PMG: Numerical Model of a Fault Tolerant Permanent Magnet Generator for High RPM Applications

L'industrie aéronautique fait face aujourd'hui à de nombreux défis. Ces défis, tant sur les plans environnemental qu'économique et social, ont forcé l'industrie à se tourner vers de nouvelles façons de faire et de penser. C'est dans ce contexte qu'est né le concept de l'avion plus électrique (aussi appelé dans la littérature More Electrical Aircraft – MEA). Ce concept vise à augmenter la contribution de l'énergie électrique au sein des aéronefs en comparaison avec les sources d'énergie plus traditionnelles telles que l'énergie hydraulique ou mécanique. Afin de pouvoir supporter cette demande croissante en énergie, la génération d'électricité à bord des appareils doit aussi subir une réingénierie. C'est donc en support au MEA que le moteur plus électrique (aussi appelé dans la littérature More Electrical Engine – MEE) a vu le jour. C'est précisément dans le cadre des moteurs plus électriques que le présent projet s'inscrit. Ce projet, réalisé en partenariat avec Pratt & Whitney Canada, se veut une première approche à la modélisation électrique de cette nouvelle génération de générateurs destinés aux aéronefs. Les principaux objectifs de ce projet sont d'étudier le fonctionnement du NAEM (New Architecture Electromagnetic Machine) et de bâtir un modèle simplifié de ce générateur sous EMTP-RV capable de reproduire le comportement du NAEM en régime permanent. Ce mémoire contient les résultats obtenus dans le cadre d'un premier projet de modélisation du générateur développé par Pratt & Whitney Canada (New Architecture Electromagnetic Machine – NAEM) sous un logiciel de simulation électrique. Le modèle construit par Pratt & Whitney Canada sous MagNet, un logiciel de simulation par éléments finis, a été utilisé comme référence dans le cadre de ce projet. Il a été possible de développer un modèle électrique qui calque bien le comportement du modèle magnétique de référence pour des conditions d'opération en régime permanent. Quelques pistes de solutions techniques sont abordées dans la discussion afin de dresser une liste sommaire des travaux à considérer pour la poursuite du projet.

Abstract

The aerospace industry is confronting an increasing number of challenges these days. One can think for instance of the environmental challenges as well as the economic and social ones to name a few. These challenges have forced the industry to turn their design philosophy toward new ways of doing things. It is in this context that was born the More Electrical Aircraft (MEA) concept. This concept aims at giving a more prominent part to electrical power in the overall installed power balance aboard aircrafts (in comparison to more traditional power sources such as mechanical and hydraulic). In order to be able to support this increasing demand in electrical power, the electric power generation aboard aircrafts needed reengineering. This is one of the main reasons the More Electrical Engine (MEE) concept was born: to serve the needs of the MEA philosophy. It is precisely under the MEE concept that this project takes place. This project, realized in collaboration with Pratt & Whitney Canada (PWC), is a first attempt at the electrical modelling of this new type of electrical generator designed for aircrafts. The main objectives of this project are to understand the principles of operation of the New Architecture Electromagnetic Machine (NAEM) and to build a simplified model for EMTP-RV for steady-state simulations. This document contains the results that were obtained during the electrical modelling project of the New Architecture Electromagnetic Machine (NAEM) by the author using data from PWC. The model built by PWC using MagNet, a finite element analysis software, was used as the reference during the project. It was possible to develop an electrical model of the generator that replicate with a good accuracy the behaviour of the model of reference under steady-state operation. Some technical avenues are explored in the discussion in order to list the key improvements that will need to be done to the electrical model in future work.