Blog

Jun 27, 2023

Un motor eléctrico de megavatios diseñado por ingenieros del MIT podría ayudar a electrificar la aviación

Las imágenes para descargar en el sitio web de la oficina de noticias del MIT están disponibles para entidades no comerciales, prensa y público en general bajo una Atribución Creative Commons No Comercial Sin Derivados.

Las imágenes para descargar en el sitio web de la oficina de MIT News están disponibles para entidades no comerciales, prensa y público en general bajo una licencia Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. No puede modificar las imágenes proporcionadas, excepto recortarlas al tamaño. Se debe utilizar una línea de crédito al reproducir imágenes; Si no se proporciona uno a continuación, acredite las imágenes a "MIT".

Imagen anterior Imagen siguiente

La enorme huella de carbono de la aviación podría reducirse significativamente con la electrificación. Sin embargo, hasta la fecha sólo han despegado pequeños aviones totalmente eléctricos. Sus motores eléctricos generan cientos de kilovatios de potencia. Para electrificar aviones más grandes y pesados, como los aviones comerciales, se necesitan motores a escala de megavatios. Estos serían propulsados ​​por sistemas de propulsión híbridos o turboeléctricos en los que una máquina eléctrica está acoplada a un motor aeronáutico de turbina de gas.

Para satisfacer esta necesidad, un equipo de ingenieros del MIT está creando un motor de 1 megavatio que podría ser un paso clave hacia la electrificación de aviones más grandes. El equipo ha diseñado y probado los componentes principales del motor y ha demostrado mediante cálculos detallados que los componentes acoplados pueden funcionar como un todo para generar un megavatio de potencia, con un peso y tamaño competitivos con los pequeños motores aeronáuticos actuales.

Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo prevé que el motor podría combinarse con una fuente de electricidad, como una batería o una pila de combustible. Luego, el motor podría convertir la energía eléctrica en trabajo mecánico para impulsar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también podría combinarse con un motor a reacción turbofan tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante determinadas fases de un vuelo.

"No importa qué utilicemos como portador de energía (baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible), independientemente de todo eso, los motores de clase megavatios serán un factor clave para hacer que la aviación sea más ecológica", dice Zoltan Spakovszky, profesor T. Wilson. en Aeronáutica y Director del Laboratorio de Turbinas de Gas (GTL) del MIT, quien lidera el proyecto.

Spakovszky y miembros de su equipo, junto con colaboradores de la industria, presentarán su trabajo en una sesión especial del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica – Simposio de Tecnologías de Aeronaves Eléctricas (EATS) en la conferencia de Aviación en junio.

El equipo del MIT está compuesto por profesores, estudiantes y personal de investigación de GTL y el Laboratorio de Sistemas Electromagnéticos y Electrónicos del MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault y Mohammad Qasim, junto con Marc Amato de Innova-Logic LLC. El proyecto está patrocinado por Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Material pesado

Para evitar los peores impactos del cambio climático inducido por el hombre, los científicos han determinado que las emisiones globales de dióxido de carbono deben llegar a cero neto para 2050. Spakovszky afirma que alcanzar este objetivo para la aviación requerirá “logros radicales” en el diseño de aviones no convencionales. aviones, sistemas de combustible inteligentes y flexibles, materiales avanzados y propulsión electrificada segura y eficiente. Varias empresas aeroespaciales se centran en la propulsión electrificada y en el diseño de máquinas eléctricas a escala de megavatios que sean lo suficientemente potentes y ligeras como para propulsar aviones de pasajeros.

“No existe una solución milagrosa para que esto suceda, y el diablo está en los detalles”, dice Spakovszky. “Esto es ingeniería dura, en términos de cooptimizar componentes individuales y hacerlos compatibles entre sí mientras se maximiza el rendimiento general. Para hacer esto, tenemos que superar los límites en materiales, fabricación, gestión térmica, estructuras y rotordinámica, y electrónica de potencia”.

En términos generales, un motor eléctrico utiliza fuerza electromagnética para generar movimiento. Los motores eléctricos, como los que alimentan el ventilador de su computadora portátil, utilizan energía eléctrica (de una batería o fuente de alimentación) para generar un campo magnético, generalmente a través de bobinas de cobre. En respuesta, un imán, colocado cerca de las bobinas, gira en la dirección del campo generado y luego puede impulsar un ventilador o una hélice.

Las máquinas eléctricas existen desde hace más de 150 años, en el entendido de que, cuanto más grande es el aparato o el vehículo, más grandes son las bobinas de cobre y el rotor magnético, lo que hace que la máquina sea más pesada. Cuanta más energía genera la máquina eléctrica, más calor produce, lo que requiere elementos adicionales para mantener los componentes fríos; todo lo cual puede ocupar espacio y agregar un peso significativo al sistema, lo que lo convierte en un desafío para las aplicaciones de aviones.

"Las cosas pesadas no van en los aviones", dice Spakovszky. "Así que tuvimos que idear una arquitectura compacta, ligera y potente".

buena trayectoria

Tal como están diseñados, el motor eléctrico y la electrónica de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta facturada y pesan menos que un pasajero adulto.

Los componentes principales del motor son: un rotor de alta velocidad, revestido con una serie de imanes con orientación de polaridad variable; un estator compacto de bajas pérdidas que cabe dentro del rotor y contiene una intrincada serie de devanados de cobre; un avanzado intercambiador de calor que mantiene fríos los componentes mientras transmite el par de la máquina; y un sistema de electrónica de potencia distribuida, fabricado a partir de 30 placas de circuito hechas a medida, que cambian con precisión las corrientes que pasan por cada uno de los devanados de cobre del estator, a alta frecuencia.

"Creo que este es el primer diseño integrado verdaderamente cooptimizado", afirma Spakovszky. “Lo que significa que hicimos una exploración espacial de diseño muy extensa donde todas las consideraciones, desde la gestión térmica hasta la dinámica del rotor, la electrónica de potencia y la arquitectura de la máquina eléctrica, se evaluaron de manera integrada para descubrir cuál es la mejor combinación posible para obtener la potencia específica requerida. a un megavatio”.

Como sistema completo, el motor está diseñado de manera que las placas de circuito distribuido estén estrechamente acopladas con la máquina eléctrica para minimizar la pérdida de transmisión y permitir una refrigeración efectiva del aire a través del intercambiador de calor integrado.

"Esta es una máquina de alta velocidad, y para mantenerla girando mientras crea par, los campos magnéticos tienen que viajar muy rápido, lo que podemos hacer a través de nuestras placas de circuito conmutando a alta frecuencia", dice Spakovszky.

Para mitigar el riesgo, el equipo construyó y probó cada uno de los componentes principales individualmente y demostró que pueden operar según lo diseñado y en condiciones que exceden las demandas operativas normales. Los investigadores planean ensamblar el primer motor eléctrico en pleno funcionamiento y comenzar a probarlo en otoño.

"La electrificación de los aviones ha ido en constante aumento", afirma Phillip Ansell, director del Centro para la Aviación Sostenible de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, que no participó en el proyecto. "El diseño de este grupo utiliza una maravillosa combinación de métodos convencionales y de vanguardia para el desarrollo de máquinas eléctricas, lo que le permite ofrecer robustez y eficiencia para satisfacer las necesidades prácticas de los aviones del futuro".

Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su conjunto, dicen que el diseño podría impulsar aviones regionales y también podría ser un complemento de los motores a reacción convencionales, para permitir sistemas de propulsión híbridos-eléctricos. El equipo también prevé que múltiples motores de un megavatio podrían alimentar múltiples ventiladores distribuidos a lo largo del ala en futuras configuraciones de aviones. De cara al futuro, las bases del diseño de una máquina eléctrica de un megavatio podrían ampliarse a motores de varios megavatios, para impulsar aviones de pasajeros más grandes.

"Creo que estamos en una buena trayectoria", dice Spakovszky, cuyo grupo e investigación se han centrado en algo más que las turbinas de gas. “No somos ingenieros eléctricos de formación, pero abordar el gran desafío climático de 2050 es de suma importancia; Trabajar con profesores, personal y estudiantes de ingeniería eléctrica para este objetivo puede aprovechar la amplitud de tecnologías del MIT para que el todo sea mayor que la suma de las partes. Por eso nos estamos reinventando en nuevas áreas. Y el MIT te da la oportunidad de hacerlo”.

Los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo diseño compacto y liviano para un motor eléctrico de 1 megavatio que “podría abrir la puerta a la electrificación de aviones mucho más grandes”, informa Ed Gent para IEEE Spectrum. "La mayor parte del CO2 es producido por aviones de pasillo único y doble, que requieren grandes cantidades de potencia y energía a bordo, por lo que se necesitan máquinas eléctricas de megavatios para impulsar los aviones comerciales", afirma el profesor Zoltán Spakovszky. "Conseguir este tipo de máquinas de 1 MW es un paso clave hacia máquinas y niveles de potencia más grandes".

Artículo anterior Artículo siguiente

Artículo anterior Artículo siguiente