全电飞机驱动用永磁同步电机高功率密度设计方法研究

• 作 者: 孙沛亮
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 全电飞机 高功率密度 永磁电机 温度场 冷却

飞机的电气化是当前飞机的发展趋势,电机作为飞机全电化关键部件之一,其功率密度、可靠性及效率等指标影响电驱动飞机性能。轻小型全电飞机为螺旋桨驱动,其飞行过程中对电机转矩、转速要求不同于工业及电动汽车应用电机。同时飞行中的海拔高度变化与较高的飞行速度为该类电机提供了独特的散热条件,设计中需将电机内电磁场、温度场以及结构相关问题综合优化,以实现适用全电飞机螺旋桨驱动用的高功率密度电机。为了准确获得轻小型全电飞机驱动电机的工况,对已有机型飞行测试总结,提取出螺旋桨完成滑行、起飞、爬升、巡航至下降着陆阶段对电机转速转矩需求;电机转速变化范围较窄,滑行与着陆阶段转矩需求最小,爬升阶段的转矩需求最高约为巡航阶段二倍;同时随着飞机速度加快与高度升高,风冷散热条件逐步改善。根据电机运行工况的特殊性,提出了电机设计方案。使用流体计算公式结合有限体积法分析了电机表面换热能力;确定本例电机不采用液冷结构依然获得优良的冷却效果。初步设计中将电机磁路及热路联合,计算飞行工况中电机暂态温升,得到电机主要设计尺寸与冷却需求关系的变化规律,解决传统设计中参考电热负荷指标不直观且缺乏参考标准的问题。通过电磁设计优化提高了电机功率密度。为提升对电机内温升的预测精度,建立了集中参数热网络模型。以降低电机内绕组、永磁体最高点温度为目标,提出增加辅助齿改善定子槽内传热;改进了集中绕组方案以改善定子磁动势波形,降低了定子温升与转子损耗。分析组合式磁极的不同比例及充磁角度组合对电磁转矩、涡流损耗的影响。在温度计算模型辅助下,对定转子电磁设计优化提高了电机高功率密度和可靠性。对电机外部机壳散热片及内部转轴进行了优化,实现了更佳的散热效果并减轻了部件质量。设计了混合式散热鳍片减少质量增加,设计中空转轴结构解决扁平结构电机转轴质量比重过大问题。对优化所得电机建立基于计算流体力学的电机内传热模型,对比加入辅助齿、改进集中绕组结构定子的温升结果,分析了实心转子、空心转子以及端部风扇效应对永磁体温升的影响,以及电机内温升传热规律。本文设计流程中分别利用简化至复杂的三种温度场模型辅助电机电磁设计,提出封闭式表面散热结构的高功率密度电机设计流程,以高功率密度为目标,由外至内对机壳散热鳍片、定子、转子、转轴优化,实现针对飞机螺旋桨驱动工况的高功率密度电机设计。