临近空间高转矩_功率密度永磁无刷电机研究

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1、学校代码10699分类号TM351密级学号2010100487题目临近空间高转矩/功率密度永磁无刷电机研究作者李全武学科、专业电机与电器指导教师窦满峰教授申请学位日期2017年11月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：临近空间高转矩/功率密度永磁无刷电机研究作者：李全武学科专业：电机与电器指导教师：窦满峰教授2017年11月ResearchonNearSpaceHighTorqueDensityandHighPowerDensityPermanentMagnetBrushlessMotorsByLiQuan-wuUndertheSupervisionofProf

2、essorDouMan-fengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaNovember2017摘要摘要临近空间飞艇和高超声速飞行器飞行于海拔20km~100km的临近空间，为低动态与高动态临近空间飞行器的研究热点。永磁无刷电机具有结构简单、重量轻、可靠性高等优点，可用于飞艇螺旋桨驱动和高超声速飞行器发动机控制，为动力系统关键部件。

3、临近空间大气稀薄，飞行器对重量敏感，永磁无刷电机需具备高转矩密度或功率密度（转矩/功率密度）。临近空间大气稀薄，不利于电机散热，为避免过热应限制温升，转矩/功率密度受温升的限制。飞艇及高超声速飞行器永磁无刷电机分别存在低速大转矩负载、螺旋桨负载随高度变化、短时寿命、燃油自冷却等需求与特征，对转矩/功率密度有明显影响。在临近空间环境、温升限制、特殊需求及特征的影响下，临近空间永磁无刷电机存在不同于地面电机的高转矩/功率密度设计问题。论文针对飞艇与高超声速飞行器永磁无刷电机的高转矩/功率密度设计问题，研究在临近空间、温升限制、特殊需求及特征条件下的高转矩/功率密度设计方法。

4、论文主要研究内容与创新点如下：1.考虑临近空间永磁无刷电机高转矩/功率密度设计的特殊性，且相关文献较少，建立了临近空间永磁无刷电机的电磁与热解析模型，对高转矩/功率密度设计策略进行了研究。电磁解析模型以转矩/功率密度为核心，通过损耗和尺寸与热模型关联；解析热模型引入临近空间环境参数，准确反映了电机在临近空间的散热特性。分析地面至临近空间永磁无刷电机散热，高度增加，对流散热减弱，辐射散热增强，总散热能力减弱。针对槽内绕组温升计算难的问题，提出一种准确计算槽内绕组温升的定子槽分层热模型。设计参数对转矩/功率密度影响敏感度分析表明，临近空间永磁无刷电机转矩/功率密度主要受温升

5、限制，可采用改进措施结合尺寸参数优化的高转矩/功率密度设计策略。2.临近空间飞艇螺旋桨为低速大转矩负载，针对稀薄大气下螺旋桨永磁无刷电机高转矩密度设计易使电机过热的问题，提出一种以临近空间中温升为限制的螺旋桨永磁无刷电机高转矩密度设计方法。该方法在高转矩密度电磁设计中引入临近空间热分析与温升限制条件，基于转矩密度、温升、尺寸参数的解析关系，通过关键尺寸参数优化使转矩密度达到温升限制范围的最大值，在避免过热条件下实现永磁无刷电机高转矩密度目标。利用该方法设计了一种螺旋桨永磁无刷电机，仿真及实测结果证明，所提方法可实现临近空间螺旋桨永磁无刷电机对温升和高转矩密度的兼顾和平衡

6、。3.螺旋桨负载特性随高度变化而变化，为使永磁无刷电机匹配高低空螺旋桨宽工况负载，并兼顾高转矩密度，提出双绕组匹配方法以及双绕组永磁无刷电机定子裂比优化方法。双绕组匹配方法通过绕组串并联换接调节磁链，满足永磁无刷电机在功率、电压、电流限制下匹配螺旋桨宽工况负载的磁链条件，实现高低空螺旋桨的匹配，具有结构简单、重量轻等特点。双绕组永磁无刷电机定子裂比优化方法以铜耗密度和电流密度为整体和绕组局部热限制条件，通过定子裂比优化使转矩密度达到热限制范围的最大值。双I西北工业大学博士学位论文绕组与定子裂比方法已应用于某机电作动器永磁无刷电机，仿真及实测结果证明，双绕组方法可匹配宽工

7、况螺旋桨负载，定子裂比优化方法可在热限制下提高双绕组永磁无刷电机的转矩密度。4.针对高超声速飞行器短时寿命永磁无刷电机高功率密度问题，提出一种基于寿命及瞬态热解析分析的高功率密度设计方法。短时寿命特征有利于功率密度提升，但提升中需确保足够寿命。所提方法通过引入寿命分析和瞬态热解析分析，准确得出短时寿命特征的功率密度提升空间以及功率密度与寿命、温升、尺寸参数的解析关系，通过尺寸参数优化对损耗、重量、温升时间常数等进行综合调节，使功率密度在寿命允许范围内最大化。利用该方法设计了一种发动机泵用短时寿命永磁无刷电机，实验结果证明，所提方法在不改变