标题:麻省理工学院的航空工程师正在制造一种 1 兆瓦的电动机，这是通向商用客机电气化的垫脚石。图为混合动力飞机的一些工业概念。

学分:图片：@Airbus SAS 2023

随着电气化，航空业巨大的碳足迹可能会显着减少。然而，迄今为止，只有小型全电动飞机起飞。他们的电动机产生数百千瓦的功率。要为更大、更重的喷气式飞机（例如商用客机）供电，需要兆瓦级电机。这些将由混合动力或涡轮电力推进系统推动，其中电机与燃气涡轮航空发动机相结合。

为了满足这一需求，麻省理工学院的一个工程师团队现在正在制造一个 1 兆瓦的电机，这可能是使大型飞机通电的关键垫脚石。该团队设计并测试了电机的主要部件，并通过详细计算表明耦合部件可以作为一个整体工作以产生 1 兆瓦的功率，其重量和尺寸可与当前的小型航空发动机相媲美。

对于全电动应用，该团队设想电机可以与电池或燃料电池等电源配对。然后，电动机可以将电能转化为机械功，为飞机的螺旋桨提供动力。该电机还可以与传统的涡轮风扇喷气发动机配对，作为混合动力推进系统运行，在飞行的某些阶段提供电力推进。

T. Wilson 教授 Zoltan Spakovszky 表示：“无论我们使用什么作为能源载体——电池、氢、氨或可持续航空燃料——独立于所有这些，兆瓦级电机将成为绿色航空的关键推动力”航空学博士和领导该项目的麻省理工学院燃气轮机实验室 (GTL) 主任。

Spakovszky 和他的团队成员以及行业合作者将在 6 月航空会议期间的美国航空航天学会 - 电动飞机技术研讨会 (EATS) 的特别会议上展示他们的工作。

MIT 团队由来自 GTL 和 MIT 电磁与电子系统实验室的教职员工、学生和研究人员组成：Henry Andersen Yuankang Chen、Zachary Cordero、David Cuadrado、Edward Greitzer、Charlotte Gump、James Kirtley, Jr.、Jeffrey Lang 、David Otten、David Perreault 和 Mohammad Qasim，以及 Innova-Logic LLC 的 Marc Amato。该项目由三菱重工 (MHI) 赞助。

重物

为了防止人为引起的气候变化造成最严重的影响，科学家们已经确定，到 2050 年，全球二氧化碳排放量必须达到净零。Spakovszky 说，要实现这一航空目标，将需要在非常规飞行器的设计中取得“阶段性成就”飞机、智能和灵活的燃料系统、先进材料和安全高效的电气化推进系统。多家航空航天公司专注于电气化推进和兆瓦级电机的设计，这些电机的功率和重量足以推动客机。

“实现这一目标没有灵丹妙药，细节决定成败，”Spakovszky 说。“这是一项艰巨的工程，需要共同优化各个组件并使它们相互兼容，同时最大限度地提高整体性能。为此，我们必须突破材料、制造、热管理、结构和转子动力学以及电力电子领域的界限。”

从广义上讲，电动机使用电磁力产生运动。电动机（例如为笔记本电脑中的风扇供电的电动机）使用来自电池或电源的电能来产生磁场，通常通过铜线圈产生。作为响应，设置在线圈附近的磁铁然后沿产生的磁场方向旋转，然后可以驱动风扇或螺旋桨。

电机已经存在了 150 多年，据了解，电器或车辆越大，铜线圈和磁转子就越大，从而使机器更重。电机产生的功率越大，产生的热量就越多，这就需要额外的元件来保持组件的冷却——所有这些都会占用空间并显着增加系统的重量，使其在飞机应用中具有挑战性。

“重物不能带上飞机，”Spakovszky 说。“所以我们必须想出一个紧凑、轻便且功能强大的架构。”

良好的弹道

按照设计，麻省理工学院的电动机和电力电子设备的大小与一个托运行李箱差不多，重量还不到一名成年乘客的重量。

电机的主要部件是：高速转子，内衬排列着极性方向不同的磁铁；一个紧凑的低损耗定子，安装在转子内部并包含复杂的铜绕组阵列；先进的热交换器，可在传递机器扭矩的同时保持部件冷却；以及一个由 30 个定制电路板制成的分布式电力电子系统，可以精确地改变通过每个定子铜绕组的高频电流。

“我相信这是第一个真正共同优化的集成设计，”Spakovszky 说。“这意味着我们进行了非常广泛的设计空间探索，以综合方式评估从热管理到转子动力学、电力电子和电机架构的所有考虑因素，以找出获得所需特定功率的最佳组合一兆瓦。”

作为一个完整的系统，电机的设计使得分布式电路板与电机紧密耦合，以最大限度地减少传输损耗，并允许通过集成热交换器进行有效的空气冷却。

“这是一台高速机器，为了在产生扭矩的同时保持旋转，磁场必须非常快速地传播，我们可以通过高频开关的电路板来做到这一点，”Spakovszky 说。

为了降低风险，该团队分别构建和测试了每个主要组件，并证明它们可以按设计运行并在超出正常运行需求的条件下运行。研究人员计划组装第一台全功能电动机，并在秋季开始对其进行测试。

“飞机的电气化一直在稳步上升，”伊利诺伊大学香槟分校可持续航空中心主任菲利普安塞尔说，他没有参与该项目。“该小组的设计将传统和尖端的电机开发方法完美结合，使其能够提供稳健性和效率，以满足未来飞机的实际需求。”

一旦麻省理工学院的团队能够展示整个电动机，他们表示该设计可以为支线飞机提供动力，也可以成为传统喷气发动机的伴侣，以实现混合动力推进系统。该团队还设想，在未来的飞机配置中，多个 1 兆瓦的电机可以为沿机翼分布的多个风扇提供动力。展望未来，一兆瓦电机设计的基础可能会扩展到多兆瓦电机，为更大的客机提供动力。

“我认为我们正处于一个良好的轨道上，”Spakovszky 说，他的团队和研究不仅仅关注燃气轮机。“我们不是受过培训的电气工程师，但应对 2050 年气候的重大挑战至关重要；与电气工程学院的教职员工和学生一起实现这一目标可以利用麻省理工学院广泛的技术，使整体大于部分之和。因此，我们正在新领域重塑自我。麻省理工学院为您提供了这样做的机会。”