Equipe do MIT desenvolve motor de 1 MW para aviação elétrica

Uma equipe de engenheiros do MIT está desenvolvendo um motor de 1 MW que pode ser um trampolim fundamental para a eletrificação de aeronaves maiores. A equipe projetou e testou os principais componentes do motor e demonstrou, por meio de cálculos detalhados, que os componentes acoplados podem funcionar como um todo para gerar um megawatt de potência, com peso e tamanho competitivos com os atuais pequenos motores aeronáuticos.

O motor em projeto é um PMSM de conjunto Halbach de 1 MW, refrigerado a ar e com rotor externo. Experimentos de mitigação de risco em nível de componente indicam que o desempenho da máquina protótipo corresponderá às especificações do projeto.

(Um rotor de matriz Halbach usa um arranjo específico de ímãs para aumentar a intensidade do campo magnético de um lado e, ao mesmo tempo, reduzir significativamente o campo magnético do outro lado. O arranjo mais comum é uma série de ímãs onde cada ímã é girado em um determinado ângulo em relação a seus ímãs vizinhos. Essa rotação dos ímãs cria uma distribuição não uniforme do campo magnético. O campo magnético concentrado em um lado fornece uma interação magnética mais forte e mais eficiente com o estator, o que pode levar a um melhor torque ou saída de potência. O campo magnético reduzido no lado oposto pode minimizar interações indesejadas com outros componentes ou objetos externos.)

A estimativa de perda do núcleo do estator foi validada através de medições experimentais em amostras toroidais e laminações do estator em tamanho real. O processo de ligação por laminação aumenta a perda do núcleo do material Fe-Co-V por um fator de 1,2.

Um padrão de enrolamento monofásico modular aumenta a robustez e a densidade de potência do sistema, permitindo acionamentos de inversores monofásicos. O processo e o isolamento do enrolamento do estator foram demonstrados com sucesso através de uma maquete do enrolamento do estator.

Máquina elétrica de alta densidade de potência para propulsão turboelétrica. Perréault 2023.

A equipe introduziu um novo modelo para rotores Halbach, oferecendo uma alternativa computacionalmente eficiente ao FEA durante o processo de projeto. O rotor Halbach elimina a necessidade de ferro traseiro do rotor. Em vez disso, um aro leve de titânio é usado para reter os ímãs permanentes. O modelo corresponde à FEA e aos dados experimentais em 5%. O modelo é simples, fácil de usar e fácil de adaptar a diferentes toplogias de máquinas.

Especificações de projeto de máquinas elétricas

Para aplicações totalmente elétricas, a equipe prevê que o motor possa ser combinado com uma fonte de eletricidade, como uma bateria ou célula de combustível. O motor poderia então transformar a energia elétrica em trabalho mecânico para alimentar as hélices de um avião. A máquina elétrica também poderia ser combinada com um motor a jato turbofan tradicional para funcionar como um sistema de propulsão híbrido, fornecendo propulsão elétrica durante certas fases do vôo.

Não importa o que utilizamos como transportador de energia – baterias, hidrogénio, amoníaco ou combustível de aviação sustentável – independentemente de tudo isso, os motores da classe dos megawatts serão um facilitador essencial para tornar a aviação mais ecológica.

Spakovszky e membros de sua equipe, juntamente com colaboradores da indústria, apresentarão seu trabalho por meio de um conjunto de cinco artigos em uma sessão especial do Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica – Simpósio de Tecnologias de Aeronaves Elétricas (EATS) na conferência de Aviação em junho.

A equipe do MIT é composta por professores, alunos e pesquisadores do GTL e do Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos e Eletrônicos do MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault e Mohammad Qasim, juntamente com Marc Amato da Innova-Logic LLC. O projeto é patrocinado pela Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Conforme projetado, o motor elétrico e a eletrônica de potência do MIT têm aproximadamente o tamanho de uma mala despachada e pesa menos que um passageiro adulto.

Os principais componentes do motor são: um rotor de alta velocidade, revestido por um conjunto de ímãs com orientação de polaridade variada; um estator compacto de baixas perdas que cabe dentro do rotor e contém um intrincado conjunto de enrolamentos de cobre; um trocador de calor avançado que mantém os componentes resfriados enquanto transmite o torque da máquina; e um sistema de eletrônica de potência distribuída, feito a partir de 30 placas de circuito customizadas, que alteram com precisão as correntes que passam por cada um dos enrolamentos de cobre do estator, em alta frequência.