MITチームが電気航空用1MWモーターを開発

MIT のエンジニアのチームは、大型航空機の電動化に向けた重要な足がかりとなる可能性のある 1MW モーターを開発しています。 チームはモーターの主要コンポーネントを設計およびテストし、詳細な計算を通じて、結合されたコンポーネントが全体として機能して、現在の小型航空エンジンに匹敵する重量とサイズで 1 メガワットの電力を生成できることを示しました。

設計中のモーターは、1 MW、空冷、アウターローター、ハルバッハ配列 PMSM です。 コンポーネントレベルのリスク軽減実験により、プロトタイプマシンの性能が設計仕様と一致することが示されました。

(ハルバッハ配列ローターは、磁石の特定の配置を使用して、一方の側の磁界強度を高め、もう一方の側の磁界を大幅に低減します。最も一般的な配置は、各磁石が相対的に特定の角度だけ回転する一連の磁石です。この磁石の回転により、不均一な磁場分布が形成されます。片側に集中した磁場により、ステータとのより強力かつ効率的な磁気相互作用がもたらされ、トルクや出力の向上につながります。反対側では、他のコンポーネントや外部オブジェクトとの不要な相互作用を最小限に抑えることができます。)

ステータコア損失の推定値は、トロイダルサンプルとフルサイズのステータ積層板の実験測定を通じて検証されています。 ラミネート接合プロセスにより、Fe-Co-V 材料のコア損失が 1.2 倍に増加します。

モジュール式の単相巻線パターンにより、単相インバータ駆動が可能になり、システムの堅牢性と電力密度が向上します。 固定子巻線のプロセスと絶縁は、固定子巻線のモックアップによって実証されています。

ターボ電気推進用の高出力密度電気機械。 ペロー 2023。

チームはハルバッハ配列ローターの新しいモデルを導入し、設計プロセス中に FEA に代わる計算効率の高い代替手段を提供しました。 ハルバッハ配列ローターにより、ローターのバックアイアンが不要になります。 代わりに、永久磁石を保持するために軽量のチタンリムが使用されています。 モデルは FEA および実験データと 5% 以内で一致します。 このモデルはシンプルで使いやすく、さまざまなマシン トポロジーに簡単に適応できます。

電気機械の設計仕様

全電気アプリケーションの場合、チームはモーターをバッテリーや燃料電池などの電源と組み合わせることができると想定しています。 その後、モーターは電気エネルギーを機械的仕事に変換して、飛行機のプロペラに動力を供給することができます。 この電気機械を従来のターボファン ジェット エンジンと組み合わせてハイブリッド推進システムとして動作させ、飛行の特定の段階で電気推進を提供することもできます。

バッテリー、水素、アンモニア、持続可能な航空燃料など、エネルギー媒体として何を使用するとしても、それらすべてとは関係なく、メガワット級のモーターは航空のグリーン化を実現する重要な要素となります。

スパコフスキー氏と彼のチームのメンバーは、業界の協力者とともに、6月に開催される航空カンファレンスでのアメリカ航空宇宙学会 – 電動航空機技術シンポジウム（EATS）の特別セッションで、5つの論文のセットを通じて研究成果を発表する予定です。

MIT チームは、GTL および MIT 電磁電子システム研究所の教員、学生、研究スタッフで構成されています。ヘンリー・アンダーセン・ユアンカン・チェン、ザカリー・コルデロ、デビッド・クアドラード、エドワード・グレイツァー、シャーロット・ガンプ、ジェームズ・カートリー・ジュニア、ジェフリー・ラング、David Otten、David Perreault、Mohammad Qasim、および Innova-Logic LLC の Marc Amato です。 このプロジェクトは三菱重工業 (MHI) によって後援されています。

設計どおり、MIT の電気モーターとパワー エレクトロニクスはそれぞれ、預けられるスーツケースほどの大きさで、重さは大人の乗客よりも軽いです。

モーターの主なコンポーネントは次のとおりです。極性の向きが異なる一連の磁石が並んだ高速ローター。 コンパクトな低損失ステーターはローターの内側に収まり、複雑な銅巻線が含まれています。 機械のトルクを伝達しながらコンポーネントを冷却する高度な熱交換器。 そして、30 枚の特注回路基板で作られた分散型パワー エレクトロニクス システムは、ステーターの各銅巻線に流れる電流を高周波で正確に変更します。

これは、真に相互最適化された最初の統合設計であると私は信じています。つまり、熱管理からローターダイナミクス、パワーエレクトロニクス、電気機械のアーキテクチャに至るまで、すべての考慮事項が統合された方法で評価され、非常に広範な設計空間の探索が行われたことを意味します。 1メガワットで必要な比電力を得るために可能な最良の組み合わせは何ですか。

システム全体として、モーターは、分散回路基板が電気機械と密接に結合されるように設計されており、伝送損失を最小限に抑え、統合された熱交換器による効果的な空冷が可能になります。

これは高速マシンであり、トルクを生成しながら回転を維持するには、磁場が非常に速く伝わる必要があります。これは、回路基板を高周波でスイッチングすることで実現できます。

リスクを軽減するために、チームは主要コンポーネントを個別に構築およびテストし、それらが設計どおりに、通常の運用要求を超える条件でも動作できることを示しました。 研究者らは、初めて完全に動作する電気モーターを組み立て、秋にテストを開始する予定だ。

MITチームが電気モーター全体を実証できれば、この設計は地域航空機に動力を供給できるほか、従来のジェットエンジンと組み合わせてハイブリッド電気推進システムを実現できる可能性があるとしている。 研究チームはまた、将来の航空機構成では、複数の1メガワットモーターが翼に沿って分散された複数のファンに電力を供給できる可能性があると構想している。 将来的には、1 メガワットの電気機械設計の基礎が、より大型の旅客機に電力を供給するために、マルチメガワットのモーターにスケールアップされる可能性があります。

リソース

論文：「航空機推進用高比出力電気機械の設計と製造」

論文: 「ターボ電気推進用のメガワット級電気機械技術実証機」

論文:「1メガワット超軽量モータードライブ用インバーターの設計と最適化」

論文：「メガワット級統合モータ駆動技術実証機向けの新規チャネル型熱交換器」

論文：「メガワット級統合モータ駆動技術実証機向け高速ローターシステム」

投稿日: 2023 年 6 月 10 日: 航空および航空宇宙, 電気 (バッテリー), 市場の背景, モーター | パーマリンク | コメント (0)