Team del MIT sviluppa un motore da 1 MW per l'aviazione elettrica

Un team di ingegneri del MIT sta sviluppando un motore da 1 MW che potrebbe rappresentare un trampolino di lancio fondamentale verso l’elettrificazione degli aerei più grandi. Il team ha progettato e testato i componenti principali del motore e ha dimostrato, attraverso calcoli dettagliati, che i componenti accoppiati possono funzionare nel loro insieme per generare un megawatt di potenza, con un peso e dimensioni competitivi con gli attuali piccoli motori aeronautici.

Il motore in progettazione è un PMSM Halbach-array da 1 MW, raffreddato ad aria, con rotore esterno. Gli esperimenti di mitigazione del rischio a livello di componente indicano che le prestazioni della macchina prototipo corrisponderanno alle specifiche di progettazione.

(Un rotore array Halbach utilizza una disposizione specifica di magneti per aumentare l'intensità del campo magnetico su un lato riducendo significativamente il campo magnetico sull'altro lato. La disposizione più comune è una serie di magneti in cui ciascun magnete viene ruotato di un certo angolo rispetto a i magneti vicini.Questa rotazione dei magneti crea una distribuzione del campo magnetico non uniforme.Il campo magnetico concentrato su un lato fornisce un'interazione magnetica più forte ed efficiente con lo statore, che può portare a una migliore coppia o potenza.Il campo magnetico ridotto sul lato opposto è possibile ridurre al minimo le interazioni indesiderate con altri componenti o oggetti esterni.)

La stima della perdita del nucleo dello statore è stata convalidata attraverso misurazioni sperimentali su campioni toroidali e laminazioni di statore a grandezza naturale. Il processo di incollaggio per laminazione aumenta la perdita del nucleo del materiale Fe-Co-V di un fattore di 1,2.

Uno schema di avvolgimento modulare monofase aumenta la robustezza e la densità di potenza del sistema consentendo azionamenti con inverter monofase. Il processo di avvolgimento dello statore e l'isolamento sono stati dimostrati con successo attraverso un modello di avvolgimento dello statore.

Macchina elettrica ad alta densità di potenza per propulsione turboelettrica. Perreault 2023.

Il team ha introdotto un nuovo modello per i rotori array Halbach, offrendo un'alternativa computazionalmente efficiente alla FEA durante il processo di progettazione. Il rotore dell'array Halbach elimina la necessità del ferro posteriore del rotore. Invece, per trattenere i magneti permanenti viene utilizzato un leggero bordo in titanio. Il modello corrisponde ai dati FEA e sperimentali entro il 5%. Il modello è semplice, facile da usare e facile da adattare a diverse topologie di macchine.

Specifiche di progettazione della macchina elettrica

Per le applicazioni completamente elettriche, il team prevede che il motore possa essere accoppiato con una fonte di elettricità come una batteria o una cella a combustibile. Il motore potrebbe quindi trasformare l'energia elettrica in lavoro meccanico per alimentare le eliche di un aereo. La macchina elettrica potrebbe anche essere abbinata a un tradizionale motore a reazione turbofan per funzionare come un sistema di propulsione ibrido, fornendo propulsione elettrica durante determinate fasi del volo.

Indipendentemente da ciò che utilizziamo come vettore energetico – batterie, idrogeno, ammoniaca o carburante sostenibile per l’aviazione – indipendentemente da tutto ciò, i motori della classe megawatt saranno un fattore chiave per rendere più ecologica l’aviazione.

Spakovszky e i membri del suo team, insieme ai collaboratori del settore, presenteranno il loro lavoro tramite una serie di cinque documenti in una sessione speciale dell’American Institute of Aeronautics and Astronautics – Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) alla conferenza sull’aviazione di giugno.

Il team del MIT è composto da docenti, studenti e personale di ricerca del GTL e del Laboratorio del MIT per i sistemi elettromagnetici ed elettronici: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault e Mohammad Qasim, insieme a Marc Amato di Innova-Logic LLC. Il progetto è sponsorizzato da Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Come progettato, il motore elettrico e l'elettronica di potenza del MIT hanno ciascuno le dimensioni di una valigia da stiva e pesa meno di un passeggero adulto.

I componenti principali del motore sono: un rotore ad alta velocità, rivestito da una serie di magneti con diverso orientamento di polarità; uno statore compatto a basse perdite che si inserisce all'interno del rotore e contiene un'intricata serie di avvolgimenti in rame; uno scambiatore di calore avanzato che mantiene freddi i componenti trasmettendo la coppia della macchina; e un sistema elettronico di potenza distribuito, composto da 30 circuiti stampati personalizzati, che modificano con precisione le correnti che attraversano ciascuno degli avvolgimenti in rame dello statore, ad alta frequenza.