Команда MIT разрабатывает двигатель мощностью 1 МВт для электрической авиации

Команда инженеров Массачусетского технологического института разрабатывает двигатель мощностью 1 МВт, который может стать ключевым шагом на пути к электрификации более крупных самолетов. Команда спроектировала и протестировала основные компоненты двигателя и посредством подробных расчетов показала, что соединенные компоненты могут работать как единое целое, вырабатывая мощность в один мегаватт, при весе и размере, конкурентоспособных с современными небольшими авиационными двигателями.

Проектируемый двигатель представляет собой двигатель мощностью 1 МВт с воздушным охлаждением и внешним ротором с PMSM с матрицей Хальбаха. Эксперименты по снижению рисков на уровне компонентов показывают, что производительность прототипа машины будет соответствовать проектным спецификациям.

(Ротор с матрицей Хальбаха использует определенное расположение магнитов для увеличения напряженности магнитного поля с одной стороны и значительного уменьшения магнитного поля с другой стороны. Наиболее распространенная конструкция представляет собой серию магнитов, в которой каждый магнит повернут на определенный угол относительно соседних магнитов. Такое вращение магнитов создает неравномерное распределение магнитного поля. Концентрированное магнитное поле с одной стороны обеспечивает более сильное и эффективное магнитное взаимодействие со статором, что может привести к улучшению крутящего момента или выходной мощности. Уменьшенное магнитное поле на противоположной стороне может свести к минимуму нежелательное взаимодействие с другими компонентами или внешними объектами.)

Оценка потерь в сердечнике статора была подтверждена экспериментальными измерениями на тороидальных образцах и полноразмерных пластинах статора. Процесс ламинирования увеличивает потери в сердечнике из материала Fe-Co-V в 1,2 раза.

Модульная однофазная схема обмотки повышает надежность и удельную мощность системы за счет использования однофазного инверторного привода. Процесс обмотки статора и изоляция были успешно продемонстрированы на макете обмотки статора.

Электрическая машина высокой удельной мощности для турбоэлектрической силовой установки. Перро 2023.

Команда представила новую модель роторов с массивом Хальбаха, предлагая эффективную в вычислительном отношении альтернативу FEA в процессе проектирования. Ротор с массивом Хальбаха устраняет необходимость в тыльной стороне ротора. Вместо этого для фиксации постоянных магнитов используется легкий титановый обод. Модель соответствует FEA и экспериментальным данным в пределах 5%. Модель проста, удобна в использовании и легко адаптируется к различным топологиям машин.

Технические характеристики конструкции электрической машины

Команда предполагает, что в полностью электрических приложениях двигатель может быть соединен с источником электроэнергии, таким как батарея или топливный элемент. Затем двигатель мог бы превращать электрическую энергию в механическую работу, приводящую в действие пропеллеры самолета. Электрическая машина также может быть соединена с традиционным турбовентиляторным реактивным двигателем для работы в качестве гибридной двигательной установки, обеспечивающей электрическую тягу на определенных этапах полета.

Независимо от того, что мы используем в качестве энергоносителя — аккумуляторы, водород, аммиак или экологически чистое авиационное топливо — независимо от всего этого, двигатели мегаваттного класса станут ключевым фактором экологизации авиации.

Спаковски и члены его команды вместе с коллегами из отрасли представят свою работу в виде набора из пяти статей на специальной сессии Американского института аэронавтики и астронавтики – Симпозиуме по электрическим авиационным технологиям (EATS) на авиационной конференции в июне.

Команда MIT состоит из преподавателей, студентов и научных сотрудников GTL и Лаборатории электромагнитных и электронных систем MIT: Генри Андерсен Юанькан Чен, Закари Кордеро, Дэвид Куадрадо, Эдвард Грейцер, Шарлотта Гамп, Джеймс Киртли-младший, Джеффри Лэнг. , Дэвид Оттен, Дэвид Перро и Мохаммад Касим, а также Марк Амато из Innova-Logic LLC. Спонсором проекта является компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Согласно задумке, электродвигатель MIT и силовая электроника имеют размер сдаваемого чемодана и весят меньше взрослого пассажира.

Основными компонентами двигателя являются: высокоскоростной ротор, окруженный множеством магнитов с различной ориентацией полярности; компактный статор с низкими потерями, который помещается внутри ротора и содержит сложную систему медных обмоток; усовершенствованный теплообменник, сохраняющий охлаждение компонентов при передаче крутящего момента машины; и система распределенной силовой электроники, состоящая из 30 изготовленных по индивидуальному заказу печатных плат, которые точно изменяют токи, протекающие через каждую из медных обмоток статора, на высокой частоте.