麻省理工學(xué)院的新型發(fā)動(dòng)機(jī)讓電池驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)準(zhǔn)備起飛。

飛機(jī)制造商計(jì)劃通過(guò)飛機(jī)的電氣化來(lái)降低實(shí)際碳排放，但該行業(yè)嚴(yán)格的重量限制使實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)困難重重。事實(shí)證明，制造與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率重量比相當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)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(jī)。麻省理工學(xué)院的研究人員推出了一種重量輕的新型緊湊兆瓦級(jí)電機(jī)設(shè)計(jì)，這可能打開(kāi)大型飛機(jī)電氣化的大門(mén)。

雖然汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷從化石燃料向電池動(dòng)力的轉(zhuǎn)型，但要在航空業(yè)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，難度要大很多?，F(xiàn)代電池的能量密度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以為遠(yuǎn)距離飛行的飛機(jī)提供動(dòng)力，因此Eviation等公司專(zhuān)注于短途城際飛行，許多電動(dòng)垂直起降航空器的公司目標(biāo)也是日常通勤。

雖然電池可能最受關(guān)注，但電池不是唯一面臨重量問(wèn)題的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣化也是一個(gè)挑戰(zhàn)。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力的原理是，讓電流經(jīng)過(guò)大量的銅線(xiàn)和鋼以產(chǎn)生可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)。麻省理工學(xué)院的航空學(xué)教授佐爾坦?斯帕科夫斯基（Zoltán Spakovszky）說(shuō)，這些材料本身就很重，因此制造具有高功率重量比（也稱(chēng)特定功率）的電動(dòng)機(jī)很困難。

因此，當(dāng)今電動(dòng)飛機(jī)中使用的電機(jī)只能產(chǎn)生數(shù)百千瓦功率，這對(duì)于大型飛機(jī)而言太低。不過(guò)，在2023年6月12日至16日在圣地亞哥舉辦的美國(guó)航空工業(yè)協(xié)會(huì)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。他們表示，借助這一成就，實(shí)現(xiàn)支線(xiàn)飛機(jī)的電氣化指日可待。

在該麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子是圓形滾筒，其內(nèi)表面襯有永磁體。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)接收功率時(shí)，需要重鋼層將所產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中在一起，而該方案中的磁體使轉(zhuǎn)子運(yùn)行不再使用重鋼層，而是使用相對(duì)較輕的鈦。在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(xiàn)。電流通過(guò)這些銅線(xiàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

該設(shè)計(jì)還采用了一個(gè)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

雖然研究人員尚未組裝其設(shè)備，但已經(jīng)測(cè)試了所有的主要組件，并通過(guò)仿真證明該設(shè)備能夠達(dá)到預(yù)期的功率級(jí)別。完全組裝后，電機(jī)的重量將達(dá)到57.4千克，比功率相當(dāng)于17千瓦/千克，明顯高于美國(guó)國(guó)家航空航天局之前確定的驅(qū)動(dòng)大型電動(dòng)飛機(jī)所需的13千瓦/千克。

麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種1兆瓦的電動(dòng)機(jī)，有助于實(shí)現(xiàn)商用客機(jī)的電氣化和新型混合動(dòng)力或全電動(dòng)飛機(jī)。上圖為原型機(jī)示意圖，包括:（1）一個(gè)低損耗齒槽定子，外圈是熱管理系統(tǒng);（2)30個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)速。

斯帕科夫斯基說(shuō)，取得這些并不容易?！皩?shí)現(xiàn)特定功率所需的范式轉(zhuǎn)變沒(méi)有良方。”他說(shuō)，“許多因素組合在一起才能讓設(shè)計(jì)成為可能，而細(xì)節(jié)是魔鬼?！?/p>

最關(guān)鍵的因素之一是團(tuán)隊(duì)解決熱管理的方法。斯帕科夫斯基說(shuō)，輸出1兆瓦功率大約會(huì)有50千瓦轉(zhuǎn)換為熱量?！跋胂笠幌乱慌_(tái)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，將所有功都轉(zhuǎn)化為熱量?！彼f(shuō)，“或者想象在一個(gè)類(lèi)似小啤酒桶的空間里，點(diǎn)亮500個(gè)100瓦的白熾燈泡。”

該麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)還在定子內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)由鋁合金制成的新穎的風(fēng)冷熱交換器。

在圓柱形結(jié)構(gòu)上有一個(gè)由細(xì)小空氣通道組成的蜂窩，其復(fù)雜的幾何形狀需要通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)。斯帕科夫斯基說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的冷卻效率接近液體系統(tǒng)，同時(shí)還能保持所需的結(jié)構(gòu)完整性。

“很高興看到麻省理工學(xué)院取得的進(jìn)展?！币晾Z伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授吉魯巴?哈蘭（Kiruba Haran）說(shuō)。哈蘭的團(tuán)隊(duì)和俄亥俄州立大學(xué)以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的團(tuán)隊(duì)也在開(kāi)發(fā)兆瓦級(jí)電機(jī)。哈蘭說(shuō)，它們也可能很快就會(huì)對(duì)航空業(yè)產(chǎn)生影響，只是電池技術(shù)需要一些時(shí)間才能跟上。氫和氨等化石燃料替代品可能要依賴(lài)燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，然后將需要電力推進(jìn)系統(tǒng)。哈蘭說(shuō)，混合動(dòng)力系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)得更早，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)與燃?xì)鉁u輪機(jī)集成在一起，可實(shí)現(xiàn)部分飛行的電池驅(qū)動(dòng)。

作者：Edd Gent 審核編輯：黃飛