Design of Superconducting Propulsion Motor for Hydrogen-Powered Zero-Emission Aviation

Abstract

Dette master prosjektet presenterer et ferdigstilt design av en mega-watt skalert superledende slotless PMSM for luftfartsapplikasjoner. Ved bruk av elektromagnetisk analyse i COMSOL ble optimale geometriske parametere dedusert. I slotless maskiner spiller størrelse på spolen og avstanden mellom de en betydelig rolle i effekttetthet, der større rekkevidde langs omkretsen fører til en mer effektiv utnyttelse av strømen indusert i spolen. Overraskende førte økning av luftgapradiusen til redusert momentproduksjon, som er motsetning til teoretiske forventninger. Derfor førte mindre luftgapradius til bedre effekttettheten. Viklingskonfigurasjoner med høyere antall spoler presterte generelt sett bedre enn de med færre spoler. Implementering av en Halbach-array reduserte vekten ved å eliminere rotorjernet. Innføringen av TA-formuleringen ga tilgang til AC-tap i superlederene. Ytelsen til superlederne ble sterkt påvirket av flukstetthetsfeltet i luftgapet. Områder nærmest magnetene opplevde lavere kritisk strømtetthet, noe som førte til økte tap. Sidene på de superledende båndene viste den høyeste strømtettheten. Driftstemperatur og strømbelastning spilte en viktig rolle i tapsgenereringen. Ved å sette strømbelastningen til 20% og driftstemperaturen til 60 K, ble akseptable tapsnivåer oppnådd ved 78 W i gjennomsnitt over en periode for hver spole. Den designede motoren oppnådde en krafttetthet på 24,7 kW/kg, som overgår industriens mål på 20 kW/kg. Disse resultatene viser at mulighetene for å integrere superledere i luftfartsapplikasjoner er lovende, men videre analyse er nødvendig med tanke på hvor mange faktorer som ikke ble tatt høyde for i denne studien.

This master project presents a design of a mega-watt scaled superconducting slotless PMSM for aviation applications. The process was divided into two parts in the FEM software, COMSOL: an electromagnetic analysis, and a study of the superconductors with TA formulation. The first investigation yielded the geometrical parameters for the machine. Given its significant impact on machine performance for application in the aviation industry, the power density was determined to be the parameter of the most significance. The research discovered the great importance of coil size and coil placement. Lower torque production occurred when the coils did not cover enough of the air gap circumference. This phenomenon meant a shorter air gap radius resulted in better power density for the machine, when the coil size was maintained the same. A preliminary winding layout study concluded that a 24-slot and 8-pole winding design gave an excellent performance for this topology and power ratings. The implementation of the TA formulation yielded access to the AC losses in the superconductors. It demonstrated that the magnetic flux density in the air gap greatly affected the critical current density. The region closest to the magnets contained the lowest values. This phenomenon was primarily due to the exposure of the coils due to the lack of stator slots. The temperature and current loading of the superconductor significantly affected the losses. Setting them to a reasonable value yielded acceptable losses in superconductors. Temperature of 60K and current loading of 20 % yielded 78W average SC losses over an electrical period for one coil. Ultimately, the studies resulted in a machine producing 1.52MW weighing only 70kg, with the rotational speed of 3500 rpm. Power density of 24,7kg/kW shows excellent promise from this design, but further analysis needs to be conducted given the number of factors neglected in this study.