MIT設(shè)計(jì)可用于大型飛機(jī)的兆瓦級(jí)電機(jī)

AIRBUS

航空業(yè)的目標(biāo)是通過給飛機(jī)通電來減少部分碳排放，但該行業(yè)嚴(yán)格的重量限制使這一目標(biāo)變得困難。事實(shí)證明，制造與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率重量比相匹配的電動(dòng)機(jī)尤其具有挑戰(zhàn)性，因此大多數(shù)努力都局限于小型飛機(jī)。據(jù)悉，MIT（麻省理工學(xué)院）的研究人員發(fā)布了一種新的兆瓦級(jí)電機(jī)的緊湊型輕型設(shè)計(jì)，這可能為更大的飛機(jī)供電打開大門。

雖然汽車行業(yè)正在經(jīng)歷從化石燃料到電池動(dòng)力的轉(zhuǎn)型，但在航空業(yè)要困難得多。現(xiàn)代電池的能量密度仍然太低，無法為飛機(jī)提供長(zhǎng)距離的動(dòng)力，這就是為什么像Eviation這樣的公司專注于短途城際間運(yùn)送，而許多EVTOL公司的目標(biāo)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(huì)受到大部分的關(guān)注，但它們并不是唯一一個(gè)存在重量問題的地方。給電機(jī)通電也是一個(gè)挑戰(zhàn)。電動(dòng)機(jī)通過使電流通過大量的銅線和鋼來產(chǎn)生推力，從而產(chǎn)生可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)。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(dòng)機(jī)變得困難。這是因?yàn)橹圃旄鼜?qiáng)大的電機(jī)意味著添加更多的金屬。

因此，目前電動(dòng)飛機(jī)中使用的電機(jī)只能產(chǎn)生數(shù)百千瓦的功率，這對(duì)于大型飛機(jī)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(chǎn)生1兆瓦電力的電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。他們說，這一成就將使支線飛機(jī)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(jī)產(chǎn)生的，這需要大量的電力和機(jī)上能量，因此需要兆瓦級(jí)的電機(jī)來為商業(yè)客機(jī)供電。實(shí)現(xiàn)1兆瓦的此類機(jī)器是實(shí)現(xiàn)更大機(jī)器和功率水平的關(guān)鍵墊腳石?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是一個(gè)圓形鼓——轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面襯有永磁體。轉(zhuǎn)子內(nèi)部有一個(gè)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，使?jié)L筒旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

MIT的團(tuán)隊(duì)尚未組裝他們的設(shè)備，但他們已經(jīng)測(cè)試了所有主要組件，并在模擬中證明了它將能夠達(dá)到預(yù)期的功率水平。當(dāng)完全組裝好時(shí)，電機(jī)的重量將達(dá)到57.4公斤，相當(dāng)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(dòng)飛機(jī)提供動(dòng)力所需的13kW/kg。

Spakovszky說，做到這樣并不簡(jiǎn)單。他說：“在實(shí)現(xiàn)特定權(quán)力所需的范式轉(zhuǎn)變方面，沒有靈丹妙藥。許多因素加在一起使設(shè)計(jì)成為可能，而挑戰(zhàn)在于細(xì)節(jié)。”

通常，轉(zhuǎn)子包括一層重鋼，有助于集中永磁體的磁場(chǎng)。該團(tuán)隊(duì)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(dá)到了同樣的效果。

該設(shè)計(jì)還采用了極其緊湊的定子設(shè)計(jì)，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(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

最關(guān)鍵的因素之一是團(tuán)隊(duì)處理熱管理的方式。Spakovszky說，生產(chǎn)1兆瓦的電力可以產(chǎn)生大約50千瓦的熱量。他說：“想想汽車發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，把所有的功轉(zhuǎn)化為熱量。生產(chǎn)1兆瓦的電力可以產(chǎn)生大約50千瓦的熱量。他說：“想想汽車發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，把所有的功轉(zhuǎn)化為熱量?！?/p>

MIT團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是一種由鋁合金制成的新型風(fēng)冷熱交換器，位于定子內(nèi)部。圓柱形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是由小空氣通道組成的蜂窩，其復(fù)雜的幾何形狀意味著它必須進(jìn)行3D打印。但Spakovszky說，這種設(shè)計(jì)使團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)接近液體系統(tǒng)的冷卻效率，同時(shí)保持所需的結(jié)構(gòu)完整性。

“很高興看到MIT取得的進(jìn)展，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Kiruba Haran說，“他們有一支優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，并采取了良好的多學(xué)科方法。這是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑?！?MIT并不是唯一一家開發(fā)兆瓦級(jí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)。自2014年以來，美國NASA一直通過其先進(jìn)航空運(yùn)輸技術(shù)項(xiàng)目支持制造大功率電動(dòng)機(jī)的努力，資助了多所大學(xué)等。

俄亥俄州和伊利諾伊州的團(tuán)隊(duì)都測(cè)試了兆瓦級(jí)電機(jī)的原型。去年，工程巨頭通用電氣宣布，它已經(jīng)在模擬真實(shí)飛行的條件下測(cè)試了一個(gè)兆瓦級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)。Haran的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正試圖通過一個(gè)名為Hinetics的衍生產(chǎn)品將他們的電機(jī)商業(yè)化。

Haran說，即使電池技術(shù)需要時(shí)間才能趕上，兆瓦級(jí)電動(dòng)機(jī)也可能很快對(duì)航空業(yè)產(chǎn)生影響。氫和氨等化石燃料替代品可能依賴于將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池，因此需要電力推進(jìn)系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可能會(huì)更早出現(xiàn)，其中電動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)集成，以允許飛行部分的電池供電操作。

Spakovszky說，電動(dòng)機(jī)也將是實(shí)現(xiàn)更不尋常和高效的飛機(jī)配置（如分布式推進(jìn)）的關(guān)鍵。這個(gè)想法是用許多安裝在機(jī)翼前緣甚至機(jī)身上的小型電動(dòng)機(jī)取代懸掛在機(jī)翼下的大型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

Spakovszky說：“我相信，要實(shí)現(xiàn)凈零排放，未來的飛機(jī)必須看起來有所不同，而兆瓦級(jí)電機(jī)是非常規(guī)飛機(jī)配置的關(guān)鍵推動(dòng)者?！?/p>

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