Une équipe du MIT développe un moteur de 1 MW pour l'aviation électrique

Une équipe d’ingénieurs du MIT développe un moteur de 1 MW qui pourrait être un tremplin clé vers l’électrification de plus gros avions. L’équipe a conçu et testé les principaux composants du moteur, et a montré par des calculs détaillés que les composants couplés peuvent fonctionner comme un tout pour générer un mégawatt de puissance, à un poids et une taille compétitifs par rapport aux petits moteurs d’avion actuels.

Le moteur en cours de conception est un PMSM Halbach-array de 1 MW, refroidi par air, à rotor extérieur. Les expériences d’atténuation des risques au niveau des composants indiquent que les performances de la machine prototype correspondront aux spécifications de conception.

(Un rotor de réseau Halbach utilise un arrangement spécifique d’aimants pour améliorer l’intensité du champ magnétique d’un côté tout en réduisant considérablement le champ magnétique de l’autre côté. La disposition la plus courante est une série d’aimants où chaque aimant est tourné d’un certain angle par rapport à ses aimants voisins. Cette rotation des aimants crée une distribution de champ magnétique non uniforme. Le champ magnétique concentré d’un côté fournit une interaction magnétique plus forte et plus efficace avec le stator, ce qui peut améliorer le couple ou la puissance. Le champ magnétique réduit du côté opposé peut minimiser les interactions indésirables avec d’autres composants ou objets externes.)

L’estimation de la perte du cœur du stator a été validée par des mesures expérimentales sur des échantillons toroïdaux et des laminations de stator pleine grandeur. Le processus de collage par laminage augmente la perte de noyau du matériau Fe-Co-V d’un facteur de 1,2.

Un modèle d’enroulement monophasé modulaire augmente la robustesse et la densité de puissance du système en permettant des entraînements d’onduleurs monophasés. Le processus d’enroulement et l’isolation du stator ont été démontrés avec succès par un enroulement de stator de maquette.

Machine électrique à haute densité de puissance pour la propulsion turboélectrique. Perreault 2023.

L’équipe a présenté un nouveau modèle pour les rotors de réseau Halbach, offrant une alternative efficace au FEA sur le plan informatique pendant le processus de conception. Le rotor du réseau Halbach élimine le besoin de fer arrière du rotor. Au lieu de cela, une jante en titane légère est utilisée pour retenir les aimants permanents. Le modèle correspond à la FEA et aux données expérimentales à moins de 5%. Le modèle est simple, facile à utiliser et facile à adapter aux différentes toplogies de machines.

Spécifications de conception des machines électriques

Pour les applications entièrement électriques, l’équipe envisage que le moteur pourrait être associé à une source d’électricité telle qu’une batterie ou une pile à combustible. Le moteur pourrait alors transformer l’énergie électrique en travail mécanique pour alimenter les hélices d’un avion. La machine électrique pourrait également être jumelée à un turboréacteur à double flux traditionnel pour fonctionner comme un système de propulsion hybride, fournissant une propulsion électrique pendant certaines phases d’un vol.

Peu importe ce que nous utilisons comme vecteur énergétique – batteries, hydrogène, ammoniac ou carburant d’aviation durable – indépendamment de tout cela, les moteurs de la classe mégawatts seront un catalyseur clé pour l’écologisation de l’aviation.

Spakovszky et les membres de son équipe, ainsi que des collaborateurs de l’industrie, présenteront leurs travaux via un ensemble de cinq articles lors d’une session spéciale de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics – Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) lors de la conférence Aviation en juin.

L’équipe du MIT est composée de professeurs, d’étudiants et de personnel de recherche du GTL et du MIT Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems : Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang, David Otten, David Perreault et Mohammad Qasim, ainsi que Marc Amato d’Innova-Logic LLC. Le projet est parrainé par Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Tel que conçu, le moteur électrique et l’électronique de puissance du MIT ont chacun à peu près la taille d’une valise enregistrée pesant moins d’un passager adulte.

Les principaux composants du moteur sont: un rotor à grande vitesse, doublé d’un réseau d’aimants avec une orientation variable de polarité; un stator compact à faible perte qui s’insère à l’intérieur du rotor et contient un réseau complexe d’enroulements en cuivre; un échangeur de chaleur avancé qui maintient les composants au frais tout en transmettant le couple de la machine; et un système d’électronique de puissance distribuée, fabriqué à partir de 30 cartes de circuits imprimés sur mesure, qui modifient avec précision les courants traversant chacun des enroulements en cuivre du stator, à haute fréquence.

Je crois qu’il s’agit de la première conception intégrée véritablement co-optimisée, ce qui signifie que nous avons effectué une exploration très approfondie de l’espace de conception où toutes les considérations allant de la gestion thermique à la dynamique du rotor, en passant par l’électronique de puissance et l’architecture des machines électriques ont été évaluées de manière intégrée pour déterminer quelle est la meilleure combinaison possible pour obtenir la puissance spécifique requise à un mégawatt.

Dans l’ensemble du système, le moteur est conçu de manière à ce que les cartes de circuits distribués soient couplées à proximité de la machine électrique afin de minimiser les pertes de transmission et de permettre un refroidissement efficace de l’air via l’échangeur de chaleur intégré.

Il s’agit d’une machine à grande vitesse, et pour la maintenir en rotation tout en créant du couple, les champs magnétiques doivent se déplacer très rapidement, ce que nous pouvons faire grâce à la commutation de nos cartes de circuits imprimés à haute fréquence.

Pour atténuer les risques, l’équipe a construit et testé chacun des principaux composants individuellement, et a montré qu’ils peuvent fonctionner comme prévu et dans des conditions dépassant les exigences opérationnelles normales. Les chercheurs prévoient d’assembler le premier moteur électrique entièrement fonctionnel et de commencer à le tester à l’automne.

Une fois que l’équipe du MIT pourra démontrer le moteur électrique dans son ensemble, ils disent que la conception pourrait alimenter les avions régionaux et pourrait également être un compagnon des moteurs à réaction conventionnels, pour permettre des systèmes de propulsion hybride-électrique. L’équipe envisage également que plusieurs moteurs d’un mégawatt pourraient alimenter plusieurs ventilateurs répartis le long de l’aile sur les futures configurations d’avions. À l’avenir, les fondements de la conception de la machine électrique d’un mégawatt pourraient potentiellement être étendus à des moteurs de plusieurs mégawatts, pour alimenter de plus gros avions de passagers.

Ressources

Papier: « Conception et fabrication d’une machine électrique à haute puissance spécifique pour la propulsion d’avions »

Papier: « Un démonstrateur de technologie de machine électrique de classe mégawatt pour la propulsion turbo-électrique »

Article: « Conception et optimisation d’un onduleur pour un entraînement de moteur ultra-léger d’un mégawatt »

Article : « Novel Channel-type Heat Exchanger for a Megawatt-Class Integrated Motor Drive Technology Demonstrator »

Article: « High Speed Rotor System for a Megawatt-Class Integrated Motor Drive Technology Demonstrator »

Publié le 10 juin 2023 dans Aviation et aérospatiale, Électrique (batterie), Contexte du marché, Moteurs | Permalien | Commentaires (0)