Von MIT-Ingenieuren entwickelter Megawatt-Elektromotor könnte zur Elektrifizierung der Luftfahrt beitragen

Jun 14, 2023

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Der enorme CO2-Fußabdruck der Luftfahrt könnte durch die Elektrifizierung deutlich schrumpfen. Bisher sind jedoch nur kleine vollelektrische Flugzeuge in die Luft geflogen. Ihre Elektromotoren erzeugen Hunderte Kilowatt Leistung. Um größere und schwerere Jets wie Verkehrsflugzeuge zu elektrifizieren, sind Motoren im Megawattbereich erforderlich. Diese würden durch hybride oder turboelektrische Antriebssysteme angetrieben, bei denen eine elektrische Maschine mit einem Gasturbinen-Flugtriebwerk gekoppelt ist.

Um diesen Bedarf zu decken, entwickelt ein Team von MIT-Ingenieuren derzeit einen 1-Megawatt-Motor, der ein wichtiger Schritt hin zur Elektrifizierung größerer Flugzeuge sein könnte. Das Team hat die Hauptkomponenten des Motors entworfen und getestet und durch detaillierte Berechnungen gezeigt, dass die gekoppelten Komponenten als Ganzes funktionieren können, um eine Leistung von einem Megawatt zu erzeugen, und das bei einem Gewicht und einer Größe, die mit aktuellen kleinen Flugzeugtriebwerken konkurrenzfähig sind.

Für vollelektrische Anwendungen stellt sich das Team vor, dass der Motor mit einer Stromquelle wie einer Batterie oder einer Brennstoffzelle gekoppelt werden könnte. Der Motor könnte dann die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln, um die Propeller eines Flugzeugs anzutreiben. Die elektrische Maschine könnte auch mit einem herkömmlichen Turbofan-Triebwerk gekoppelt werden, um als Hybridantriebssystem zu arbeiten und in bestimmten Phasen eines Fluges für elektrischen Antrieb zu sorgen.

„Ganz gleich, was wir als Energieträger verwenden – Batterien, Wasserstoff, Ammoniak oder nachhaltiger Flugtreibstoff – unabhängig davon werden Motoren der Megawattklasse ein entscheidender Faktor für die Ökologisierung der Luftfahrt sein“, sagt Zoltan Spakovszky, Professor bei T. Wilson in Luftfahrt und Direktor des Gas Turbine Laboratory (GTL) am MIT, der das Projekt leitet.

Spakovszky und Mitglieder seines Teams werden ihre Arbeit zusammen mit Branchenpartnern auf einer Sondersitzung des American Institute of Aeronautics and Astronautics – Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) auf der Aviation-Konferenz im Juni vorstellen.

Das MIT-Team besteht aus Fakultäten, Studenten und Forschungsmitarbeitern des GTL und des 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 und Mohammad Qasim, zusammen mit Marc Amato von Innova-Logic LLC. Das Projekt wird von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) gesponsert.

Schweres Zeug

Um die schlimmsten Auswirkungen des vom Menschen verursachten Klimawandels zu verhindern, haben Wissenschaftler ermittelt, dass die weltweiten Kohlendioxidemissionen bis 2050 netto Null erreichen müssen. Um dieses Ziel für die Luftfahrt zu erreichen, sind laut Spakovszky „bahnbrechende Erfolge“ bei der Gestaltung unkonventioneller Maßnahmen erforderlich Flugzeuge, intelligente und flexible Treibstoffsysteme, fortschrittliche Materialien und sichere und effiziente Elektroantriebe. Mehrere Luft- und Raumfahrtunternehmen konzentrieren sich auf elektrifizierte Antriebe und die Entwicklung elektrischer Maschinen im Megawatt-Maßstab, die leistungsstark und leicht genug sind, um Passagierflugzeuge anzutreiben.

„Es gibt kein Allheilmittel, um dies zu erreichen, und der Teufel steckt im Detail“, sagt Spakovszky. „Das ist harte Ingenieurskunst, wenn es darum geht, einzelne Komponenten gemeinsam zu optimieren und sie miteinander kompatibel zu machen und gleichzeitig die Gesamtleistung zu maximieren. Um dies zu erreichen, müssen wir die Grenzen bei Materialien, Fertigung, Wärmemanagement, Strukturen und Rotordynamik sowie Leistung verschieben.“ Elektronik"

Im Großen und Ganzen nutzt ein Elektromotor elektromagnetische Kraft, um Bewegung zu erzeugen. Elektromotoren, wie sie beispielsweise den Lüfter Ihres Laptops antreiben, nutzen elektrische Energie – von einer Batterie oder einem Netzteil –, um ein Magnetfeld zu erzeugen, typischerweise durch Kupferspulen. Als Reaktion darauf dreht sich ein in der Nähe der Spulen angebrachter Magnet in Richtung des erzeugten Feldes und kann dann einen Lüfter oder Propeller antreiben.

Elektrische Maschinen gibt es schon seit über 150 Jahren. Dabei gilt: Je größer das Gerät oder Fahrzeug, desto größer die Kupferspulen und der Magnetrotor, wodurch die Maschine schwerer wird. Je mehr Leistung die elektrische Maschine erzeugt, desto mehr Wärme erzeugt sie, was zusätzliche Elemente erfordert, um die Komponenten kühl zu halten – was alles Platz beanspruchen und das System erheblich schwerer machen kann, was es für Flugzeuganwendungen zu einer Herausforderung macht.

„Schweres Zeug geht nicht in Flugzeuge“, sagt Spakovszky. „Deshalb mussten wir eine kompakte, leichte und leistungsstarke Architektur entwickeln.“

Gute Flugbahn

Der MIT-Elektromotor und die Leistungselektronik haben konstruktionsbedingt etwa die Größe eines aufgegebenen Koffers und wiegen weniger als ein erwachsener Passagier.

Die Hauptkomponenten des Motors sind: ein Hochgeschwindigkeitsrotor, der mit einer Reihe von Magneten mit unterschiedlicher Polaritätsausrichtung ausgekleidet ist; ein kompakter, verlustarmer Stator, der in den Rotor passt und eine komplizierte Anordnung von Kupferwicklungen enthält; ein fortschrittlicher Wärmetauscher, der die Komponenten kühl hält und gleichzeitig das Drehmoment der Maschine überträgt; und ein verteiltes Leistungselektroniksystem, bestehend aus 30 speziell angefertigten Leiterplatten, das die Ströme, die durch jede Kupferwicklung des Stators fließen, mit hoher Frequenz präzise ändert.

„Ich glaube, dass dies das erste wirklich kooptimierte integrierte Design ist“, sagt Spakovszky. „Das bedeutet, dass wir eine sehr umfassende Designraumuntersuchung durchgeführt haben, bei der alle Überlegungen vom Wärmemanagement über die Rotordynamik bis hin zur Leistungselektronik und der Architektur der elektrischen Maschine auf integrierte Weise bewertet wurden, um herauszufinden, welche Kombination die bestmögliche ist, um die erforderliche spezifische Leistung zu erhalten.“ bei einem Megawatt.“

Als Gesamtsystem ist der Motor so konzipiert, dass die verteilten Leiterplatten eng mit der elektrischen Maschine gekoppelt sind, um Übertragungsverluste zu minimieren und eine effektive Luftkühlung durch den integrierten Wärmetauscher zu ermöglichen.

„Dies ist eine Hochgeschwindigkeitsmaschine, und um sie am Laufen zu halten und gleichzeitig ein Drehmoment zu erzeugen, müssen sich die Magnetfelder sehr schnell ausbreiten, was wir durch das Schalten unserer Leiterplatten mit hoher Frequenz erreichen können“, sagt Spakovszky.

Um das Risiko zu mindern, hat das Team jede der Hauptkomponenten einzeln gebaut und getestet und gezeigt, dass sie wie vorgesehen und unter Bedingungen funktionieren können, die über die normalen Betriebsanforderungen hinausgehen. Die Forscher wollen den ersten voll funktionsfähigen Elektromotor zusammenbauen und im Herbst mit der Erprobung beginnen.

„Die Elektrifizierung von Flugzeugen nimmt stetig zu“, sagt Phillip Ansell, Direktor des Center for Sustainable Aviation an der University of Illinois Urbana-Champaign, der nicht an dem Projekt beteiligt war. „Das Design dieser Gruppe nutzt eine wunderbare Kombination aus konventionellen und hochmodernen Methoden für die Entwicklung elektrischer Maschinen und bietet so Robustheit und Effizienz, um den praktischen Anforderungen zukünftiger Flugzeuge gerecht zu werden.“

Sobald das MIT-Team den Elektromotor als Ganzes demonstrieren kann, sagen sie, dass das Design Regionalflugzeuge antreiben und auch als Ergänzung zu herkömmlichen Düsentriebwerken dienen könnte, um hybridelektrische Antriebssysteme zu ermöglichen. Das Team geht außerdem davon aus, dass bei künftigen Flugzeugkonfigurationen mehrere 1-Megawatt-Motoren mehrere über den Flügel verteilte Ventilatoren antreiben könnten. Mit Blick auf die Zukunft könnten die Grundlagen des Entwurfs elektrischer Maschinen mit einer Megawattleistung möglicherweise auf Multi-Megawatt-Motoren ausgeweitet werden, um größere Passagierflugzeuge anzutreiben.

„Ich denke, wir sind auf einem guten Weg“, sagt Spakovszky, dessen Gruppe und Forschung sich auf mehr als nur Gasturbinen konzentriert haben. „Wir sind keine ausgebildeten Elektroingenieure, aber die Bewältigung der großen Klimaherausforderung 2050 ist von größter Bedeutung. Die Zusammenarbeit mit Lehrkräften, Mitarbeitern und Studenten der Elektrotechnik für dieses Ziel kann auf die Breite der Technologien des MIT zurückgreifen, sodass das Ganze größer ist als die Summe seiner.“ Teile. Deshalb erfinden wir uns in neuen Bereichen neu. Und das MIT bietet Ihnen die Möglichkeit dazu.“

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