2023 年 6 月 8 日

技術演示表明機器的主要部件達到了所需的性能。

隨著電氣化，航空業巨大的碳足跡可能會顯著減少。然而，迄今為止，只有小型全電動飛機起飛。他們的電動機產生數百千瓦的功率。要為更大、更重的噴氣式飛機（例如商用客機）供電，需要兆瓦級電機。這些將由混合動力或渦輪電力推進系統推動，其中電機與燃氣渦輪航空發動機相結合。

為了滿足這一需求，麻省理工學院的一個工程師團隊現在正在製造一個 1 兆瓦的電機，這可能是使大型飛機通電的關鍵墊腳石。該團隊設計並測試了電機的主要部件，並通過詳細計算表明耦合部件可以作為一個整體工作以產生 1 兆瓦的功率，其重量和尺寸可與當前的小型航空發動機相媲美。

對於全電動應用，該團隊設想電機可以與電池或燃料電池等電源配對。然後，電動機可以將電能轉化為機械功，為飛機的螺旋槳提供動力。該電機還可以與傳統的渦輪風扇噴氣發動機配對，作為混合動力推進系統運行，在飛行的某些階段提供電力推進。

T. Wilson 教授 Zoltan Spakovszky 表示：“無論我們使用什麼作為能源載體——電池、氫、氨或可持續航空燃料——獨立於所有這些，兆瓦級電機將成為綠色航空的關鍵推動力”航空學博士和領導該項目的麻省理工學院燃氣輪機實驗室 (GTL) 主任。

Spakovszky 和他的團隊成員以及行業合作者將在 6 月航空會議期間的美國航空航天學會 - 電動飛機技術研討會 (EATS) 的特別會議上展示他們的工作。

MIT 團隊由來自 GTL 和 MIT 電磁與電子系統實驗室的教職員工、學生和研究人員組成：Henry Andersen Yuankang Chen、Zachary Cordero、David Cuadrado、Edward Greitzer、Charlotte Gump、James Kirtley, Jr.、Jeffrey Lang 、David Otten、David Perreault 和 Mohammad Qasim，以及 Innova-Logic LLC 的 Marc Amato。該項目由三菱重工 (MHI) 贊助。

重物

為了防止人為引起的氣候變化造成最嚴重的影響，科學家們已經確定，到 2050 年，全球二氧化碳排放量必須達到淨零。Spakovszky 說，要實現這一航空目標，將需要在非常規飛行器的設計中取得“階段性成就”飛機、智能和靈活的燃料系統、先進材料和安全高效的電氣化推進系統。多家航空航天公司專注於電氣化推進和兆瓦級電機的設計，這些電機的功率和重量足以推動客機。

“實現這一目標沒有靈丹妙藥，細節決定成敗，”Spakovszky 說。“這是一項艱鉅的工程，需要共同優化各個組件並使它們相互兼容，同時最大限度地提高整體性能。為此，我們必須突破材料、製造、熱管理、結構和轉子動力學以及電力電子領域的界限。”

從廣義上講，電動機使用電磁力產生運動。電動機（例如為筆記本電腦中的風扇供電的電動機）使用來自電池或電源的電能來產生磁場，通常通過銅線圈產生。作為響應，設置在線圈附近的磁鐵然後沿產生的磁場方向旋轉，然後可以驅動風扇或螺旋槳。

電機已經存在了 150 多年，據了解，電器或車輛越大，銅線圈和磁轉子越大，機器越重。電機產生的功率越大，產生的熱量就越多，這就需要額外的元件來保持組件的冷卻——所有這些都會佔用空間並顯著增加系統的重量，使其在飛機應用中具有挑戰性。

“重物不能帶上飛機，”Spakovszky 說。“所以我們必須想出一個緊湊、輕便且功能強大的架構。”

良好的彈道

按照設計，麻省理工學院的電動機和電力電子設備的大小與一個托運行李箱差不多，重量還不到一名成年乘客的重量。

電機的主要部件是：高速轉子，內襯排列著極性方向不同的磁鐵；一個緊湊的低損耗定子，安裝在轉子內部並包含複雜的銅繞組陣列；先進的熱交換器，可在傳遞機器扭矩的同時保持部件冷卻；以及一個由 30 個定制電路板製成的分佈式電力電子系統，可以精確地改變通過每個定子銅繞組的高頻電流。

“我相信這是第一個真正共同優化的集成設計，”Spakovszky 說。“這意味著我們進行了非常廣泛的設計空間探索，以綜合方式評估從熱管理到轉子動力學、電力電子和電機架構的所有考慮因素，以找出獲得所需特定功率的最佳組合一兆瓦。”

作為一個完整的系統，電機的設計使得分佈式電路板與電機緊密耦合，以最大限度地減少傳輸損耗，並允許通過集成熱交換器進行有效的空氣冷卻。

“這是一台高速機器，為了在產生扭矩的同時保持旋轉，磁場必須非常快速地傳播，我們可以通過高頻開關的電路板來做到這一點，”Spakovszky 說。

為了降低風險，該團隊分別構建和測試了每個主要組件，並證明它們可以按設計運行並在超出正常運行需求的條件下運行。研究人員計劃組裝第一台全功能電動機，並在秋季開始對其進行測試。

“飛機的電氣化一直在穩步上升，”伊利諾伊大學香檳分校可持續航空中心主任菲利普安塞爾說，他沒有參與該項目。“該小組的設計將傳統和尖端的電機開發方法完美結合，使其能夠提供穩健性和效率，以滿足未來飛機的實際需求。”

一旦麻省理工學院的團隊能夠展示整個電動機，他們表示該設計可以為支線飛機提供動力，也可以成為傳統噴氣發動機的伴侶，以實現混合動力推進系統。該團隊還設想，在未來的飛機配置中，多個 1 兆瓦的電機可以為沿機翼分佈的多個風扇提供動力。展望未來，一兆瓦電機設計的基礎可能會擴展到多兆瓦電機，為更大的客機提供動力。

“我認為我們正處於一個良好的軌道上，”Spakovszky 說，他的團隊和研究不僅僅關注燃氣輪機。“我們不是受過培訓的電氣工程師，但應對 2050 年氣候的重大挑戰至關重要；與電氣工程學院的教職員工和學生一起實現這一目標可以利用麻省理工學院廣泛的技術，使整體大於部分之和。因此，我們正在新領域重塑自我。麻省理工學院為您提供了這樣做的機會。”

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麻省理工學院的航空工程師正在製造一種 1 兆瓦的電動機，這是通向商用客機電氣化的墊腳石。圖為混合動力飛機的一些工業概念。