Aerei di nuova generazione: grandi passi in avanti nelle tecnologie di propulsione ibrida ad alte prestazioni
Unendo competenze di ingegneria elettrica, chimica e termica, il progetto HASTECS, finanziato dall’UE, ha valutato e ottimizzato architetture per la propulsione ibrida, una tecnologia in evoluzione che potrebbe portare ad un drastico calo delle emissioni di CO2 negli aerei del futuro. Come nelle auto ibride, la tecnologia integra i tradizionali motori a combustione interna a motori elettrici che utilizzano energia da fonti ausiliarie come batterie o celle a combustibile. Nonostante il loro promettente potenziale, i sistemi elettrici richiedono progressi nell’elettronica di potenza per gestire i carichi sempre crescenti e la necessità di dissipare il calore creato dalle perdite all’interno della catena di alimentazione elettrica. Inoltre, il peso aggiuntivo e il consumo di carburante introdotti dai componenti elettrici extra devono essere compensati da sistemi con prestazioni molto elevate. «Puntando agli aerei regionali progettati per far viaggiare fino a 70 passeggeri su rotte a corto raggio, abbiamo sviluppato modelli e progettato strumenti per ottimizzare la propulsione ibrida. Le nostre attività riguardavano l’intero spettro della catena di alimentazione elettrica ibrida: apparecchiature elettriche, raffreddamento, elettronica di potenza e gestione termica», spiega Xavier Roboam, direttore della ricerca presso il laboratorio LAPLACE dell’Università di Tolosa in Francia e coordinatore di HASTECS.
Motori elettrici ad alte prestazioni
I ricercatori di LAPLACE hanno scoperto motori elettrici con alte potenze specifiche che superavano gli 11 kW/kg (incluso il dispositivo di raffreddamento). Le alte efficienze elettriche riportate (oltre il 97 %) sono attribuite al motore sincrono a magneti permanenti ad alte prestazioni dotato di un array Halbach. Anche gli avvolgimenti speciali e i fogli magnetici ultrasottili che limitano le perdite ad alta frequenza sono stati cruciali per ottenere efficienze così eccellenti. Le alte efficienze di conversione elettromeccanica devono andare di pari passo con sistemi di raffreddamento altrettanto potenti. A tal fine i ricercatori del Prime Institute hanno usato una miscela di glicole e acqua come refrigerante per il rotore e lo statore e hanno aggiunto tubi di raffreddamento all’interno degli slot dello statore per ottenere potenze specifiche ancora più elevate. «Raggiungere potenze specifiche di oltre 10 kW/kg nei motori per aerei è una vera rivoluzione. Le prestazioni dei veicoli elettrici impallidiscono al confronto. Il motore dei veicoli elettrici Tesla, insieme al suo sistema di raffreddamento, mostra una potenza specifica di meno di 4 kW/kg», spiega Roboam.
Ottimizzazione dell’elettronica di potenza, raffreddamento e distribuzione ad alta tensione
Un lavoro impressionante è stato condotto dai ricercatori di LAPLACE anche per quanto riguarda il controllo e la conversione dell’energia elettrica. L’uso congiunto di un bus ad alta tensione (2 kV) con struttura meccanica ottimizzata, i migliori transistor bipolari a gate isolato di settima generazione come componenti elettronici e strategie di modulazione ottimizzate per vari convertitori multilivello si sono rivelati particolarmente efficaci nella progettazione di sistemi elettronici di potenza compatti ed efficienti. Il Prime Institute, insieme ai ricercatori del laboratorio LAPLACE, ha anche proposto un sistema di raffreddamento bifase pompato ad alte prestazioni. «All’interno del sistema elettronico di potenza, 1 kg del dispositivo di raffreddamento può eliminare 4,5 kW di perdite di calore, permettendo alla potenza specifica del sistema di conversione della potenza di superare i 30 kW/kg, ben oltre gli ambiziosi obiettivi fissati dall’industria aeronautica», fa notare Roboam. «Nello sforzo di aumentare la capacità delle fonti di energia elettrica ricercando livelli di tensione senza precedenti, una sfida particolare riguarda le scariche parziali», spiega Roboam. Questo fenomeno, causato dalla fatica nei materiali isolanti esposti ad alti livelli di tensione, degrada le apparecchiature e può anche causare perdite di potenza. Per contrastarlo, i ricercatori di LAPLACE hanno proposto l’uso di materiali isolanti più resistenti (tolleranti alle scariche parziali) compatibili con bus di tensione la cui tensione varia tra 1,5 e 2 kV. L’ottimizzazione del gruppo propulsore ha completato gli studi condotti da HASTECS, evidenziando interazioni inaspettate. HASTECS è stato un vero successo tecnologico e scientifico, sottoponendo a dimostrazione progettazioni di componenti di potenza a bordo con alte potenze specifiche. «Il nostro lavoro innovativo apre la strada ai primi propulsori pratici in futuri aerei elettrici ibridi più rispettosi dell’ambiente», conclude Roboam.
Parole chiave
HASTECS, raffreddamento, potenza specifica, propulsione ibrida, elettronica di potenza, motore elettrico, scariche parziali, laboratorio LAPLACE, Università di Tolosa, distribuzione ad alta tensione
