MIT-Team entwickelt 1-MW-Motor für die elektrische Luftfahrt

Ein Team von MIT-Ingenieuren entwickelt einen 1-MW-Motor, der ein wichtiger Schritt zur Elektrifizierung größerer Flugzeuge sein könnte. Das Team hat die Hauptkomponenten des Motors entworfen und getestet und durch detaillierte Berechnungen gezeigt, dass die gekoppelten Komponenten als Ganzes funktionieren können, um eine Leistung von einem Megawatt zu erzeugen, und das bei einem Gewicht und einer Größe, die mit aktuellen kleinen Flugzeugtriebwerken konkurrenzfähig sind.

Der geplante Motor ist ein luftgekühlter 1-MW-PMSM mit Außenrotor und Halbach-Array. Experimente zur Risikominderung auf Komponentenebene zeigen, dass die Leistung der Prototypmaschine den Designspezifikationen entspricht.

(Ein Halbach-Array-Rotor verwendet eine spezielle Anordnung von Magneten, um die Magnetfeldstärke auf einer Seite zu erhöhen und gleichzeitig das Magnetfeld auf der anderen Seite deutlich zu reduzieren. Die gebräuchlichste Anordnung ist eine Reihe von Magneten, bei der jeder Magnet um einen bestimmten Winkel relativ dazu gedreht ist seine benachbarten Magnete. Diese Rotation der Magnete erzeugt eine ungleichmäßige Magnetfeldverteilung. Das konzentrierte Magnetfeld auf einer Seite sorgt für eine stärkere und effizientere magnetische Wechselwirkung mit dem Stator, was zu einem verbesserten Drehmoment oder einer verbesserten Leistungsabgabe führen kann. Das reduzierte Magnetfeld auf der gegenüberliegenden Seite können unerwünschte Interaktionen mit anderen Komponenten oder externen Objekten minimiert werden.)

Die Schätzung des Statorkernverlusts wurde durch experimentelle Messungen an toroidalen Proben und Statorblechen in voller Größe validiert. Der Laminierungsbindungsprozess erhöht den Kernverlust des Fe-Co-V-Materials um den Faktor 1,2.

Ein modulares, einphasiges Wicklungsmuster erhöht die Robustheit und Leistungsdichte des Systems, indem es einphasige Wechselrichterantriebe ermöglicht. Der Statorwicklungsprozess und die Isolierung wurden anhand einer Modell-Statorwicklung erfolgreich demonstriert.

Elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte für turboelektrischen Antrieb. Perreault 2023.

Das Team stellte ein neues Modell für Halbach-Array-Rotoren vor, das während des Designprozesses eine recheneffiziente Alternative zur FEA bietet. Der Halbach-Array-Rotor macht ein Rotorrückeisen überflüssig. Stattdessen wird ein leichter Titanrand zur Halterung der Permanentmagnete verwendet. Das Modell stimmt mit FEA- und experimentellen Daten innerhalb von 5 % überein. Das Modell ist einfach, benutzerfreundlich und lässt sich leicht an verschiedene Maschinentoplogien anpassen.

Konstruktionsspezifikationen für elektrische Maschinen

Für vollelektrische Anwendungen stellt sich das Team vor, dass der Motor mit einer Stromquelle wie einer Batterie oder einer Brennstoffzelle gekoppelt werden könnte. Der Motor könnte dann die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln, um die Propeller eines Flugzeugs anzutreiben. Die elektrische Maschine könnte auch mit einem herkömmlichen Turbofan-Triebwerk gekoppelt werden, um als Hybridantriebssystem zu arbeiten und in bestimmten Phasen eines Fluges für elektrischen Antrieb zu sorgen.

Ganz gleich, welchen Energieträger wir nutzen – Batterien, Wasserstoff, Ammoniak oder nachhaltigen Flugtreibstoff – unabhängig davon werden Motoren der Megawattklasse ein entscheidender Faktor für die Ökologisierung der Luftfahrt sein.

Spakovszky und Mitglieder seines Teams werden zusammen mit Branchenpartnern ihre Arbeit in einer Reihe von fünf Vorträgen auf einer Sondersitzung des American Institute of Aeronautics and Astronautics – Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) auf der Aviation-Konferenz im Juni vorstellen.

Das MIT-Team besteht aus Fakultäten, Studenten und Forschungsmitarbeitern des GTL und des MIT Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault und Mohammad Qasim, zusammen mit Marc Amato von Innova-Logic LLC. Das Projekt wird von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) gesponsert.

Der MIT-Elektromotor und die Leistungselektronik haben konstruktionsbedingt etwa die Größe eines aufgegebenen Koffers und wiegen weniger als ein erwachsener Passagier.

Die Hauptkomponenten des Motors sind: ein Hochgeschwindigkeitsrotor, der mit einer Reihe von Magneten mit unterschiedlicher Polaritätsausrichtung ausgekleidet ist; ein kompakter, verlustarmer Stator, der in den Rotor passt und eine komplizierte Anordnung von Kupferwicklungen enthält; ein fortschrittlicher Wärmetauscher, der die Komponenten kühl hält und gleichzeitig das Drehmoment der Maschine überträgt; und ein verteiltes Leistungselektroniksystem, bestehend aus 30 speziell angefertigten Leiterplatten, das die Ströme, die durch jede Kupferwicklung des Stators fließen, mit hoher Frequenz präzise ändert.

Ich glaube, dass dies das erste wirklich kooptimierte integrierte Design ist. Das bedeutet, dass wir eine sehr umfassende Designraumuntersuchung durchgeführt haben, bei der alle Überlegungen vom Wärmemanagement über die Rotordynamik bis hin zur Leistungselektronik und der Architektur elektrischer Maschinen auf integrierte Weise bewertet wurden, um dies herauszufinden Was ist die bestmögliche Kombination, um die erforderliche spezifische Leistung bei einem Megawatt zu erhalten?

Als Gesamtsystem ist der Motor so konzipiert, dass die verteilten Leiterplatten eng mit der elektrischen Maschine gekoppelt sind, um Übertragungsverluste zu minimieren und eine effektive Luftkühlung durch den integrierten Wärmetauscher zu ermöglichen.

Dabei handelt es sich um eine Hochgeschwindigkeitsmaschine, und um sie in Rotation zu halten und gleichzeitig ein Drehmoment zu erzeugen, müssen sich die Magnetfelder sehr schnell ausbreiten, was wir durch das Schalten unserer Leiterplatten mit hoher Frequenz erreichen können.

Um das Risiko zu mindern, hat das Team jede der Hauptkomponenten einzeln gebaut und getestet und gezeigt, dass sie wie vorgesehen und unter Bedingungen funktionieren können, die über die normalen Betriebsanforderungen hinausgehen. Die Forscher wollen den ersten voll funktionsfähigen Elektromotor zusammenbauen und im Herbst mit der Erprobung beginnen.

Sobald das MIT-Team den Elektromotor als Ganzes demonstrieren kann, sagen sie, dass das Design Regionalflugzeuge antreiben und auch als Ergänzung zu herkömmlichen Düsentriebwerken dienen könnte, um hybridelektrische Antriebssysteme zu ermöglichen. Das Team geht außerdem davon aus, dass bei künftigen Flugzeugkonfigurationen mehrere 1-Megawatt-Motoren mehrere über den Flügel verteilte Ventilatoren antreiben könnten. Mit Blick auf die Zukunft könnten die Grundlagen des Entwurfs elektrischer Maschinen mit einer Megawattleistung möglicherweise auf Multi-Megawatt-Motoren ausgeweitet werden, um größere Passagierflugzeuge anzutreiben.

Ressourcen

Vortrag: „Entwurf und Herstellung einer elektrischen Maschine mit hoher spezifischer Leistung für den Flugzeugantrieb“

Vortrag: „Ein Demonstrator der elektrischen Maschinentechnologie der Megawattklasse für turboelektrische Antriebe“

Vortrag: „Entwurf und Optimierung eines Wechselrichters für einen ultraleichten Ein-Megawatt-Motorantrieb“

Vortrag: „Neuartiger Kanalwärmetauscher für einen Demonstrator der integrierten Motorantriebstechnologie der Megawattklasse“

Vortrag: „Hochgeschwindigkeitsrotorsystem für einen Demonstrator für integrierte Motorantriebstechnologie der Megawattklasse“

Gepostet am 10. Juni 2023 in Luft- und Raumfahrt, Elektrik (Batterie), Markthintergrund, Motoren | Permalink | Kommentare (0)