MITのエンジニアが設計したメガワット電気モーターは航空の電動化に役立つ可能性がある

Jun 14, 2023

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航空業界の膨大な二酸化炭素排出量は、電化によって大幅に縮小する可能性があります。 しかし、これまでに離陸したのは小型の全電気飛行機だけです。 彼らの電気モーターは数百キロワットの電力を生成します。 民間旅客機など、より大きく重いジェット機を電動化するには、メガワット規模のモーターが必要です。 これらは、電気機械がガスタービン航空エンジンと結合されたハイブリッドまたはターボ電気推進システムによって推進されることになる。

このニーズを満たすために、MIT エンジニアのチームは現在、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 1 メガワットの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。

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可能にする重要な要素となるでしょう」と、T.ウィルソン教授のゾルタン・スパコフスキー氏は述べています。航空学博士であり、MIT のガスタービン研究所 (GTL) の所長であり、プロジェクトを主導しています。

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米国航空宇宙学会 – 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。

重いもの

人間が引き起こした気候変動による最悪の影響を防ぐため、科学者らは、世界の二酸化炭素排出量を2050年までに実質ゼロに達成する必要があると決定した。航空分野でこの目標を達成するには、型破りな航空機の設計における「段階的変化の成果」が必要になるとスパコフスキー氏は言う。航空機、スマートで柔軟な燃料システム、先端材料、安全で効率的な電動推進。 複数の航空宇宙企業が、電動推進と、旅客機を推進するのに十分な強力かつ軽量なメガワット規模の電気機械の設計に焦点を当てています。

「これを実現する特効薬はありません。悪魔は細部に宿ります」とスパコフスキー氏は言う。 「これは、個々のコンポーネントを共同最適化し、全体的なパフォーマンスを最大化しながら相互に互換性を持たせるという点で、ハードエンジニアリングです。これを行うには、材料、製造、熱管理、構造、ローターダイナミクス、およびパワーの限界を押し広げる必要があることを意味します」エレクトロニクス"

大まかに言えば、電気モーターは電磁力を使用して運動を生成します。 ラップトップのファンに電力を供給するモーターなどの電気モーターは、バッテリーまたは電源からの電気エネルギーを使用して、通常は銅コイルを通じて磁界を生成します。 これに応じて、コイルの近くに設置された磁石が生成された磁場の方向に回転し、ファンまたはプロペラを駆動します。

電気機械は 150 年以上前から存在しており、電気製品や車両が大きくなればなるほど、銅製のコイルや磁気ローターも大きくなり、機械が重くなるという認識がありました。 電気機械が生成する電力が増えるほど、発生する熱も多くなり、コンポーネントを冷却するために追加の要素が必要になります。これらすべてがスペースを占有し、システムの重量が大幅に増加する可能性があるため、航空機用途では困難になります。

「飛行機には重いものは乗せられません」とスパコフスキー氏は言う。 「そのため、コンパクト、軽量、そして強力なアーキテクチャを考え出す必要がありました。」

良い弾道

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、真に共同最適化された最初の統合設計だと思います」とスパコフスキー氏は言う。 「これは、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すべての考慮事項が統合された方法で評価され、必要な特定の出力を得るために可能な最良の組み合わせが何かを見つけるために、非常に広範な設計領域の調査を行ったことを意味します。」 1メガワットで。」

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、磁場が非常に速く移動する必要があります。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」とスパコフスキー氏は言います。

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。

「航空機の電動化は着実に進んでいます」と、このプロジェクトには関与していないイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の持続可能な航空センター所長フィリップ・アンセル氏は言う。 「このグループの設計は、電気機械の開発に従来の方法と最先端の方法を見事に組み合わせて使用​​しており、将来の航空機の実用的なニーズを満たす堅牢性と効率性の両方を提供することができます。」

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。

「我々は良い軌道に乗っていると思います」とスパコフスキー氏は言う。彼のグループと研究はガスタービン以外にも焦点を当てている。 「私たちは訓練を受けて電気技術者になったわけではありませんが、2050 年の気候変動という大きな課題に取り組むことが最も重要です。この目標に向けて電気工学の教員、スタッフ、学生と協力することで、MIT の幅広い技術を活用できるため、全体としては、 「部品です。ですから、私たちは新しい分野で自分自身を再発明しています。そして、MIT はあなたにそれを行う機会を与えます。」

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