麻省理工学院的紧凑型兆瓦电机可以帮助航空电气化

麻省理工学院的航空工程师正在制造一种1兆瓦的电动机，这是商用飞机电气化的踏脚石。图为混合动力飞机的一些工业概念。资料来源:@airbus SAS 2023

技术演示图表显示了机器的主要组成部分Nents达到所需的性能。

麻省理工学院的工程师们正在开发一种紧凑、轻便、功率1兆瓦的电动机，它可以使商用飞机电气化。在成功设计和测试单个组件后，计划在秋季对组装好的电机进行全面测试。这项技术有可能扩大到大型客机上，有助于减少航空业的碳排放。

航空业巨大的碳足迹可能会随着电气化而显著缩小。然而，到目前为止，只有小型全电动飞机起飞。它们的电动机能产生数百千瓦的电力。为了给更大、更重的喷气式飞机(如商用客机)供电，需要兆瓦级的发动机。这些将由混合动力或涡轮电力推进系统推动，其中电机与燃气涡轮航空发动机相结合。

为了满足这一需求，麻省理工学院的一个工程师团队正在制造一种1兆瓦的发动机，这可能是为大型飞机供电的关键垫脚石。该团队已经设计并测试了发动机的主要部件，并通过详细的计算表明，这些耦合部件作为一个整体可以产生一兆瓦的功率，其重量和尺寸与目前的小型航空发动机相当。

对于全电动应用，该团队设想电机可以与电池或燃料电池等电源配对。然后，电机可以将电能转化为机械能，为飞机的螺旋桨提供动力。这种电机也可以与传统的涡轮风扇喷气发动机配对，作为混合动力推进系统运行，在飞行的某些阶段提供电力推进。

麻省理工学院兆瓦级电机(右上为横截面，右下为全尺寸)包括关键的使能技术:高速永磁外转子，低损耗齿槽定子，先进的热交换器，以及集成的高性能电力电子设备。图片来源:研究人员提供

“无论我们使用什么作为能源载体——电池、氢、氨或可持续航空燃料——独立于所有这些，兆瓦级发动机都将成为绿色航空的关键推动者，”麻省理工学院t·威尔逊航空学教授、燃气轮机实验室(GTL)主任佐尔坦·斯帕科夫斯基说，他领导了这个项目。

Spakovszky和他的团队成员，以及行业合作者，将在6月份的航空会议上，在美国航空航天学会的一个特别会议上——电动飞机技术研讨会(EATS)上展示他们的工作。

麻省理工学院的团队由来自GTL和麻省理工学院电磁和电子系统实验室的教师、学生和研究人员组成:Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr.， Jeffrey Lang, David Otten, David Perreault和Mohammad Qasim，以及Innova-Logic LLC的Marc Amato。该项目由三菱重工(MHI)赞助。

重的东西

为了防止人为引起的气候变化产生最严重的影响，科学家们已经确定，到2050年，全球二氧化碳排放量必须达到净零。Spakovszky说，要实现这一航空目标，需要在设计非常规飞机、智能灵活的燃料系统、先进材料和安全高效的电气化推进方面取得“渐进式成就”。多家航空航天公司正专注于电气化推进和兆瓦级电机的设计，这些电机功率大、重量轻，足以推动客机。

斯帕科夫斯基说:“没有什么灵丹妙药可以让这一切发生，细节才是关键。”“这是一项艰巨的工程，需要共同优化单个组件，使它们相互兼容，同时最大限度地提高整体性能。要做到这一点，我们必须在材料、制造、热管理、结构和转子动力学以及电力电子等方面不断突破。”

该团队进行了多次风险降低实验，以证明每个组件都可以按设计运行，并且在超出正常运行需求的条件下运行，包括定子(a, b和f)，磁性转子(c)，热交换器(d)和电力电子板(e)

一般来说，电动机是利用电磁力来产生运动的。电动马达，比如那些给笔记本电脑风扇供电的马达，使用来自电池或电源的电能来产生磁场，通常是通过铜线圈。作为回应，在线圈附近放置一块磁铁，然后沿着产生磁场的方向旋转，然后驱动风扇或螺旋桨。

电动机器已经有150多年的历史了，人们认识到，器具或车辆越大，铜线圈和磁性转子就越大，机器就越重。电机产生的功率越大，产生的热量就越多，这就需要额外的元件来保持部件的冷却——所有这些都会占用空间，并增加系统的重量，这对飞机应用来说是一个挑战。

斯帕科夫斯基说:“飞机上不会装重的东西。“所以我们必须设计出一种紧凑、轻便、功能强大的架构。”

良好的轨迹

按照设计，麻省理工学院的电动马达和电力电子设备都只有一个托运行李大小，重量比一个成年乘客还轻。

该电机的主要组成部分是:一个高速转子，其上排列着一组极性方向不同的磁体;一个紧凑的低损耗定子，适合在转子内，并包含一个复杂的铜绕组阵列;先进的热交换器，在传递机器扭矩的同时保持部件冷却;还有一个分布式电力电子系统，由30块定制电路板制成，可以精确地改变流经每个定子铜绕组的电流，频率很高。

“我相信这是第一个真正的协同优化集成设计，”Spakovszky说。“这意味着我们进行了非常广泛的设计空间探索，从热管理到转子动力学，到电力电子和电机架构的所有考虑因素都以综合的方式进行了评估，以找出最佳组合，以获得所需的1兆瓦特定功率。”

作为一个整体系统，电机的设计使分布式电路板与电机紧密耦合，以最大限度地减少传输损失，并通过集成热交换器进行有效的空气冷却。

Spakovszky说:“这是一台高速机器，为了在产生扭矩的同时保持旋转，磁场必须非常快地移动，我们可以通过电路板的高频开关来实现。”

为了降低风险，团队已经单独构建和测试了每个主要组件，并证明它们可以按设计运行，并且可以在超出正常操作需求的条件下运行。研究人员计划组装第一个完全工作的电动机，并在秋季开始测试。

“飞机的电气化一直在稳步上升，”菲利普·安塞尔说，他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校可持续航空中心的主任，他没有参与这个项目。“这个团队的设计巧妙地结合了传统和尖端的电机开发方法，使其既坚固又高效，以满足未来飞机的实际需求。”

麻省理工学院的研究小组表示，一旦整个电机能够进行演示，这种设计就可以为支线飞机提供动力，也可以成为传统喷气发动机的伴侣，从而实现混合动力推进系统。该团队还设想，在未来的飞机配置中，多个1兆瓦的电机可以为分布在机翼上的多个风扇提供动力。展望未来，一兆瓦电机设计的基础可能会扩大到多兆瓦电机，为更大的客机提供动力。

“我认为我们正走在一条良好的轨道上，”斯帕科夫斯基说，他的团队和研究不仅仅集中在燃气轮机上。“我们不是专业的电气工程师，但应对2050年的气候大挑战至关重要;为了实现这一目标，与电气工程学院的教职员工和学生合作，可以利用麻省理工学院广泛的技术，因此整体大于部分之和。因此，我们正在新领域重塑自我。麻省理工学院给了你这样做的机会。”

引用:

“飞机推进用高比功率电机的设计与制造”“兆瓦级电机技术演示”
“一种兆瓦级超轻电机驱动逆变器的设计与优化”“一种兆瓦级集成电机驱动技术演示的新型通道式热交换器”“一种兆瓦级集成电机驱动技术演示的高速转子系统”