HTS Winding Design and 3D FEA Modeling of Superconducting Machine for Aviation

Abstract

I denne avhandlingen presenteres metoder og formuleringer for modellering av roterende elektriske maskiner. 3D-modeller av en superledende maskin for luftfart utvikles ved hjelp av den kommersielle FEA-programvaren Comsol Multiphysics. 3D-modeller muliggjør studier av mer komplekse geometrier som ikke lett kan representeres i 2D, slik som endeviklingene i en elektrisk maskin. HTS-lederne har høy følsomhet for magnetfelt fra spesielle vinkler og er utsatt for nedsatt virkningsgrad og kapasitet fra deformasjoner. 3D-modeller gjør det mulig å unngå skade og opprettholde ytelse for lederne ved å validere viklingsdesign før implementering. Terskelen for 3D-modellering kan være høy uten forkunnskaper og erfaring, og det finnes få tilgjengelige eksempler. I denne avhandlingen forklares de viktigste trinnene og formuleringene gjennom prosessen med å modellere den superledende maskinen for luftfart, for å gi en referanse og guide for fremtidige modelleringsprosjekter. En kort undersøkelse av muligheten for å inkludere kompleks superledende atferd for HTS-lederne utføres ved bruk av den 3D-homogeniserte T-A-formuleringen. Endeviklinger er deretter designet og implementert i Comsol for å inkludere modellering av komplekse geometrier, og for å skape et fundament for senere design av endeviklinger. Forskjeller i formuleringer som kreves for forskjellige studier undersøkes, og en segmentert Halbach-array modelleres med hensyn til magnettap. En initiell analyse av innvirkningen av endeviklingen på HTS-lederne blir utført, med fokus på magnetisk fluks i normal retning og resulterende Lorentz-krefter, og noen mulige implikasjoner diskuteres. En "skewed saddle coil"-endevikling vises å gi lovende intitielle resultater med lav harmonisk forstyrrelse, og anbefales for mer dyptgående studier i fremtiden. En analyse av magnetiske tap med hensyn til segmentlengde blir også utført, og kortere segmenter viser seg å gi betydelig lavere tap, med nær invers-eksponentielt forhold mellom segmentlengde og tap for de undersøkte lengdene. Tapene viser seg å være skjevfordelte til fordel for magneter med en viss magnetiseringsretning, noe som gir et asymmetrisk tap for rotoren, og et 49-65% høyere enn gjennomsnittlig tap for nordpolen, avhengig av segmentlengden.

In this thesis, methods and formulations for the modeling of rotating electrical machinery are presented. Models are developed in 3D of an SCM for Aviation using the commercial FEA software Comsol Multiphysics. 3D models enable the study of more complex geometries such as end-windings which cannot be easily represented in 2D. The HTS tapes have a high angular sensitivity to magnetic fields and are susceptible to degradation from deformation. 3D models make it possible to validate winding designs to ensure the integrity of the tapes prior to implementation. The 3D modeling threshold can be high for a novice, and there are very few guides and examples available. In this thesis, the most important steps and formulations are explained throughout the process of modeling the SCM for aviation, as a reference and guide for future modeling endeavors. A short investigation of the possibility of including complex superconductive behavior of the HTS coils using the 3D homogenized T-A formulation is undertaken. End windings are then designed and implemented in Comsol to include the modeling of complex geometries, and to create a foundation for later end winding designs. Differences in formulations required for different studies are investigated, and a model including a segmented Halbach array is modeled with respect to magnet losses. An initial analysis of the impact of the end-winding on the HTS tapes is made, with focus on magnetic flux penetration in the normal direction with resulting Lorentz forces, and some possible implications are discussed. A skewed saddle coil design is shown to give promising initial results with low harmonic disturbance, and is recommended for in-depth study in the future. An analysis of magnet losses with respect to segment length is also undertaken, and shorter segments are found to give significantly lower losses, with a close to inversely exponential relationship between segment length and loss for the lengths studied. Losses are found to be Magnet losses are also found to be skewed in favor of magnets of a certain magnetization direction, giving an asymmetrical loss for the rotor, and a 49-65\% higher than average loss for the north pole depending on segment length.