MIT設計可用于大型飛機的兆瓦級電機

AIRBUS

航空業(yè)的目標是通過給飛機通電來減少部分碳排放，但該行業(yè)嚴格的重量限制使這一目標變得困難。事實證明，制造與噴氣發(fā)動機功率重量比相匹配的電動機尤其具有挑戰(zhàn)性，因此大多數努力都局限于小型飛機。據悉，MIT（麻省理工學院）的研究人員發(fā)布了一種新的兆瓦級電機的緊湊型輕型設計，這可能為更大的飛機供電打開大門。

雖然汽車行業(yè)正在經歷從化石燃料到電池動力的轉型，但在航空業(yè)要困難得多?，F代電池的能量密度仍然太低，無法為飛機提供長距離的動力，這就是為什么像Eviation這樣的公司專注于短途城際間運送，而許多EVTOL公司的目標是日常通勤。

“There is no silver bullet when it comes to achieving the required paradigm shift in specific power. Many things together make the design possible, and the devil is in the details.”
—Zoltán Spakovszky, MIT

電池可能會受到大部分的關注，但它們并不是唯一一個存在重量問題的地方。給電機通電也是一個挑戰(zhàn)。電動機通過使電流通過大量的銅線和鋼來產生推力，從而產生可以轉動轉子的磁場。MIT航空教授Zoltán Spakovszky說，這些材料本身就很重，這使得制造具有高功率重量比（也稱為比功率）的電動機變得困難。這是因為制造更強大的電機意味著添加更多的金屬。

因此，目前電動飛機中使用的電機只能產生數百千瓦的功率，這對于大型飛機來說太少了。但在6月12日至16日在圣地亞哥舉行的AIAA AVIATION論壇上發(fā)表的研究中，Spakovszky和他的同事公布了一種能夠產生1兆瓦電力的電動機的設計。他們說，這一成就將使支線飛機的電氣化觸手可及。

MIT

Spakovszky說：“大部分二氧化碳是由雙通道和單通道飛機產生的，這需要大量的電力和機上能量，因此需要兆瓦級的電機來為商業(yè)客機供電。實現1兆瓦的此類機器是實現更大機器和功率水平的關鍵墊腳石?！?/p>

該團隊的設計特點是一個圓形鼓——轉子的內表面襯有永磁體。轉子內部有一個定子——一塊圓柱形的鋼片，外表面覆蓋著突出的“齒”。這些齒覆蓋著密集的銅線。電流通過這些電線會產生一個強磁場，該磁場與轉子上的永磁體相互作用，使?jié)L筒旋轉并驅動電機。

MIT的團隊尚未組裝他們的設備，但他們已經測試了所有主要組件，并在模擬中證明了它將能夠達到預期的功率水平。當完全組裝好時，電機的重量將達到57.4公斤，相當于每公斤17千瓦的比功率，大大高于美國NASA先前的研究確定的為大型電動飛機提供動力所需的13kW/kg。

Spakovszky說，做到這樣并不簡單。他說：“在實現特定權力所需的范式轉變方面，沒有靈丹妙藥。許多因素加在一起使設計成為可能，而挑戰(zhàn)在于細節(jié)?！?/p>

通常，轉子包括一層重鋼，有助于集中永磁體的磁場。該團隊通過將磁鐵小心地排列在不同的方向，使其能夠用更輕的鈦鼓代替鋼，從而達到了同樣的效果。

該設計還采用了極其緊湊的定子設計，提高了電氣效率，并采用了由30塊定制電路板制成的高速電力電子系統(tǒng)。這些板可以使定子中的電流以難以置信的高頻率交替，從而顯著提高電機的旋轉速度。

最關鍵的因素之一是團隊處理熱管理的方式。Spakovszky說，生產1兆瓦的電力可以產生大約50千瓦的熱量。他說：“想想汽車發(fā)動機全速運轉，把所有的功轉化為熱量。生產1兆瓦的電力可以產生大約50千瓦的熱量。他說：“想想汽車發(fā)動機全速運轉，把所有的功轉化為熱量?！?/p>

MIT團隊的設計特點是一種由鋁合金制成的新型風冷熱交換器，位于定子內部。圓柱形結構的特點是由小空氣通道組成的蜂窩，其復雜的幾何形狀意味著它必須進行3D打印。但Spakovszky說，這種設計使團隊能夠實現接近液體系統(tǒng)的冷卻效率，同時保持所需的結構完整性。

“很高興看到MIT取得的進展，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的電氣和計算機工程教授Kiruba Haran說，“他們有一支優(yōu)秀的團隊，并采取了良好的多學科方法。這是實現這一目標的唯一途徑?！?MIT并不是唯一一家開發(fā)兆瓦級電動機的機構。自2014年以來，美國NASA一直通過其先進航空運輸技術項目支持制造大功率電動機的努力，資助了多所大學等。

俄亥俄州和伊利諾伊州的團隊都測試了兆瓦級電機的原型。去年，工程巨頭通用電氣宣布，它已經在模擬真實飛行的條件下測試了一個兆瓦級的推進系統(tǒng)。Haran的團隊現在正試圖通過一個名為Hinetics的衍生產品將他們的電機商業(yè)化。

Haran說，即使電池技術需要時間才能趕上，兆瓦級電動機也可能很快對航空業(yè)產生影響。氫和氨等化石燃料替代品可能依賴于將化學能轉化為電能的燃料電池，因此需要電力推進系統(tǒng)。混合動力系統(tǒng)可能會更早出現，其中電動機與燃氣輪機集成，以允許飛行部分的電池供電操作。

Spakovszky說，電動機也將是實現更不尋常和高效的飛機配置（如分布式推進）的關鍵。這個想法是用許多安裝在機翼前緣甚至機身上的小型電動機取代懸掛在機翼下的大型噴氣發(fā)動機。

Spakovszky說：“我相信，要實現凈零排放，未來的飛機必須看起來有所不同，而兆瓦級電機是非常規(guī)飛機配置的關鍵推動者?！?/p>

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