研究人员发布一种新的兆瓦级电机的紧凑型轻型设计

航空业的目标是通过给飞机通电来减少部分碳排放，但该行业严格的重量限制使这一目标变得困难。事实证明，制造与喷气发动机功率重量比相匹配的电动机尤其具有挑战性，因此大多数努力都局限于小型飞机。据悉，MIT（麻省理工学院）的研究人员发布了一种新的兆瓦级电机的紧凑型轻型设计，这可能为更大的飞机供电打开大门。

虽然汽车行业正在经历从化石燃料到电池动力的转型，但在航空业要困难得多。现代电池的能量密度仍然太低，无法为飞机提供长距离的动力，这就是为什么像Eviation这样的公司专注于短途城际间运送，而许多EVTOL公司的目标是日常通勤。

“There is no silver bullet when it comes to achieving the required paradigm shift in specific power. Many things together make the design possible, and the devil is in the details.”
—Zoltán Spakovszky, MIT

电池可能会受到大部分的关注，但它们并不是唯一一个存在重量问题的地方。给电机通电也是一个挑战。电动机通过使电流通过大量的铜线和钢来产生推力，从而产生可以转动转子的磁场。MIT航空教授Zoltán Spakovszky说，这些材料本身就很重，这使得制造具有高功率重量比（也称为比功率）的电动机变得困难。这是因为制造更强大的电机意味着添加更多的金属。

因此，目前电动飞机中使用的电机只能产生数百千瓦的功率，这对于大型飞机来说太少了。但在6月12日至16日在圣地亚哥举行的AIAA AVIATION论坛上发表的研究中，Spakovszky和他的同事公布了一种能够产生1兆瓦电力的电动机的设计。他们说，这一成就将使支线飞机的电气化触手可及。

 

MIT

Spakovszky说：“大部分二氧化碳是由双通道和单通道飞机产生的，这需要大量的电力和机上能量，因此需要兆瓦级的电机来为商业客机供电。实现1兆瓦的此类机器是实现更大机器和功率水平的关键垫脚石。”

该团队的设计特点是一个圆形鼓——转子的内表面衬有永磁体。转子内部有一个定子——一块圆柱形的钢片，外表面覆盖着突出的“齿”。这些齿覆盖着密集的铜线。电流通过这些电线会产生一个强磁场，该磁场与转子上的永磁体相互作用，使滚筒旋转并驱动电机。

MIT的团队尚未组装他们的设备，但他们已经测试了所有主要组件，并在模拟中证明了它将能够达到预期的功率水平。当完全组装好时，电机的重量将达到57.4公斤，相当于每公斤17千瓦的比功率，大大高于美国NASA先前的研究确定的为大型电动飞机提供动力所需的13kW/kg。

Spakovszky说，做到这样并不简单。他说：“在实现特定权力所需的范式转变方面，没有灵丹妙药。许多因素加在一起使设计成为可能，而挑战在于细节。”

通常，转子包括一层重钢，有助于集中永磁体的磁场。该团队通过将磁铁小心地排列在不同的方向，使其能够用更轻的钛鼓代替钢，从而达到了同样的效果。

该设计还采用了极其紧凑的定子设计，提高了电气效率，并采用了由30块定制电路板制成的高速电力电子系统。这些板可以使定子中的电流以难以置信的高频率交替，从而显著提高电机的旋转速度。

最关键的因素之一是团队处理热管理的方式。Spakovszky说，生产1兆瓦的电力可以产生大约50千瓦的热量。他说：“想想汽车发动机全速运转，把所有的功转化为热量。生产1兆瓦的电力可以产生大约50千瓦的热量。他说：“想想汽车发动机全速运转，把所有的功转化为热量。”

MIT团队的设计特点是一种由铝合金制成的新型风冷热交换器，位于定子内部。圆柱形结构的特点是由小空气通道组成的蜂窝，其复杂的几何形状意味着它必须进行3D打印。但Spakovszky说，这种设计使团队能够实现接近液体系统的冷却效率，同时保持所需的结构完整性。

“很高兴看到MIT取得的进展，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电气和计算机工程教授Kiruba Haran说，“他们有一支优秀的团队，并采取了良好的多学科方法。这是实现这一目标的唯一途径。” MIT并不是唯一一家开发兆瓦级电动机的机构。自2014年以来，美国NASA一直通过其先进航空运输技术项目支持制造大功率电动机的努力，资助了多所大学等。

俄亥俄州和伊利诺伊州的团队都测试了兆瓦级电机的原型。去年，工程巨头通用电气宣布，它已经在模拟真实飞行的条件下测试了一个兆瓦级的推进系统。Haran的团队现在正试图通过一个名为Hinetics的衍生产品将他们的电机商业化。

Haran说，即使电池技术需要时间才能赶上，兆瓦级电动机也可能很快对航空业产生影响。氢和氨等化石燃料替代品可能依赖于将化学能转化为电能的燃料电池，因此需要电力推进系统。混合动力系统可能会更早出现，其中电动机与燃气轮机集成，以允许飞行部分的电池供电操作。

Spakovszky说，电动机也将是实现更不寻常和高效的飞机配置（如分布式推进）的关键。这个想法是用许多安装在机翼前缘甚至机身上的小型电动机取代悬挂在机翼下的大型喷气发动机。

Spakovszky说：“我相信，要实现净零排放，未来的飞机必须看起来有所不同，而兆瓦级电机是非常规飞机配置的关键推动者。”