基于高力能密度电机的航空主驱动系统研究

发布时间：2020-08-14 07:07

【摘要】：近几年,随着我国低空空域改革的不断推进和新能源产业的持续支持,电动飞机产业迎来了新的发展契机。目前,已有多个国家和研究机构设计和开发了混合动力电动飞机和全电式电动飞机,完成试飞实验并逐步加以推广。对于全电式电动飞机,主驱动系统是最关键的核心技术,是电动飞机的“心脏”和“大脑”。电动飞机要求主驱动系统传动效率高、体积小、重量轻、容错能力高、续航能力久和爬升输出转矩大,因此如何设计和开发出高性能的航空主驱动系统是研究关键之所在。首先,本文根据动力系统结构特点,给出电动飞机主驱动系统六种结构,重点分析了全电式的拓扑结构。为提高主驱动系统的轻量化程度,分别解析了高性能主驱动电机和逆变器的设计特点。对全电飞机的飞行过程简要分析,给出实际飞行环境下的物理特性。完成了全电飞机主驱动系统的初步设计和基本功能分析。其次,对于电动飞机主驱动电机,给出力能密度概念和分析了提高力能密度的方法,基于常规方法对永磁电机的主要尺寸、永磁体、绕组等初步设计。依次完成高力能密度永磁电机的铁芯损耗、绕组铜损耗和机械损耗分析,重点分析了考虑逆变器谐波的铁耗计算,研究了不同电机尺寸对铁耗的影响规律。基于有限元法,完成主驱动永磁电机的电磁仿真分析;利用遗传算法,对初步电磁方案进行了优化设计。基于温度场和传热学基本理论,给出永磁电机电磁-温度单边耦合、双边耦合基本求解过程和两种数值求解思路,对电动飞机主驱动永磁电机进行初步的电磁-温度仿真分析。然后,建立永磁电机控制数学模型,给出总体控制控制策略。完成坐标变换理论推导;重点分析了7段式SVPWM技术原理,给出电压空间矢量六个扇区开关动作顺序和作用时间;基于矢量控制理论,完成基于SVPWM技术的永磁电机矢量控制仿真分析。给出电动飞机主驱动逆变器电路如智能功率模块、控制驱动模块、电源转换模块和检测模块的硬件原理图,利用旋转变压器完成了电动飞机主驱动电机的速度实时监测。完成电动飞机主驱动逆变器软件流程图,包括控制主程序和中断子程序的设计。最后,完成全电式飞机主驱动高力能密度永磁电机研制,该电机额定力能密度指标为8.96kW·N·m/kg~2,最大的力能密度指标为15.9 kW·N·m/kg~2。阐述两种航空主驱动系统测试平台,给出反电势测量方法和永磁电机带螺旋桨实验方法。完成航空主驱动电机的实验数据测量,对实验数据进行了简要分析。实验数据证明,所研制的航空主驱动永磁电机具有很高的能量密度。
【学位授予单位】：沈阳工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V242

【参考文献】