MIT ontwerpt megawatt elektrische motor voor grotere vliegtuigen

Luchtvaartingenieurs van MIT ontwikkelen een elektrische motor van 1 megawatt die een springplank kan zijn naar de elektrificatie van commerciële vliegtuigen.

De enorme ecologische voetafdruk van de luchtvaart zou door elektrificatie aanzienlijk kunnen afnemen. Tot op heden zijn er echter alleen kleine volledig elektrische vliegtuigen van de grond gekomen. Hun elektromotoren wekken honderden kilowatts aan vermogen op. Om grotere, zwaardere jets, zoals commerciële vliegtuigen, te elektrificeren, zijn motoren op megawatt-schaal nodig. Deze zouden worden aangedreven door hybride of turbo-elektrische voortstuwingssystemen waarbij een elektrische machine is gekoppeld aan een gasturbine-vliegtuigmotor.

Om aan deze behoefte te voldoen, ontwikkelt een team van MIT-ingenieurs nu een motor van 1 megawatt die een opstap zou kunnen zijn naar het elektrificeren van grotere vliegtuigen. Het team heeft de belangrijkste componenten van de motor ontworpen en getest, en door middel van gedetailleerde berekeningen aangetoond dat de gekoppelde componenten als geheel kunnen werken om één megawatt aan vermogen te genereren, met een gewicht en formaat dat concurrerend is met de huidige kleine vliegtuigmotoren.

Voor volledig elektrische toepassingen stelt het team zich voor dat de motor kan worden gekoppeld aan een elektriciteitsbron zoals een batterij of een brandstofcel. De motor kan dan de elektrische energie omzetten in mechanisch werk om de propellers van een vliegtuig aan te drijven. De elektrische machine kan ook worden gecombineerd met een traditionele turbofan-straalmotor om te werken als een hybride voortstuwingssysteem, dat zorgt voor elektrische voortstuwing tijdens bepaalde fasen van een vlucht.

Heavy stuff

Om de ergste gevolgen van door de mens veroorzaakte klimaatverandering te voorkomen, hebben wetenschappers vastgesteld dat de wereldwijde uitstoot van kooldioxide tegen 2050 netto nul moet zijn. Om dit doel voor de luchtvaart te halen, zegt projectleider Zoltan Spakovszky, zijn er “stapsgewijze prestaties” nodig bij het ontwerp van onconventionele vliegtuigen, slimme en flexibele brandstofsystemen, geavanceerde materialen en veilige en efficiënte geëlektrificeerde voortstuwing. Meerdere ruimtevaartbedrijven richten zich op geëlektrificeerde voortstuwing en het ontwerp van elektrische machines op megawatt-schaal die krachtig en licht genoeg zijn om passagiersvliegtuigen voort te stuwen.

“Er is geen wondermiddel om dit mogelijk te maken, en de duivel zit in de details”, zegt Spakovszky. “Dit is harde engineering, in termen van co-optimalisatie van individuele componenten en ze compatibel maken met elkaar, terwijl de algehele prestaties worden gemaximaliseerd. Om dit te doen, moeten we de grenzen verleggen op het gebied van materialen, productie, thermisch beheer, structuren en rotordynamica, en vermogenselektronica.”

“Zware dingen kunnen niet in vliegtuigen”, zegt Spakovszky. “Dus moesten we een compacte, lichtgewicht en krachtige architectuur bedenken.”

Zo groot als een koffer, lichter dan een passagier

De MIT elektromotor en vermogenselektronica zijn elk ongeveer zo groot als een koffer en wegen minder dan een volwassen passagier.

De belangrijkste componenten van de motor zijn: een hogesnelheidsrotor, bekleed met een reeks magneten met verschillende richtingen van polariteit; een compacte verliesarme stator die in de rotor past en een ingewikkelde reeks koperen wikkelingen bevat; een geavanceerde warmtewisselaar die de componenten koel houdt terwijl het koppel van de machine wordt overgebracht; en een gedistribueerd vermogenselektronicasysteem, gemaakt van 30 op maat gemaakte printplaten, die nauwkeurig de stromen veranderen die door elk van de koperen wikkelingen van de stator lopen, met een hoge frequentie.

“Ik geloof dat dit het eerste echt co-geoptimaliseerde geïntegreerde ontwerp is”, zegt Spakovszky. “Dat betekent dat we een zeer uitgebreide verkenning van de ontwerpruimte hebben gedaan, waarbij alle overwegingen van thermisch beheer tot rotordynamiek, vermogenselektronica en elektrische machine-architectuur op een geïntegreerde manier zijn beoordeeld om erachter te komen wat de best mogelijke combinatie is om het vereiste specifieke vermogen te verkrijgen. op één megawatt.”

Testen

Als geheel is de motor zo ontworpen dat de gedistribueerde printplaten nauw zijn gekoppeld aan de elektrische machine om transmissieverliezen te minimaliseren en effectieve luchtkoeling mogelijk te maken via de geïntegreerde warmtewisselaar.

“Dit is een machine met hoge snelheid, en om hem te laten draaien terwijl er koppel wordt gecreëerd, moeten de magnetische velden zeer snel bewegen, wat we kunnen doen door onze printplaten met hoge frequentie te laten schakelen.”

Om de risico’s te beperken, heeft het team elk van de belangrijkste componenten afzonderlijk gebouwd en getest, en aangetoond dat ze kunnen werken zoals ontworpen en onder omstandigheden die de normale operationele eisen overschrijden.

De onderzoekers zijn nu van plan om de eerste volledig werkende elektromotor in elkaar te zetten en in het najaar te gaan testen.