Design and analysis of a 2.5 MW Coreless Aero Generator for Hybrid-Electric Aircraft
Master thesis
Date
2023Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2589]
Description
Full text not available
Abstract
Denne avhandlingen presenterer design og analyse av en høyhastighets 2,5 MW spor-løs generator for bruk i hybrid-elektriske fly. De sporløse statorviklingene er basert påAlva Industries FiberPrinting-teknologi og består av fire galvanisk isolerte konsentriskeviklingsringer. Luftfartsindustrien har strenge vektbegrensninger for komponentene ifremdriftssystemet. Generatoren må operere med en effekttetthet på minst 20 kW/kgfor å oppfylle vekt kravet. For å begrense størrelsen og vekten til kjølesystemet, mågeneratoren operere med høy effektivitet. Generatoren ble simulert ved hjelp av 2Dmodellering i COMSOL. Komponentene i det hybrid-elektriske fremdriftssystemet bleogså analysert. En litteraturstudie estimerte effektiviteten og vekten til komponentene, ogbasert på resultatene ble et systemspenningsnivå på 3 kV valgt. Effekten av å introdusereet filter for å redusere støy forårsaket av kraftelectronikken ble også studert.
Den sporløse generatoren på 2,5 MW oppnådde en effekttetthet på 24,38 kW/kg ogen effektivitet på 99,5 % når effekten av støy fra kraftelektronikken ikke ble tatt med.Introduksjonen av overharmoniske strømmer påvirket magnettapene betydelig, som øktefra 0,130 til 3,845 kW. Effektiviteten til hybrid-elektriske fremdriftssystemet ble estimerttil 97,1 % uavhengig av om et filter ble lagt til. Imidlertid la filteret til en vekt på 140 kg,noe som reduserte systemets effekttetthet fra 5,65 til 4,49 kW/kg.
Resultatene indikerer at en sporløs stator-topologi basert på Alva Industries FiberPrinting-teknologi kan oppnå de effekttettheter og effektiviteter som er nødvendige innen hybrid-elektrisk luftfart. This thesis presents the design and analysis of ahigh-speed 2.5 MW coreless generator for use in hybrid-electricaircraft. The slotless stator windings are based on Alva Indus-tries FiberPrinting technology and consist of four galvanicallyisolated concentric winding rings. The aviation industry setsextreme weight restrictions for the components in the propulsionsystem. The generator should operate with a power density ofat least 20 kW/kg to meet the weight requirement. To limitthe size and weight of the cooling system, the generator mustoperate at high efficiency. The performance of the generator wasevaluated through finite element analysis (FEA) in COMSOL.The components of the hybrid-electric propulsion system wereanalyzed. A literature review estimated the efficiency and weightof the components, and based on the results, a system voltagelevel of 3 kV was chosen. Finally, the effect of introducing afiltering component to reduce the current harmonics caused bythe power electronic converters was studied.
The 2.5 MW coreless generator achieved a power densityof 24.38 kW/kg and an efficiency of 99.5 % when excludingthe effect of current harmonics. Introducing current harmonicssignificantly impacted the magnet losses, which increased from0.130 to 3.845 kW. The efficiency of the hybrid-electric propulsionsystem was estimated to be 97.1 % regardless if a filter is added.
However, the filter added a weight of 140 kg, which reduced thepower density of the system from 5.65 to 4.49 kW/kg.The results indicate that a slotless stator topology based onAlva Industries FiberPrinting technology can achieve the powerdensities and efficiencies needed in hybrid-electric aviation.