Inductive coupling for wireless power and signal transfer: a rotorcraft application

The More Electric Aircraft (MEA) is an established trend towards a larger number of electrical systems and a higher level of electrical power generation onboard. Electrification can indeed reduce the maintenance, improve the efficiency and mitigate the environmental footprint of aircraft. On existing helicopters, the most powerful electrical system is represented by the Full Ice Protection (FIPS), which depends on mechanical current collectors (or “sliprings”) to supply the rotor blade heaters, as well as to read the blade sensors for temperature control. However, sliprings are based on brushes and bearings which suffer from the harsh vibrations and high rotational speeds, leading to a quick wear out and frequent malfunctions (especially on the tail). In order to solve this problem and pave the way for future MEA applications, Leonardo has conceived and patented in co-operation with Politecnico di Milano a special combination of rotary transformers and power electronic circuits, also regarded as Contactless Power Transfer Unit (CPTU) and exploitable for wireless signal transfer too. Compared to traditional Tail Rotor Slip Rings (TRSR) this unit has the potential to achieve a longer lifespan and to reduce both the maintenance costs and downtime, while totalling a similar weight (thanks to the miniaturization of active parts enabled by the high switching frequency). This thesis goes through the conceptual design of such a unit, from first principles to the experimental testing, covering a Technology Readiness Level (TRL) transition of 1-to-5. Following an introduction to the reference system application and state-of-the-art, it is proposed a specific kind of rotary transformer topology driven by a voltage source single phase full-bridge inverter. As part of the research bootstrap, it is provided a list of the main functional, installation and environmental requirements. According to the selected system architecture, the power transfer functionality is first analyzed using a set of analytical and numerical models, and then optimized in terms of transformer gravimetric and volumetric power density (up to 8 kW/kg and 16 kW/dm3). Additionaly, a set of advanced processing techniques is proposed to boost the output power, increase the input power factor, reduce the current density and reduce the total harmonic distortion. The signal transfer functionality is instead explored according to two different strategies, which involve either keeping the electronics in the fuselage or measuring the blade temperature locally on the rotor. In the first case, using an Extended Kalman Filter (EKF) to mix the data with a priori system state model. In the second case, using a Pulse Code Modulation (PCM) to transmit the data through the transformer. In both cases, upon the Analog-to-Digital conversion of the measurements. Once selected the most suitable strategy, the power and the signal transfer functionalities are then simulated in closed-loop. To this purpose, an equivalent blade thermal model is identified on the basis of experimental flight data, and the FIPS temperature control verified against the accuracy target set by the reference application (±1°C). In the second part of the thesis, the results predicted by these models are validated using a set of full scale prototypes representative of the proposed design. A mechanical mockup is installed on a helicopter tail rotor to check the minimum attainable air gap without contacts (2 mm); a power transformer is adjusted on the previous air gap and driven at full voltage to verify the heating that can be induced on a equivalent resistive load (2.78 kW); a signal transformer with a similar arrangement is exploited as bidirectional bridge to supply an acquisition board and to transmit the acquired data at the target baud-rate (1 kbit/s). During these tests, it is also proposed a series of design changes, such a different winding and semiconductor technology, aimed at reducing the power losses to the benefit of the CPTU efficiency and reliability. Beyond representing an intangible asset, the concept presented in this thesis is currently heading for industrialization; a goal that once achieved will contribute to improve the safety of the vertical flight and substantiate the potential of open innovation in the field of applied research.

Il More Electric Aircraft (MEA) è una tendenza consolidata verso un maggior numero di sistemi elettrici e un livello più elevato di generazione di potenza elettrica a bordo degli aeromobili. L'elettrificazione può infatti ridurne la manutenzione, migliorarne l'efficienza e mitigarne l'impronta ambientale. Sugli elicotteri attuali, il carico elettrico più potente è rappresentato dal Full Ice Protection System (FIPS), che dipende da collettori meccanici (o slip rings) per alimentare i riscaldatori nonché per leggere i sensori di temperatura integrati nelle pale. Tuttavia i collettori sono basati su spazzole e cuscinetti che risentono delle forti vibrazioni e delle alte velocità di rotazione, portando a una rapida usura e a frequenti malfunzionamenti (soprattutto in coda). Per risolvere questo problema e aprire la strada a ulteriori applicazioni, Leonardo ha ideato e brevettato, in collaborazione con il Politecnico di Milano, una speciale combinazione di trasformatori rotanti e circuiti elettronici chiamata Contactless Power Transfer Unit (CPTU), utile anche al trasferimento di segnali. Rispetto ai tradizionali Tail Rotor Slip Rings (TRSR), questa unità potrà offrire una durata in servizio molto maggiore, nonché ridurre i costi e i tempi di manutenzione pur avendo un peso complessivo equivalente (grazie alla miniaturizzazione delle parti attive, abilitata dall'alta frequenza di commutazione). Questa tesi ripercorre la progettazione concettuale di tale unità, dai primi principi ai test sperimentali, coprendo una transizione di Technology Readiness Level (TRL) da 1 a 5. Dopo un'introduzione all'applicazione di riferimento e allo stato dell'arte, viene proposta una particolare topologia di trasformatore rotativo. A supporto della successiva fase di ricerca, viene fornito un elenco dei principali requisiti funzionali, di installazione e ambientali. In base all'architettura di sistema prescelta, la funzionalità di trasferimento di potenza del trasformatore viene prima analizzata utilizzando una serie di modelli analitici e numerici, e poi ottimizzata in termini di densità di potenza gravimetrica e volumetrica (fino a 8 kW/kg e 16 kW/dm3). Inoltre, vengono proposte diverse tecniche avanzate di elaborazione software e hardware per regolare la potenza in uscita, aumentare il fattore di potenza in ingresso, ridurre la densità di corrente e minizzare la distorsione armonica. La funzionalità di trasferimento del segnale viene quindi esplorata secondo due diverse strategie, che prevedono di mantenere l'elettronica nella fusoliera o di misurare la temperatura delle pale localmente sul rotore. Nel primo caso, utilizzando un Extended Kalman Filter (EKF) per miscelare le misure con un modello di stato del sistema a priori. Nel secondo caso, utilizzando una modulazione a codice di impulsi (PCM) per trasmettere i dati attraverso il trasformatore. In entrambi i casi, dopo la conversione analogico-digitale delle misure acquisite. Una volta selezionata la strategia più adatta, vengono simulate le funzionalità di trasferimento della potenza e del segnale in anello chiuso. A tal fine, viene identificato un modello termico della pala tramite regressione non-lineare dei dati acquisiti in volo e dimostrato di poter ottenere un controllo della temperatura compatibile con il requisito di precisione fissato dall'applicazione (±1°C). Nella seconda parte della tesi, i risultati previsti dai modelli vengono validati utilizzando una serie di prototipi in scala reale e rappresentativi del design proposto. Un mockup meccanico viene installato su un rotore di coda di un elicottero per verificare il minimo traferro raggiungibile senza contatti (2 mm); un trasformatore di potenza viene regolato sul precedente traferro e pilotato alla massima tensione per verificare la potenza che può essere trasferita a un carico resistivo equivalente (2,78 kW); un trasformatore di segnale viene usato per alimentare una scheda di acquisizione e permettere contemporaneamente la trasmissione dei dati così acquisiti al baud-rate obiettivo (1 kbit/s). Durante questi test, viene anche proposta una serie di modifiche progettuali, come un diverso avvolgimento e una diversa tecnologia dei semiconduttori, volte a ridurre le perdite sulla macchina elettrica e sul convertitore, a vantaggio dell'efficienza e dell'affidabilità del sistema. Oltre a rappresentare un bene immateriale, il concetto presentato in questa tesi si sta avviando verso l'industrializzazione; un obiettivo che, una volta raggiunto, contribuirà a migliorare la sicurezza del volo verticale e a sostanziare il potenziale della collaborazione tra industria ed accademia nel campo della ricerca applicata.