Abstract
A high temperature superconducting (HTS) motor has been designed to power a general aviation aircraft. The propulsion requirements of the Cessna 172 have been chosen as baseline for the study: 200 HP at 2700 RPM. The designed motor is based on flux trapping in bulk YBCO plates and concentration of the flux generated by Bi-2223 coils and an ironless air-cooled resistive armature. The eight-pole machine would exhibit high power density comparable to that of small gas turbines around 4 HP/lb. Details of this HTS motor concept have been presented in a previous paper. However, the scaling up of such a configuration is not straightforward, as single domain YBCO elements cannot exceed a few centimeters in diameter. This paper presents the design of a motor based on the same configuration but with a much higher power rating, in the range of several MW, to power High Altitude Long Endurance (HALE) aircraft or small jets. Due to the size limitation of the YBCO plates, two solutions can be used to increase the power: the radius and the number of poles can be increased, or the motor can be lengthened to accommodate more coil-plate pairs. The motor is able to reach more than 2 T in the air gap thus leading to high power density. The design optimization is done with respect to several objectives as a trade-off between amount of superconductor, efficiency, weight and volume. The cooling system is assumed to be provided by liquid hydrogen available onboard the aircraft as fuel for the fuel cells or turbo-generators
چکیده
یک موتور مافوق هدایت شونده با دمای بالا (HTS) برای ایجاد قدرت یک هواپیمای عمومی طراحی شده است. ملزومات پیشران Cessna 172 به صورت خط انتهایی برای این مطالعه انتخاب شد، که 200 HP در 2700 بود. موتور طراحی شده بر اساس به دام انداختن جریان در بشقاب های YBCO بزرگ و شدت جریان تولید شده توسط سیم پیچ های Bi-2223 و یک آرماتور مقاومتی بدون آهن که با هوا خنک می شد، بود. ماشین هشت قطبی شدت قدرت زیادی را نشان می دهد که با قدرت توربین های گازی کوچک که حدود 4 HP در پوند است، قابل مقایسه می باشد. جزئیات کار این موتور HTS در مقاله قبلی ارائه شده است. با این حال، افزایش چنین ساختاری آسانی نیست. چون قطر عناصر تک دامنه YBCO نمی تواند بیش از چند سانتی متر افزایش یابد. در این مقاله طرحی از یک موتور بر اساس ساختاری یکسان، ولی قدرت بالاتر ارائه می شود که از چند MW تا تحمل بالای ارتفاع زیاد (HALE) در هواپیما یا جت های کوچک می باشد. به دلیل محدودیت اندازه صفحه های YBCO ، می توان از دو راه حل زیر برای افزایش قدرت استفاده نمود: می توان شعاع و تعداد قطب ها را افزایش داد، یا اینکه می توان طول موتور را زیاد کرد تا با جفت های سیم پیچ – صفحه منطبق شود. طول موتور می تواند به T2 در فضای هوا برسد، که بنابراین منجر به میزان قدرت بالا می شود. بهینه سازی طراحی بر اساس چند هدف صورت می گیرد، که عبارتند از میزان فوق هدایت شونده، کارآیی، وزن و حجم. فرض می شود که سیستم خنک کننده توسط هیدروژن مایع در دسترس در هواپیما به عنوان سوخت در سلول های سوختی یا توربو ژنراتورها موجود است، فراهم می شود.
واژگان کلیدی: هواپیمای تمام الکتریک، پیش رانش الکتریکی، موتور فوق هدایت شونده.
1-مقدمه
موتورهای فوق هدایت شونده با میزان قدرت بالا نماینده انقلاب بعدی در پیشرانش هواپیما هستند. پیشرانش الکتریکی به وسایل نقلیه کم صدا و با خروجی پایین دود این امکان را می دهد که منافع بسیاری برای محیط داشته باشند. در زمینه پیشرانش الکتریکی برای هواپیمای عمومی کارهایی انجام شده است که منجر به ایجاد یک ساختار غیر متداول از موتور فوق هدایت شونده گرمایی (HTS) با استفاده از به دام انداختن شدت جریان شده است. این ماشین طراحی شده در یک نوع سیستم پیشرانش تهویه توربینی استفاده می شود و باعث ایجاد نیروی رانش در یک هواپیمای دارای تحمل بالا در ارتفاع زیاد (HALE) یا یک جت غیر نظامی می گردد...