麻省理工學院的新型發(fā)動機讓電池驅(qū)動的飛機準備起飛。

飛機制造商計劃通過飛機的電氣化來降低實際碳排放，但該行業(yè)嚴格的重量限制使實現(xiàn)這一點困難重重。事實證明，制造與噴氣發(fā)動機功率重量比相當?shù)碾妱訖C尤其具有挑戰(zhàn)性，因此，大多數(shù)的工作都局限于小型飛機。麻省理工學院的研究人員推出了一種重量輕的新型緊湊兆瓦級電機設計，這可能打開大型飛機電氣化的大門。

雖然汽車行業(yè)正在經(jīng)歷從化石燃料向電池動力的轉(zhuǎn)型，但要在航空業(yè)實現(xiàn)這一點，難度要大很多。現(xiàn)代電池的能量密度仍然遠遠不足以為遠距離飛行的飛機提供動力，因此Eviation等公司專注于短途城際飛行，許多電動垂直起降航空器的公司目標也是日常通勤。

雖然電池可能最受關注，但電池不是唯一面臨重量問題的領域，實現(xiàn)發(fā)動機的電氣化也是一個挑戰(zhàn)。電動機產(chǎn)生推力的原理是，讓電流經(jīng)過大量的銅線和鋼以產(chǎn)生可以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的磁場。麻省理工學院的航空學教授佐爾坦?斯帕科夫斯基（Zoltán Spakovszky）說，這些材料本身就很重，因此制造具有高功率重量比（也稱特定功率）的電動機很困難。

因此，當今電動飛機中使用的電機只能產(chǎn)生數(shù)百千瓦功率，這對于大型飛機而言太低。不過，在2023年6月12日至16日在圣地亞哥舉辦的美國航空工業(yè)協(xié)會航空論壇上，斯帕科夫斯基和他的同事公布了一種能夠產(chǎn)生1兆瓦電力的電動機設計。他們表示，借助這一成就，實現(xiàn)支線飛機的電氣化指日可待。

在該麻省理工學院團隊的設計中，轉(zhuǎn)子是圓形滾筒，其內(nèi)表面襯有永磁體。通常，發(fā)動機接收功率時，需要重鋼層將所產(chǎn)生的磁場集中在一起，而該方案中的磁體使轉(zhuǎn)子運行不再使用重鋼層，而是使用相對較輕的鈦。在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，設計了一個非常緊湊的定子，有助于提高電效率。它是一塊圓柱形的鋼體，外表面覆蓋著突出的“齒”。這些齒上覆蓋了密集的銅線。電流通過這些銅線時，會產(chǎn)生強大的磁場，磁場與轉(zhuǎn)子上的永磁體相互作用，從而讓滾筒旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動發(fā)動機。

該設計還采用了一個由30塊定制電路板制成的高速電力電子系統(tǒng)。這些電路板在定子中產(chǎn)生非常高頻率的交變電流，可大大提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

雖然研究人員尚未組裝其設備，但已經(jīng)測試了所有的主要組件，并通過仿真證明該設備能夠達到預期的功率級別。完全組裝后，電機的重量將達到57.4千克，比功率相當于17千瓦/千克，明顯高于美國國家航空航天局之前確定的驅(qū)動大型電動飛機所需的13千瓦/千克。

麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種1兆瓦的電動機，有助于實現(xiàn)商用客機的電氣化和新型混合動力或全電動飛機。上圖為原型機示意圖，包括:（1）一個低損耗齒槽定子，外圈是熱管理系統(tǒng);（2)30個定制的高速電力電子板，它們能夠在定子中產(chǎn)生高頻交變電流，從而提高電機的轉(zhuǎn)速。

斯帕科夫斯基說，取得這些并不容易。“實現(xiàn)特定功率所需的范式轉(zhuǎn)變沒有良方。”他說，“許多因素組合在一起才能讓設計成為可能，而細節(jié)是魔鬼。”

最關鍵的因素之一是團隊解決熱管理的方法。斯帕科夫斯基說，輸出1兆瓦功率大約會有50千瓦轉(zhuǎn)換為熱量。“想象一下一臺汽車發(fā)動機全速運轉(zhuǎn)，將所有功都轉(zhuǎn)化為熱量。”他說，“或者想象在一個類似小啤酒桶的空間里，點亮500個100瓦的白熾燈泡。”

該麻省理工學院團隊還在定子內(nèi)設計了一個由鋁合金制成的新穎的風冷熱交換器。

在圓柱形結(jié)構(gòu)上有一個由細小空氣通道組成的蜂窩，其復雜的幾何形狀需要通過3D打印實現(xiàn)。斯帕科夫斯基說，該團隊設計所實現(xiàn)的冷卻效率接近液體系統(tǒng)，同時還能保持所需的結(jié)構(gòu)完整性。

“很高興看到麻省理工學院取得的進展。”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的電氣和計算機工程教授吉魯巴?哈蘭（Kiruba Haran）說。哈蘭的團隊和俄亥俄州立大學以及威斯康星大學麥迪遜分校的團隊也在開發(fā)兆瓦級電機。哈蘭說，它們也可能很快就會對航空業(yè)產(chǎn)生影響，只是電池技術(shù)需要一些時間才能跟上。氫和氨等化石燃料替代品可能要依賴燃料電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能，然后將需要電力推進系統(tǒng)。哈蘭說，混合動力系統(tǒng)可能會出現(xiàn)得更早，在混合動力系統(tǒng)中，電機與燃氣渦輪機集成在一起，可實現(xiàn)部分飛行的電池驅(qū)動。

作者：Edd Gent 審核編輯：黃飛