Une équipe du MIT développe un moteur de 1 MW pour l'aviation électrique

Une équipe d’ingénieurs du MIT développe un moteur de 1 MW qui pourrait constituer une étape clé vers l’électrification des avions plus gros. L'équipe a conçu et testé les principaux composants du moteur et a montré, grâce à des calculs détaillés, que les composants couplés peuvent fonctionner dans leur ensemble pour générer un mégawatt de puissance, à un poids et une taille compétitifs par rapport aux petits moteurs d'avion actuels.

Le moteur en cours de conception est un PMSM à rotor externe de 1 MW, refroidi par air, à réseau Halbach. Les expériences d'atténuation des risques au niveau des composants indiquent que les performances du prototype de machine correspondront aux spécifications de conception.

(Un rotor à réseau Halbach utilise un arrangement spécifique d'aimants pour améliorer l'intensité du champ magnétique d'un côté tout en réduisant considérablement le champ magnétique de l'autre côté. L'arrangement le plus courant est une série d'aimants où chaque aimant tourne d'un certain angle par rapport à ses aimants voisins. Cette rotation des aimants crée une répartition non uniforme du champ magnétique. Le champ magnétique concentré d'un côté fournit une interaction magnétique plus forte et plus efficace avec le stator, ce qui peut conduire à une amélioration du couple ou de la puissance de sortie. Le champ magnétique réduit du côté opposé peut minimiser les interactions indésirables avec d’autres composants ou objets externes.)

L'estimation des pertes dans le noyau du stator a été validée par des mesures expérimentales sur des échantillons toroïdaux et des tôles de stator pleine grandeur. Le processus de liaison par stratification augmente la perte de noyau du matériau Fe-Co-V d'un facteur 1,2.

Un modèle d'enroulement modulaire monophasé augmente la robustesse et la densité de puissance du système en permettant des variateurs monophasés. Le processus de bobinage du stator et son isolation ont été démontrés avec succès grâce à une maquette de bobinage du stator.

Machine électrique à haute densité de puissance pour propulsion turboélectrique. Perreault 2023.

L’équipe a introduit un nouveau modèle pour les rotors à réseau Halbach, offrant une alternative informatiquement efficace à la FEA pendant le processus de conception. Le rotor Halbach élimine le besoin de fer arrière du rotor. Au lieu de cela, un bord léger en titane est utilisé pour retenir les aimants permanents. Le modèle correspond aux données FEA et expérimentales à 5 % près. Le modèle est simple, facile à utiliser et facile à adapter aux différentes toplogies de machines.

Spécifications de conception des machines électriques

Pour les applications entièrement 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 associée à un turboréacteur à double flux traditionnel pour fonctionner comme un système de propulsion hybride, fournissant 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 la classe mégawatt seront un élément clé pour rendre l’aviation plus écologique.

Spakovszky et les membres de son équipe, ainsi que des collaborateurs de l'industrie, présenteront leurs travaux via une série de cinq articles lors d'une session spéciale de l'American Institute of Aeronautics and Astronautics – Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) lors de la conférence sur l'aviation en juin.

L'équipe du MIT est composée de professeurs, d'étudiants et de chercheurs du 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).

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

Les principaux composants du moteur sont : un rotor à grande vitesse, doté d'un réseau d'aimants à orientation de polarité variable ; un stator compact à faibles pertes qui s'insère à l'intérieur du rotor et contient un ensemble 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 électronique de puissance distribué, composé de 30 circuits imprimés sur mesure, qui modifient avec précision les courants traversant chacun des enroulements en cuivre du stator, à haute fréquence.