Equipo del MIT desarrolla motor de 1MW para aviación eléctrica

Un equipo de ingenieros del MIT está desarrollando un motor de 1MW que podría ser un paso clave hacia la electrificación de aviones más grandes. El equipo ha diseñado y probado los principales componentes del motor y ha demostrado mediante cálculos detallados que los componentes acoplados pueden funcionar como un todo para generar un megavatio de potencia, con un peso y un tamaño competitivos con los motores aeronáuticos pequeños actuales.

El motor bajo diseño es un PMSM de matriz Halbach de 1 MW, enfriado por aire, de rotor externo. Los experimentos de mitigación de riesgos a nivel de componente indican que el rendimiento de la máquina prototipo coincidirá con las especificaciones de diseño.

(Un rotor de matriz Halbach utiliza una disposición específica de imanes para mejorar la fuerza del campo magnético en un lado mientras reduce significativamente el campo magnético en el otro lado. La disposición más común es una serie de imanes donde cada imán gira en un cierto ángulo en relación con sus imanes vecinos. Esta rotación de imanes crea una distribución de campo magnético no uniforme. El campo magnético concentrado en un lado proporciona una interacción magnética más fuerte y más eficiente con el estator, lo que puede conducir a un mejor par o potencia de salida. El campo magnético reducido en el lado opuesto puede minimizar las interacciones no deseadas con otros componentes u objetos externos).

La estimación de la pérdida del núcleo del estator se ha validado mediante mediciones experimentales en muestras toroidales y laminaciones de estator de tamaño completo. El proceso de unión por laminación aumenta la pérdida del núcleo del material Fe-Co-V en un factor de 1,2.

Un patrón de devanado monofásico modular aumenta la robustez y la densidad de potencia del sistema al permitir accionamientos inversores monofásicos. El proceso y el aislamiento del devanado del estator se han demostrado con éxito a través de un devanado del estator simulado.

Máquina eléctrica de alta densidad de potencia para propulsión turboeléctrica. Perreault 2023.

El equipo presentó un nuevo modelo para rotores de matriz Halbach, que ofrece una alternativa computacionalmente eficiente a FEA durante el proceso de diseño. El rotor de matriz Halbach elimina la necesidad de hierro posterior del rotor. En su lugar, se usa un borde de titanio liviano para retener los imanes permanentes. El modelo coincide con FEA y los datos experimentales dentro del 5%. El modelo es simple, fácil de usar y fácil de adaptar a diferentes topologías de máquinas.

Especificaciones de diseño de máquinas eléctricas

Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo prevé que el motor podría combinarse con una fuente de electricidad, como una batería o una celda de combustible. El motor podría entonces convertir la energía eléctrica en trabajo mecánico para impulsar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también podría combinarse con un motor a reacción turboventilador tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante ciertas fases de un vuelo.

No importa lo que usemos como portador de energía (baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible), independientemente de todo eso, los motores de megavatios serán un factor clave para la ecologización de la aviación.

Spakovszky y los miembros de su equipo, junto con colaboradores de la industria, presentarán su trabajo a través de un conjunto de cinco documentos en una sesión especial del Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica - Simposio de Tecnologías de Aeronaves Eléctricas (EATS) en la conferencia de Aviación en junio.

El equipo del MIT está compuesto por profesores, estudiantes y personal de investigación de GTL y el Laboratorio de Sistemas Electrónicos y Electromagnéticos del MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault y Mohammad Qasim, junto con Marc Amato de Innova-Logic LLC. El proyecto está patrocinado por Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Según su diseño, el motor eléctrico y los componentes electrónicos de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta facturada que pesa menos que un pasajero adulto.

Los componentes principales del motor son: un rotor de alta velocidad, revestido con una matriz de imanes con orientación variable de polaridad; un estator compacto de baja pérdida que encaja dentro del rotor y contiene una intrincada serie de bobinados de cobre; un intercambiador de calor avanzado que mantiene fríos los componentes mientras transmite el par de la máquina; y un sistema de electrónica de potencia distribuida, hecho de 30 tableros de circuitos hechos a la medida, que cambian con precisión las corrientes que corren a través de cada uno de los devanados de cobre del estator, a alta frecuencia.

Creo que este es el primer diseño integrado realmente cooptimizado, lo que significa que hicimos una exploración espacial de diseño muy extensa donde todas las consideraciones, desde la gestión térmica, hasta la dinámica del rotor, la electrónica de potencia y la arquitectura de la máquina eléctrica, se evaluaron de manera integrada para descubrir cuál es la mejor combinación posible para obtener la potencia específica requerida en un megavatio.

Como un sistema completo, el motor está diseñado de tal manera que las placas de circuitos distribuidos están estrechamente acopladas con la máquina eléctrica para minimizar la pérdida de transmisión y permitir un enfriamiento efectivo del aire a través del intercambiador de calor integrado.

Esta es una máquina de alta velocidad, y para mantenerla girando mientras crea un par, los campos magnéticos tienen que viajar muy rápido, lo que podemos hacer a través de nuestras placas de circuito cambiando a alta frecuencia.

Para mitigar el riesgo, el equipo ha construido y probado cada uno de los componentes principales individualmente y ha demostrado que pueden operar según lo diseñado y en condiciones que superan las demandas operativas normales. Los investigadores planean ensamblar el primer motor eléctrico completamente funcional y comenzar a probarlo en el otoño.

Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su totalidad, dicen que el diseño podría propulsar aviones regionales y también podría ser un compañero de los motores a reacción convencionales, para permitir sistemas de propulsión híbridos eléctricos. El equipo también prevé que múltiples motores de un megavatio podrían alimentar múltiples ventiladores distribuidos a lo largo del ala en futuras configuraciones de aeronaves. Mirando hacia el futuro, los cimientos del diseño de la máquina eléctrica de un megavatio podrían escalarse potencialmente a motores de varios megavatios, para impulsar aviones de pasajeros más grandes.

Recursos

Ponencia: "Diseño y Fabricación de una Máquina Eléctrica de Alta Potencia Específica para la Propulsión de Aeronaves"

Documento: "Un demostrador de tecnología de máquinas eléctricas de clase megavatio para propulsión turboeléctrica"

Ponencia: "Diseño y optimización de un inversor para un accionamiento de motor ultraligero de un megavatio"

Ponencia: "Intercambiador de calor de canal novedoso para un demostrador de tecnología de accionamiento de motor integrado de clase megavatio"

Documento: "Sistema de rotor de alta velocidad para un demostrador de tecnología de accionamiento de motor integrado de clase megavatio"

Publicado el 10 de junio de 2023 en Aviación y aeroespacial, Eléctrico (batería), Antecedentes del mercado, Motores | Enlace permanente | Comentarios (0)