摘要
近年来，化石资源短缺与环境问题日益凸显，零碳排放的目标成为各行各业讨论的热点话题，采用电推进是航空业公认的绿色发展方向，电气化可使传统飞机较为集中的动力分布变得更加灵活，能够实现气动、结构、动力协同作用，大幅改善飞机飞行性能。目前各国研发的以纯电能为推进动力的飞机数量较少，世界各国在电动飞机领域均处于发展的初期阶段，因此研究电动飞机对我国航空领域意义重大。电机作为电动飞机电推进系统核心，其电磁性能直接决定整机优劣，因此本文针对电动飞机电推进系统的高转矩密度要求，对永磁电机电磁结构、冷却系统、温度场与强度校核与轻量化等方面的问题展开了研究，主要工作如下： 首先，基于高转矩密度电机性能需求及工况的分析，对电机材料与电磁方案进行分析。根据高转矩密度的需求，预选多种可行的极槽配合方案，研究电机结构参数对电磁性能的影响规律并以输出转矩为评价指标进行优化，采用离散拼装Halbach永磁体提升转矩密度，研究永磁体厚度及充磁角度变化对电磁性能的影响规律，给出最终电磁结构方案。 其次，对高转矩密度电机的多种冷却方式进行研究。分析电机中所涉及的传热方式，针对高转矩密度电机的结构特点，建立电磁热耦合模型，研究纯风冷、油冷、混合冷却等多种冷却方式以及海拔高度、气流速度、管道类型等多种因素变化对电机稳态温度分布的影响，给出适用于所设计高转矩密度电机的冷却结构，解决绕组发热量大散热困难的问题。 然后，根据冷却方式研究提出可行的冷却结构并进行验证。建立电枢绕组等效模型并给出相应热参数等效计算方法，结合对冷却系统的分析提出可行的冷却结构，建立完整的高转矩密度电机三维温度场仿真模型，分析不同条件下电机各部件稳态温度分布规律，验证所提出冷却结构的有效性与合理性。 最后，对高转矩密度电机额定运行状态下电机齿部及转轴的应力分布进行分析，研究电机与转轴的结构强度，分析电机与转轴受到的载荷，建立静力学仿真模型，分析载荷对电机与转轴的应力与变形的影响，验证电机结构合理性与可靠性。给出转轴轻量化的方法，对转轴进行轻量化优化进一步提高转矩密度，并验证优化后转轴结构的合理性。
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