have been acquired and used as a benchmark for the design process of a PM machine. A slotted machine based on the specifications was designed in the project leading to this thesis. A hybrid winding machine has been created by altering the geometry of the slotted machine and inserting a set of airgap windings. The hybrid winding machine is then analyzed through a parameter study and geometry optimization in the finite element analysis tool COMSOL Multiphysics. The machine achieves an output power of 82.20 kW, with an active weight of 13.51 kg, resulting in a specific power of 6.07 kW/kg. Ripple of the output torque was calculated to be 1.35\%. Losses in the machine were calculated with Bertotti's method in the frequency domain in COMSOL Multiphysics, yielding an efficiency of 96.9\%. The machine's main loss components are iron core and conductive losses, at 1.33 kW and 1.28 kW, respectively. Losses due to eddy currents in the magnets account for only 8.2 W.

The results show that the hybrid winding machine can outperform its slotted counterpart, while also showing promise to be a competitor to the state-of-the-art machines created by Siemens and Yasa Limited.