Une équipe du MIT développe un moteur de 1 MW pour l'aviation électrique

Une équipe d'ingénieurs du MIT développe un moteur de 1 MW qui pourrait être un tremplin vers l'électrification d'avions plus gros. L'équipe a conçu et testé les principaux composants du moteur et a montré par des calculs détaillés que les composants couplés peuvent fonctionner ensemble pour générer un mégawatt de puissance, à un poids et une taille compétitifs avec les petits moteurs d'avion actuels.

Le moteur en cours de conception est un PMSM à réseau Halbach de 1 MW, refroidi par air et à rotor extérieur. Les expériences d'atténuation des risques au niveau des composants indiquent que les performances de la machine prototype correspondront aux spécifications de conception.

(Un rotor de réseau Halbach utilise une disposition spécifique d'aimants pour améliorer l'intensité du champ magnétique d'un côté tout en réduisant considérablement le champ magnétique de l'autre côté. L'arrangement le plus courant est une série d'aimants où chaque aimant est tourné d'un certain angle par rapport à ses aimants voisins. Cette rotation des aimants crée une distribution non uniforme du champ magnétique. objets.)

L'estimation de la perte dans le noyau du stator a été validée par des mesures expérimentales sur des échantillons toroïdaux et des tôles de stator pleine grandeur. Le processus de liaison par laminage augmente la perte de noyau du matériau Fe-Co-V d'un facteur de 1,2.

Un modèle d'enroulement monophasé modulaire augmente la robustesse et la densité de puissance du système en permettant des variateurs monophasés. Le processus d'enroulement du stator et l'isolation ont été démontrés avec succès grâce à une maquette d'enroulement de stator.

Machine électrique à haute densité de puissance pour la propulsion turboélectrique. Perreault 2023.

L'équipe a introduit un nouveau modèle pour les rotors de réseau Halbach, offrant une alternative efficace en termes de calcul à la FEA pendant le processus de conception. Le rotor à matrice Halbach élimine le besoin de fer arrière du rotor. Au lieu de cela, une jante en titane léger est utilisée pour retenir les aimants permanents. Le modèle correspond à la FEA et aux données expérimentales à moins de 5 %. Le modèle est simple, facile à utiliser et facile à adapter aux différentes topologies de machines.

Spécifications de conception de la machine électrique

Pour les applications tout électriques, l'équipe envisage que le moteur puisse être associé à une source d'électricité telle qu'une batterie ou une pile à combustible. Le moteur pourrait alors transformer l'énergie électrique en travail mécanique pour alimenter les hélices d'un avion. La machine électrique pourrait également être couplée à un turboréacteur à double flux traditionnel pour fonctionner comme un système de propulsion hybride, assurant une propulsion électrique pendant certaines phases d'un vol.

Peu importe ce que nous utilisons comme vecteur énergétique - batteries, hydrogène, ammoniac ou carburant d'aviation durable - indépendamment de tout cela, les moteurs de classe mégawatt seront un catalyseur clé pour l'écologisation de l'aviation.

Spakovszky et les membres de son équipe, ainsi que des collaborateurs de l'industrie, présenteront leurs travaux via un ensemble de cinq articles lors d'une session spéciale de l'American Institute of Aeronautics and Astronautics - Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) lors de la conférence Aviation en juin.

L'équipe du MIT est composée de professeurs, d'étudiants et de chercheurs de GTL et du Laboratoire des systèmes électromagnétiques et électroniques du MIT : Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang, David Otten, David Perreault et Mohammad Qasim, ainsi que Marc Amato d'Innova-Logic LLC. Le projet est parrainé par Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Tels qu'ils ont été conçus, le moteur électrique et l'électronique de puissance du MIT ont à peu près la taille d'une valise enregistrée et pèsent moins qu'un passager adulte.

Les principaux composants du moteur sont les suivants : un rotor à grande vitesse, doublé d'un réseau d'aimants à orientation de polarité variable ; un stator compact à faible perte qui s'adapte à l'intérieur du rotor et contient un réseau complexe d'enroulements en cuivre ; un échangeur de chaleur avancé qui maintient les composants au frais tout en transmettant le couple de la machine ; et un système d'électronique de puissance distribuée, composé de 30 cartes de circuits imprimés sur mesure, qui modifient précisément les courants traversant chacun des enroulements de cuivre du stator, à haute fréquence.

Je pense qu'il s'agit de la première conception intégrée véritablement co-optimisée, ce qui signifie que nous avons effectué une exploration très approfondie de l'espace de conception où toutes les considérations, de la gestion thermique à la dynamique du rotor, en passant par l'électronique de puissance et l'architecture des machines électriques, ont été évaluées de manière intégrée pour découvrir quelle est la meilleure combinaison possible pour obtenir la puissance spécifique requise à un mégawatt.

Dans l'ensemble du système, le moteur est conçu de sorte que les cartes de circuits imprimés distribués soient étroitement couplées à la machine électrique afin de minimiser les pertes de transmission et de permettre un refroidissement efficace de l'air à travers l'échangeur de chaleur intégré.

Il s'agit d'une machine à grande vitesse, et pour la maintenir en rotation tout en créant un couple, les champs magnétiques doivent se déplacer très rapidement, ce que nous pouvons faire grâce à nos circuits imprimés commutant à haute fréquence.

Pour atténuer les risques, l'équipe a construit et testé chacun des principaux composants individuellement, et a montré qu'ils peuvent fonctionner comme prévu et dans des conditions dépassant les exigences opérationnelles normales. Les chercheurs prévoient d'assembler le premier moteur électrique entièrement fonctionnel et de commencer à le tester à l'automne.

Une fois que l'équipe du MIT pourra démontrer le moteur électrique dans son ensemble, elle affirme que la conception pourrait propulser des avions régionaux et pourrait également être un compagnon des moteurs à réaction conventionnels, pour permettre des systèmes de propulsion hybrides-électriques. L'équipe envisage également que plusieurs moteurs d'un mégawatt pourraient alimenter plusieurs ventilateurs répartis le long de l'aile sur les futures configurations d'avions. À l'avenir, les bases de la conception de la machine électrique d'un mégawatt pourraient potentiellement être étendues à des moteurs de plusieurs mégawatts, pour alimenter des avions de passagers plus gros.

Ressources

Article : "Conception et fabrication d'une machine électrique à haute puissance spécifique pour la propulsion d'avions"

Document : "Un démonstrateur de technologie de machine électrique de classe mégawatt pour la propulsion turbo-électrique"

Article : "Conception et optimisation d'un onduleur pour un moteur ultra-léger d'un mégawatt"

Article : "Novel Channel-type Heat Exchanger for a Megawatt-Class Integrated Motor Drive Technology Demonstrator"

Document : "Système de rotor à grande vitesse pour un démonstrateur de technologie d'entraînement de moteur intégré de classe mégawatt"

Publié le 10 juin 2023 dans Aéronautique et aérospatiale, Électrique (Batterie), Contexte du marché, Moteurs | Lien permanent | Commentaires (0)