Equipo del MIT desarrolla motor de 1MW para aviación eléctrica

Un equipo de ingenieros del MIT está desarrollando un motor de 1 MW que podría ser un paso clave hacia la electrificación de aviones más grandes. El equipo ha diseñado y probado los componentes principales 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 tamaño competitivos con los pequeños motores aeronáuticos actuales.

El motor bajo diseño es un PMSM de matriz Halbach, de rotor exterior, refrigerado por aire y de 1 MW. Los experimentos de mitigación de riesgos a nivel de componentes 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 intensidad del campo magnético en un lado y al mismo tiempo reducir significativamente el campo magnético en el otro lado. La disposición más común es una serie de imanes donde cada imán gira un cierto ángulo con respecto a sus imanes vecinos. Esta rotación de los imanes crea una distribución no uniforme del campo magnético. 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 salida de potencia. 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 modular monofásico aumenta la robustez y la densidad de potencia del sistema al permitir accionamientos de inversor monofásicos. El proceso de devanado del estator y el aislamiento se han demostrado con éxito mediante una maqueta del devanado del estator.

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 al FEA durante el proceso de diseño. El rotor de matriz Halbach elimina la necesidad de hierro trasero del rotor. En su lugar, se utiliza un borde de titanio liviano para retener los imanes permanentes. El modelo coincide con el 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 pila de combustible. Luego, el motor podría 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 turbofan tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante determinadas fases de un vuelo.

No importa qué utilicemos como portador de energía (baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible), independientemente de todo eso, los motores de clase megavatios serán un factor clave para hacer que la aviación sea más ecológica.

Spakovszky y miembros de su equipo, junto con colaboradores de la industria, presentarán su trabajo a través de un conjunto de cinco artículos en una sesión especial del Instituto Americano 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 Electromagnéticos y Electrónicos 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).

Tal como están diseñados, el motor eléctrico y la electrónica de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta facturada y pesan menos que un pasajero adulto.

Los componentes principales del motor son: un rotor de alta velocidad, revestido con una serie de imanes con orientación de polaridad variable; un estator compacto de bajas pérdidas que cabe dentro del rotor y contiene una intrincada serie de devanados de cobre; un avanzado intercambiador de calor que mantiene fríos los componentes mientras transmite el par de la máquina; y un sistema de electrónica de potencia distribuida, fabricado a partir de 30 placas de circuito hechas a medida, que cambian con precisión las corrientes que pasan por cada uno de los devanados de cobre del estator, a alta frecuencia.

Creo que este es el primer diseño integrado verdaderamente 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 descubrirlo. ¿Cuál es la mejor combinación posible para obtener la potencia específica requerida en un megavatio?

Como sistema completo, el motor está diseñado de manera que las placas de circuito distribuido estén estrechamente acopladas con la máquina eléctrica para minimizar la pérdida de transmisión y permitir una refrigeración efectiva del aire a través del intercambiador de calor integrado.

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

Para mitigar el riesgo, el equipo construyó y probó cada uno de los componentes principales individualmente y demostró que pueden operar según lo diseñado y en condiciones que exceden las demandas operativas normales. Los investigadores planean ensamblar el primer motor eléctrico en pleno funcionamiento y comenzar a probarlo en otoño.

Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su conjunto, dicen que el diseño podría impulsar aviones regionales y también podría ser un complemento 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 aviones. De cara al futuro, las bases del diseño de una máquina eléctrica de un megavatio podrían ampliarse a motores de varios megavatios, para impulsar aviones de pasajeros más grandes.

Recursos

Artículo: “Diseño y fabricación de una máquina eléctrica de alta potencia específica para la propulsión de aeronaves”

Documento: “Un demostrador de tecnología de máquina eléctrica de clase megavatio para propulsión turboeléctrica”

Artículo: “Diseño y optimización de un inversor para un motor ultraligero de un megavatio”

Artículo: “Novedoso intercambiador de calor de tipo canal para un demostrador de tecnología de accionamiento de motor integrado de clase megavatio”

Artículo: “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)