Un moteur électrique mégawatt conçu par des ingénieurs du MIT pourrait aider à électrifier l'aviation

Jun 14, 2023

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L'énorme empreinte carbone de l'aviation pourrait diminuer considérablement avec l'électrification. À ce jour, cependant, seuls de petits avions tout électriques ont décollé. Leurs moteurs électriques génèrent des centaines de kilowatts de puissance. Pour électrifier des jets plus gros et plus lourds, tels que des avions de ligne commerciaux, des moteurs à l'échelle du mégawatt sont nécessaires. Ceux-ci seraient propulsés par des systèmes de propulsion hybrides ou turbo-électriques où une machine électrique est couplée à un moteur d'avion à turbine à gaz.

Pour répondre à ce besoin, une équipe d'ingénieurs du MIT crée actuellement un moteur de 1 mégawatt qui pourrait être un tremplin vers l'électrification d'avions plus gros. L'équipe a conçu et testé les principaux composants du moteur et a montré par des calculs détaillés que les composants couplés peuvent fonctionner ensemble pour générer un mégawatt de puissance, à un poids et une taille compétitifs par rapport aux petits moteurs d'avion actuels.

Pour les applications tout électriques, l'équipe envisage que le moteur puisse 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 couplée à un turboréacteur à double flux traditionnel pour fonctionner comme un système de propulsion hybride, assurant une propulsion électrique pendant certaines phases d'un vol.

"Peu importe ce que nous utilisons comme vecteur d'énergie - batteries, hydrogène, ammoniac ou carburant d'aviation durable - indépendamment de tout cela, les moteurs de classe mégawatt seront un catalyseur clé pour l'aviation verte", déclare Zoltan Spakovszky, professeur T. Wilson en aéronautique et le directeur du Gas Turbine Laboratory (GTL) du MIT, qui dirige le projet.

Spakovszky et les membres de son équipe, ainsi que des collaborateurs de l'industrie, présenteront leurs travaux 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 chercheurs de GTL et du Laboratoire des systèmes électromagnétiques et électroniques du MIT : 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).

Chose lourde

Pour prévenir les pires impacts du changement climatique induit par l'homme, les scientifiques ont déterminé que les émissions mondiales de dioxyde de carbone doivent atteindre zéro net d'ici 2050. Atteindre cet objectif pour l'aviation, selon Spakovszky, nécessitera des "réalisations radicales" dans la conception de systèmes non conventionnels. des avions, des systèmes de carburant intelligents et flexibles, des matériaux de pointe et une propulsion électrifiée sûre et efficace. Plusieurs entreprises aérospatiales se concentrent sur la propulsion électrifiée et la conception de machines électriques à l'échelle du mégawatt qui sont suffisamment puissantes et légères pour propulser des avions de passagers.

"Il n'y a pas de solution miracle pour que cela se produise, et le diable est dans les détails", a déclaré Spakovszky. "C'est une ingénierie difficile, en termes de co-optimisation des composants individuels et de les rendre compatibles les uns avec les autres tout en maximisant les performances globales. Pour ce faire, nous devons repousser les limites des matériaux, de la fabrication, de la gestion thermique, des structures et de la dynamique du rotor, et de l'électronique de puissance"

D'une manière générale, un moteur électrique utilise la force électromagnétique pour générer un mouvement. Les moteurs électriques, tels que ceux qui alimentent le ventilateur de votre ordinateur portable, utilisent l'énergie électrique - à partir d'une batterie ou d'une alimentation - pour générer un champ magnétique, généralement à travers des bobines de cuivre. En réponse, un aimant, placé près des bobines, tourne alors dans la direction du champ généré et peut alors entraîner un ventilateur ou une hélice.

Les machines électriques existent depuis plus de 150 ans, étant entendu que plus l'appareil ou le véhicule est gros, plus les bobines de cuivre et le rotor magnétique sont gros, ce qui alourdit la machine. Plus la machine électrique génère de puissance, plus elle produit de chaleur, ce qui nécessite des éléments supplémentaires pour maintenir les composants au frais, ce qui peut prendre de la place et ajouter un poids important au système, ce qui le rend difficile pour les applications aéronautiques.

"Les objets lourds ne vont pas dans les avions", déclare Spakovszky. "Nous avons donc dû proposer une architecture compacte, légère et puissante."

Bonne trajectoire

Tels qu'ils ont été conçus, le moteur électrique et l'électronique de puissance du MIT ont à peu près la taille d'une valise enregistrée et pèsent moins qu'un passager adulte.

Les principaux composants du moteur sont les suivants : un rotor à grande vitesse, doublé d'un réseau d'aimants à orientation de polarité variable ; un stator compact à faible perte qui s'adapte 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, composé de 30 cartes de circuits imprimés sur mesure, qui modifient précisément les courants traversant chacun des enroulements de cuivre du stator, à haute fréquence.

"Je pense qu'il s'agit de la première conception intégrée véritablement co-optimisée", déclare Spakovszky. "Ce qui signifie que nous avons effectué une exploration très approfondie de l'espace de conception où toutes les considérations, de la gestion thermique à la dynamique du rotor, en passant par l'électronique de puissance et l'architecture de la machine électrique, 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 sorte que les cartes de circuits imprimés distribués soient étroitement couplées à la machine électrique afin de minimiser les pertes de transmission et de permettre un refroidissement efficace de l'air à travers l'échangeur de chaleur intégré.

"Il s'agit d'une machine à grande vitesse, et pour la maintenir en rotation tout en créant un couple, les champs magnétiques doivent se déplacer très rapidement, ce que nous pouvons faire grâce à nos circuits imprimés commutant à haute fréquence", explique Spakovszky.

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.

"L'électrification des avions n'a cessé d'augmenter", explique Phillip Ansell, directeur du Center for Sustainable Aviation de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui n'a pas participé au projet. "La conception de ce groupe utilise une merveilleuse combinaison de méthodes conventionnelles et de pointe pour le développement de machines électriques, lui permettant d'offrir à la fois robustesse et efficacité pour répondre aux besoins pratiques des avions du futur."

Une fois que l'équipe du MIT pourra démontrer le moteur électrique dans son ensemble, elle affirme que la conception pourrait propulser des avions régionaux et pourrait également être un compagnon des moteurs à réaction conventionnels, pour permettre des systèmes de propulsion hybrides-électriques. 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 bases de la conception de la machine électrique d'un mégawatt pourraient potentiellement être étendues à des moteurs de plusieurs mégawatts, pour alimenter des avions de passagers plus gros.

"Je pense que nous sommes sur une bonne trajectoire", déclare Spakovszky, dont le groupe et les recherches se sont concentrés sur plus que les turbines à gaz. "Nous ne sommes pas des ingénieurs électriciens de formation, mais relever le grand défi climatique de 2050 est de la plus haute importance ; travailler avec les professeurs, le personnel et les étudiants en génie électrique pour atteindre cet objectif peut s'appuyer sur l'étendue des technologies du MIT afin que l'ensemble soit supérieur à la somme des Nous nous réinventons donc dans de nouveaux domaines. Et le MIT vous donne l'opportunité de le faire.

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