Concept and Design of a High Power Dense Propulsion System for Electric Aircraft

The present thesis proposes a conceptual design of a tiltable propulsion system forthe ALBACOPTER® 1.0, an eVTOL aircraft with a take-off mass of800 kg. Usually, thepropulsion systems of eVTOLs are direct drives due to their simple design. However,since the propeller thrust in relation to the take-off mass is the most important criterionfor vertical take-off aircraft, power-dense drives are of maximum importance. Therefore,a propeller drive concept combining a high-performance synchronous machine with agearbox is developed and investigated with regard to its performance. For this purpose,all boundary conditions are determined. First, the propeller is simulated in order todefine its relevant speeds and gear’s reduction ratio. Then the aerodynamic loads areestimated using data from wind tunnel tests and CFD simulations and qualitativelycompared with own wind tunnel tests. It is shown that the moments induced by obliquepropeller inflow play a significant role compared to the lateral forces. By calculatingand classifying these and other potential loads, concepts for the drive train and the tilt actuator are developed and evaluated.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung und Konzeptionierung eines schwenkbaren Antriebssystems für den ALBACOPTER® 1.0, einem eVTOL-Fluggerät mit 800 kg Abflugmasse. Üblicherweise sind die Antriebssysteme von eVTOLs aufgrund ihrer einfachen Bauweise Direktantriebe. Da für senkrechtstartende Flugzeuge der Propellerschub in Relation zur Abflugmasse jedoch das wichtigste Kriterium darstellt, sind leistungsdichte Antriebe von maximaler Wichtigkeit. Daher soll ein Propellerantriebskonzept, das eine Hochleistungssynchronmaschine mit einem Getriebe kombiniert, entwickelt und hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit untersucht werden. Dafür müssen sämtliche Randbedingungen bestimmt werden. Zuerst wird der Propeller simulativ untersucht, um die relevanten Drehzahlen und die Getriebeübersetzung definieren zu können. Dann werden die aerodynamischen Lasten anhand von Daten aus Windkanalversuchen und CFD-Simulationen abgeschätzt und mit eigenen Windkanalversuchen qualitativ verglichen. Dabei zeigt sich, dass die durch schräge Propelleranströmung induzierten Momente im Vergleich zu den Seitenkräften eine bedeutende Rolle spielen. Mit der Berechnung und Einordnung dieser und weiterer potenzieller Lasten werden Konzepte für den Antriebsstrang und den Schwenk-Aktuator entwickelt und bewertet.