无人机主推进高力能密度永磁电动机关键技术研究

【摘要】无人机主推进永磁电动机（MainPropulsionPermanent-magnetMotor，简称MPPM）要求具有较高的力能密度（包括功率密度和转矩密度）。同时无人机的飞行工况复杂，分为地面滑跑、起飞爬升、巡航、降落和着陆五个阶段。电机在爬升阶段时力能密度最高，在巡航阶段初期时温升值最高。高力能密度及复杂工况给电机设计和分析带来新问题，本文围绕无人机主推进高力能密度永磁电动机的关键技术展开研究，主要内容如下：根据MPPM对体积和重量的要求以及热负荷达到普通电机5倍的特殊性，本文着重研究了超高力能密度永磁电动机设计方法。在理论上，研究了电机结构参数对电机力能密度影响，对比不同极数、极弧系数、永磁体厚度和电机尺寸对气隙磁密、交直轴电抗和齿槽转矩的影响。对MPPM磁路结构进行了优化设计，分析对比不同隔磁桥、转子外圆的不均匀气隙、永磁体位置对电机的气隙磁密、空载感应电势的影响，给出了MPPM基本优化设计方法。并研究了高频高磁密下MPPM铁心损耗计算方法，重点考虑局部磁滞回环对磁滞损耗的影响，引入设定局部磁滞环的损耗系数Kmin，给出高电磁负荷下铁心损耗修正系数计算公式。高力能密度将导致电机温升提高，温升将成为考核主推进电机的重要指标。为提高力能密度MPPM采用开启式结构，通风散热效果好，但冷却空气雷诺数超过10000，流体强紊流特点增加了温度场计算的复杂性。本文针对电动机开启式结构特点，根据流体力学及传热学理论，考虑了高频下的集肤效应对铜耗的影响，建立强风冷却条件下流固耦合物理模型与数学模型，研究了MPPM温度场给出主要固体部件及流体的温度分布，并分析主要部件温升随工况变化曲线。研究给出了不同热负荷状态下，不同爬升时间和爬升角度，MPPM温升特性，从理论和实践上，给出了无人机MPPM热负荷设计范围为30005500A2/cm·mm2，为主推进电动机热负荷设计提供理论参考。MPPM的超高力能密度，对机械强度和振动提出了更高的要求。本文基于弹性力学理论，建立了主要部件的机械强度计算模型，并分析了不同飞行工况下的应力分布。根据应力分析结构，研究了端盖支撑筋对机壳机械强度的影响，基于模态分析理论对MPPM进行振动特性分析，基于弹性矩阵理论对不同频率下的振型进行了分析。从系统的角度，考虑无人机实际运行中气流波动造成振动的频率，研究MPPM的振动频率和质量参与系数，给出避免发生共振的方法。成功研制MPPM样机，完成首飞试验测试。对样机进行了地面、风洞与飞行试验。样机性能指标：重量20kg，功率25kW，转矩100N·m，力能密度6.25kW·N·m/kg2，远远高于国内水平。飞行试验中温升最高值出现在巡航初期，机壳最高温升89.49K，铁心最高温升105.07K。对比分析MPPM各飞行工况下仿真结果、风洞试验数据和飞行试验数据，证明了理论分析的正确性。
【作者】王森；
【导师】张炳义；
【作者基本信息】沈阳工业大学，电机与电器，2014，博士
【关键词】无人机；主推进永磁电机；高力能密度；温度场；热负荷；

【参考文献】
[1]程强.智慧教室主机控制系统关键技术研究[D].华中师范大学,计算机系统结构,2014,硕士.
[2]于春华.数据挖掘技术在医院器材管理系统中的应用[J].医疗设备信息,2005,08:44-45.
[3]董悦.斯特林发动机活塞环密封材料寿命相关问题研究[D].兰州理工大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[4]李小龙.基于MapReduce的电子商务个性化推荐研究[D].北京交通大学,2014.
[5]刘湘梅,龙庆,赵强,刘淑娟,黄维.石墨烯透明导电薄膜的研究进展[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2013,04:90-99.
[6]周亚辉.金融数据库操作行为监控留痕系统研究与实现[D].湖南大学,软件工程,2013,硕士.
[7]翟晶.高职院校学生就业思想政治教育研究[D].辽宁大学,思想政治教育,2012,硕士.
[8]陈笑双.基于GIS的商品住宅价格空间分布研究[D].江西财经大学,土地资源管理,2013,硕士.
[9]李雅瑾.财政政策对中小企业技术创新绩效的影响研究[D].苏州大学,工商管理,2013,硕士.
[10]胡函.韩国21世纪高等教育系列卓越工程研究[D].吉林大学,高等教育学,2013,硕士.
[11]张瑞敏.中亚小武器和轻武器法律管制研究[D].兰州大学,国际关系,2013,硕士.
[12]郑寒英,游自英,刘大中.基于粗集理论与神经网络技术规则提取的研究[J].微机发展,2003,S2:43-45.
[13]李霖,杨洪耕.基于二维离散平稳小波的电能质量扰动分类[J].电力系统自动化,2007,10:21-26.
[14]刘元坤.工程区域岩体应力分析与研究[D].武汉理工大学,岩土工程,2003,硕士.
[15]罗金平.留学生习得汉语“当”类词语的偏误分析[D].湖南师范大学,对外汉语,2014,硕士.
[16]张军龙.非心脏手术患者围手术期心血管风险评估与HRV、METs及CRE的研究[D].苏州大学,麻醉学（专业学位）,2014,博士.
[17]李旭鹏.基于QoS的移动Ad Hoc网络多径路由协议研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[18]郑树峰.基于射频信号的碰撞速度测量方法[D].中北大学,机械电子工程,2014,硕士.
[19]郭惠琳.马来西亚陷入“中等收入陷阱”的原因分析和政策应对[D].厦门大学,世界经济,2013,硕士.
[20]任杰.我国西部农村金融制度绩效与创新研究[D].云南财经大学,金融学,2013,硕士.
[21]牟书岭.欧共体的司法审查制度及其启示[D].华东政法学院,法学理论,2003,硕士.
[22]汪晶晶.艺术形态学文本概念在室内设计中的表达与研究[D].西南交通大学,设计艺术学,2014,硕士.
[23]李名扬.可转位硬质合金滚刀设计及制造工艺的研究[D].哈尔滨工业大学,机械工程,2013,硕士.
[24]孙健明,肇研,申雄刚.氧化石墨烯/CCF300增强环氧树脂复合材料的力学性能研究[A].中国科学技术协会、贵州省人民政府.第十五届中国科协年会第17分会场：复合材料与节能减排研讨会论文集[C].中国科学技术协会、贵州省人民政府:,2013:5.
[25]徐倩.脑利尿钠肽与早期糖尿病肾病的相关性研究[D].青岛大学,内科学,2004,硕士.
[26]姜璐.基于源头提质的可燃固体废物流化床燃烧利用研究[D].沈阳航空航天大学,安全技术及工程,2013,硕士.
[27]朱英兰.尝试教学法在初中数学课堂中的实践研究[D].湖南师范大学,学科教学（专业学位）,2014,硕士.
[28]武凌君.以制度变迁视角看我国家族企业的形成和发展[D].中共中央党校,政治经济学,2004,硕士.
[29]高鸿斌,陈连育.机车信号设备的自动测试和故障分析[J].铁道通信信号.2003(03)
[30]沈程.基于李群学习模型的颜色特征不变性关键问题研究[D].苏州大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[31]任格.职务犯罪案件判决轻刑化问题研究[D].西北大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[32]杨军.杨守敬文化旅游产品开发研究[D].华中师范大学,农村与区域发展,2013,硕士.
[33]陈静.蚊蝎蛉科昆虫分类和系统发育分析（昆虫纲：长翅目）[D].西北农林科技大学,农业昆虫与害虫防治,2014,博士.
[34]楼小明.考虑信号优化控制的城市交通网络设计问题研究[D].西南交通大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[35]王鹤.村民合作行为：乡村公共空间的三种维度[D].兰州大学,行政管理,2013,硕士.
[36]张宏杰.进城务工人员随迁子女课堂管理中的教育公平问题研究[D].鲁东大学,教育学原理,2013,硕士.
[37]张志学,李朝晖,肖志怀.基于虚拟现实的泄洪闸门系统知识发现技术[J].水电自动化与大坝监测,2004,04:10-14.
[38]孙斌.基于关联规则的某银行网管系统中通信网告警相关性分析[D].电子科技大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[39]苗盼盼.我国刑事附带民事诉讼中的精神损害赔偿问题探析[D].四川省社会科学院,法律（专业学位）,2014,硕士.
[40]邓唯思.成都东站运营组织及设备能力评估[D].西南交通大学,交通运输工程,2012,硕士.
[41]李晓檬.现代滨水城市水系景观研究[D].湖北工业大学,设计艺术学,2013,硕士.
[42]万斌霞.论我国社会救助法律制度的改革[D].南昌大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[43]顾思梦.成人依恋影响大学生抑郁的心理机制研究[D].南京中医药大学,中医医史文献,2014,博士.
[44]明翠琴.创新驿站企业技术需求挖掘方法研究[D].华中科技大学,行政管理,2012,硕士.
[45]李广旭.高校“海归”教师职业不适应问题的研究[D].华东师范大学,人力资源开发与教育,2013,硕士.
[46]周修养.轻微刑事案件快速办理机制探析[D].安徽大学,法律,2013,硕士.
[47]薛惊理.康赛妮集团有限公司发展战略研究[D].上海交通大学,工商管理,2013,硕士.
[48]周斐.心脏神经官能症患者血清同型半胱氨酸和脂联素水平变化研究[D].山东大学,内科学,2013,硕士.
[49]许将,范康梅,钱俊青.制备色谱分离竹叶黄酮中异荭草苷和荭草苷[J].中草药,2014,15:2184-2188.
[50]尹海卉.湖南平和堂实业有限公司网络营销策略研究[D].湘潭大学,工商管理,2011,硕士.