Ученые создают мегаваттный электродвигатель, который поможет электрифицировать крупные самолеты

Команда инженеров МТИ уже разработала и протестировала ключевые компоненты этого двигателя. Они также провели детальные расчеты, которые показали, что связанные компоненты могут работать вместе для генерации 1 мегаватта мощности. При этом вес и размер двигателя конкурентоспособны с современными небольшими авиадвигателями. Информация об этом размещена в журнале Tech Xplore.

Для электрификации крупных самолетов, таких как коммерческие авиалайнеры, требуются двигатели гораздо более высокой мощности. Эти двигатели будут использовать гибридные или турбоэлектрические системы, где электрическая машина соединена с газотурбинным аэродвигателем. Разработка двигателя мощностью 1 мегаватт МТИ открывает новые перспективы для достижения этой цели.

Команда предполагает, что для полной электризации возможно использование двигателя, который соединен с энергетическим источником, таким как батарея или топливный элемент. Затем этот двигатель может преобразовывать электрическую энергию в механическую работу для привода винтов самолета в работу. Электрическая машина также может быть связана с традиционным турбовентиляторным реактивным двигателем для работы в качестве гибридной силовой установки, что обеспечивает использование электрического привода на определенных этапах полета.

Спаковский и его команда, вместе с коллегами из отрасли, представят результаты своей работы на специальной сессии Симпозиума по электрическим авиационным технологиям (EATS) Американского института аэронавтики и астронавтики на авиационной конференции в июне.

С целью предотвращения наихудших последствий антропогенного изменения климата, ученые определили, что глобальные выбросы углекислого газа должны быть сведены к нулю к 2050 году. По словам Спасского, достижение этой цели в авиации потребует поэтапного прогресса в области проектирования нетрадиционных самолетов, интеллектуальных и гибких топливных систем, использования передовых материалов, а также безопасного и эффективного электрифицированного движения. Несколько компаний в аэрокосмической отрасли сосредоточены на разработке электрифицированных двигателей и создании мегаваттных электрических систем, которые обладают достаточной мощностью и легкостью для применения в пассажирских самолетах.

В общем, электродвигатель использует принцип электромагнитной силы для создания движения. Например, электродвигатели, которые питают вентиляторы в ноутбуках, используют электрическую энергию от батареи или другого источника питания для создания магнитного поля через медные катушки. Затем магнит, размещенный рядом с катушками, начинает вращаться в направлении сформированного поля и управляет работой вентилятора или винта.

Электрические машины существуют уже более 150 лет, и в этом процессе было изучено, что с увеличением размеров устройства или транспортного средства растут и размеры медных катушек и магнитного ротора, что делает машину тяжелее. Чем больше энергии генерирует электрическая машина, тем больше тепла она производит, что требует дополнительных компонентов для охлаждения и может добавлять значительный вес системе, что делает ее сложной для применения в авиации.

Основными компонентами данного двигателя являются следующие: высокоскоростной ротор, который оборудован массивом магнитов с различной полярностью; компактный статор с низкими потерями, помещенный внутри ротора и содержащий сложный массив медных обмоток; усовершенствованный теплообменник, который обеспечивает надежное охлаждение компонентов во время передачи крутящего момента; и распределенная система силовой электроники, состоящая из 30 специально разработанных печатных плат, которые точно регулируют токи, протекающие через каждую обмотку статора с высокой частотой.

В целом, этот двигатель разработан таким образом, чтобы распределенные печатные платы были тесно интегрированы с электрической машиной, минимизируя потери передачи и обеспечивая эффективное воздушное охлаждение через встроенный теплообменник.

Для минимизации рисков команда провела отдельное тестирование и проверку каждого основного компонента, демонстрируя их работоспособность и превышение обычных требований эксплуатации. В настоящее время исследователи готовятся к сборке первого полностью функционирующего электродвигателя и планируют начать его тестирование осенью.

Как только команда из Массачусетского технологического института сможет представить собранный электродвигатель, они заявляют, что его конструкция сможет питать региональные самолеты и быть дополнительным компонентом к традиционным реактивным двигателям, образуя гибридные электрические силовые установки. Команда также считает возможным использование нескольких одномегаваттных двигателей для питания нескольких вентиляторов, расположенных вдоль крыла в будущих конфигурациях самолетов. В перспективе, основы конструкции одномегаваттной электрической машины могут быть масштабированы до многомегаваттных двигателей для питания больших пассажирских самолетов.