全电飞机驱动电机轻量化设计与仿真研究

摘要

全电飞机因次级能源被电能所取代而使得其具有零排放、零燃油的特点，加之其更加高效、可靠性更高等优点在近些年引起了许多国家的广泛关注。驱动电机作为全电飞机最为关键的动力源，其性能直接影响全电飞机的性能及可靠性。对全电飞机而言，基于有效载重的要求，需要设计出高功率密度且高效的驱动电机。飞机驱动电机的工作环境与工况条件特殊，对电机的可靠性提出了更高的要求。由于飞机的载荷条件复杂，电机的载荷水平较常规电机高，在保证电机可靠性的前提下，如何对驱动电机进行结构优化，尽最大限度减轻电机重量，以提高飞机的飞行性能及有效载重也是需要关注的问题。因此，研究全电飞机用驱动电机的轻量化设计方法对全电飞机的推广具有一定意义。
　　本研究主要内容包括：⑴为了对驱动电机的总体方案进行选择，主要考虑到提高电机功率密度及考虑到工作环境的特殊性以保证电机可靠性等方面，研究了全电飞机用驱动电机的特殊工作环境及载荷条件，分析了电机的性能需求，在可适当提高成本的条件下，分析了电机的材料选择方案。研究表明，为提高电机功率密度及可靠性，2024及1J22材料为基于本文的工况条件下的结构材料，且多相分数槽集中绕组永磁电机为本文的目标设计电机。⑵对驱动电机进行了电磁参数设计与优化，主要考虑到保证电机的功率密度，推导了电机主要结构参数的计算表达式，建立了电机ANSOFT仿真模型。研究了影响电机功率密度的结构参数，优化了电机的功率密度。研究表明，电机在各工作点均满足电磁指标要求，经电磁优化后的电机重量减轻了3.3％，额定点电机功率密度提高了3.1%，电机电磁部分的功率密度最高可达4.79kW/kg。⑶对驱动电机进行了结构设计与优化，考虑到轻量化设计与可靠性之间的矛盾，在保证电机可靠性要求的前提下，根据载荷分析，研究了结构轻量化的优化方法。采用力学软件ABAQUS对驱动电机关键零部件及整体结构进行了应力场仿真。最终在应力场中设定目标函数，优化关键零部件的结构，并对优化后的驱动电机整体结构进行了强度校核。研究表明，基于载荷工况，对零部件进行关键位置减重是适合于本文的结构轻量化方法。优化之后的驱动电机整体结构减轻了9.3%，可承受3倍机械过载，电机整体的功率密度最高可达3.08kW/kg。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状分析

1.3本文的主要研究内容

第2章 全电飞机驱动电机的需求分析与总体设计

2.1引言

2.2全电飞机驱动电机工作条件及影响分析

2.3全电飞机驱动电机工况载荷及性能需求分析

2.4全电飞机驱动电机的材料选择

2.5全电飞机驱动电机的电磁方案确定

2.6本章小结

第3章 全电飞机驱动电机电磁设计与优化

3.1引言

3.2全电飞机驱动电机的设计

3.3电机功率密度的影响因素分析

3.4全电飞机驱动电机的电磁优化设计

3.5本章小结

第4章 全电飞机驱动电机结构设计与轻量化研究

4.1引言

4.2驱动电机的结构设计

4.3关键零部件结构优化与分析

4.4驱动电机整体结构强度计算与分析

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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