Un equipo de ingenieros del MIT está desarrollando un motor de 1 MW que podría ser un paso clave hacia la electrificación de aeronaves 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 en conjunto para generar un megavatio de potencia, con un peso y tamaño competitivos con los motores aeroespaciales pequeños actuales.
El motor en diseño es un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) de 1 MW, enfriado por aire, con rotor externo y matriz Halbach. Los experimentos de mitigación de riesgos a nivel de componentes indican que el rendimiento de la máquina prototipo coincidirá con las especificaciones de diseño.
Un rotor de matriz Halbach utiliza una disposición específica de imanes para aumentar la fuerza del campo magnético en un lado, al tiempo que reduce significativamente el campo magnético en el otro lado. La disposición más común es una serie de imanes donde cada imán está girado un cierto ángulo con respecto a los imanes vecinos. Esta rotación de imanes crea una distribución de campo magnético no uniforme. El campo magnético concentrado en un lado proporciona una interacción magnética más fuerte y eficiente con el estator, lo que puede conducir a un mayor par o rendimiento de potencia. El campo magnético reducido en el lado opuesto puede minimizar interacciones no deseadas con otros componentes u objetos externos.
La estimación de pérdida en el núcleo del estator se ha validado mediante medidas experimentales en muestras toroidales y laminaciones de estator de tamaño completo. El proceso de unión de las laminaciones aumenta la pérdida en el núcleo del material Fe-Co-V en un factor de 1.2.
Un patrón de bobinado modular de fase única aumenta la robustez y densidad de potencia del sistema al permitir accionamientos de inversor de fase única. El proceso de bobinado y aislamiento del estator se ha demostrado con éxito mediante un prototipo de bobinado del estator.
El equipo ha introducido un nuevo modelo para los rotores de matriz Halbach, que ofrece una alternativa computacionalmente eficiente a los análisis de elementos finitos durante el proceso de diseño. El rotor de matriz Halbach elimina la necesidad de hierro en el rotor. En su lugar, se utiliza un aro de titanio ligero para retener los imanes permanentes. El modelo coincide con los datos de análisis de elementos finitos y experimentales dentro de un 5%. El modelo es simple, fácil de usar y fácil de adaptar a diferentes topologías de máquinas.
Para aplicaciones totalmente eléctricas, el equipo imagina que el motor podría combinarse con una fuente de electricidad como una batería o una celda de combustible. El motor podría convertir entonces la energía eléctrica en trabajo mecánico para alimentar las hélices de un avión. La máquina eléctrica también podría combinarse con un motor a reacción turbofán tradicional para funcionar como un sistema de propulsión híbrido, proporcionando propulsión eléctrica durante ciertas fases de un vuelo.
Sin importar lo que usemos como portador de energía, ya sea baterías, hidrógeno, amoníaco o combustible de aviación sostenible, independientemente de todo eso, los motores de clase de megavatios serán un factor clave para hacer que la aviación sea más ecológica.
Zoltan Spakovszky
Spakovszky y los miembros de su equipo, junto con colaboradores de la industria, presentarán su trabajo a través de una serie de cinco artículos en una sesión especial del Simposio de Tecnologías de Aeronaves Eléctricas (EATS) del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica en la conferencia de Aviación.
Según el diseño, el motor eléctrico y la electrónica de potencia del MIT tienen aproximadamente el tamaño de una maleta de equipaje facturado y pesan menos que un pasajero adulto.
Los principales componentes del motor son: un rotor de alta velocidad revestido con una matriz de imanes con orientación de polaridad variable; un estator compacto de baja pérdida que se ajusta dentro del rotor y contiene una intrincada matriz de bobinados de cobre; un intercambiador de calor avanzado que mantiene los componentes refrigerados mientras transmite el par de la máquina; y un sistema de electrónica de potencia distribuida, compuesto por 30 placas de circuito especialmente diseñadas, que cambian con precisión las corrientes que atraviesan cada uno de los bobinados de cobre del estator a alta frecuencia.
Creo que este es el primer diseño integrado verdaderamente cooptimizado, lo que significa que realizamos una exploración extensa del espacio de diseño donde se evaluaron todas las consideraciones, desde la gestión térmica hasta la dinámica del rotor, pasando por la electrónica de potencia y la arquitectura de la máquina eléctrica, de manera integrada para encontrar la mejor combinación posible y obtener la potencia específica requerida en un megavatio.
Zoltan Spakovszky
Como sistema completo, el motor está diseñado de manera que las placas de circuito distribuidas estén acopladas de cerca con la máquina eléctrica para minimizar las pérdidas de transmisión y permitir una refrigeración eficaz a través del intercambiador de calor integrado.
Esta es una máquina de alta velocidad, y para mantenerla girando mientras crea par, los campos magnéticos deben viajar muy rápidamente, lo cual podemos lograr a través de nuestras placas de circuito que cambian a alta frecuencia.
Zoltan Spakovszky
Para mitigar el riesgo, el equipo ha construido y probado cada uno de los principales componentes por separado, y ha demostrado que pueden funcionar según lo diseñado y en condiciones que superan las demandas operativas normales. Los investigadores planean ensamblar el primer motor eléctrico completamente funcional y comenzar las pruebas en otoño.
Una vez que el equipo del MIT pueda demostrar el motor eléctrico en su conjunto, afirman que el diseño podría alimentar aeronaves regionales y también podría ser un complemento para los motores a reacción convencionales, para habilitar sistemas de propulsión híbrido-eléctrico. El equipo también visualiza que varios motores de un megavatio podrían alimentar múltiples ventiladores distribuidos a lo largo del ala en futuras configuraciones de aeronaves. Mirando hacia el futuro, los fundamentos del diseño de la máquina eléctrica de un megavatio podrían escalarse potencialmente a motores de varios megavatios, para alimentar aviones de pasajeros más grandes.
Vía mit.edu
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