CN112953150B - 一种电动飞机用高功率密度高效率的永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，包括：定子铁心、定子绕组、永磁体、转子铁心、转子支架、转轴、前轴承、后轴承、机壳和后端盖，通过增大电机定子内径，缩小轴向长度，实现电机轻量化；电机定子绕组采用分数槽、集中双层绕组结构，减小绕组端部尺寸；定子铁心采用超薄硅钢片；转轴采用空心轴结构，减少重量；转子支架采用辐条型结构，降低转子重量；转轴、转子支架、转子铁心之间由内而外依次以键槽配合连接在一起；永磁体采用轴向分段处理，减小涡流损耗，提高电机效率；机壳外侧采用散热翅结构，保证电机散热能力的同时有效降低重量；端盖与上述组件共同封装在一起，满足电动飞机驱动电机高功率密度、高效率的性能要求。

Description

一种电动飞机用高功率密度高效率的永磁同步电动机

技术领域

本发明属于永磁同步电动机技术领域，具体涉及一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机。

背景技术

随着电力电子技术、新型铁磁材料、永磁材料的发展，永磁同步电动机以其具有高效率、高功率密度和高可靠性等优点，逐渐成为电动飞机驱动电机的重要发展方向。

电推进技术通过永磁同步电动机带动，为飞机提供部分或全部飞行推力，有效解决传统飞机推进系统带来的噪声和污染排放问题。永磁同步电动机作为电动飞机的核心部件，其性能在很大程度上直接决定了整个电动飞机的动力、效率等关键性能。高功率密度和高效率已经成为新一代电动飞机驱动电机必须具备的技术特征。因此，开展高功率密度和高效率的电动机技术研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

但是，传统的电动飞机驱动电机的突出矛盾在于无法兼顾高功率密度和高效率。单位重量电机所产生的扭矩受到电磁负荷和几何结构的限制，提高电机的功率密度将导致磁负荷和热负荷的增加，从而制约电机效率的提高，并对电机散热能力提出考验，这将严重影响电动飞机驱动电机性能。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，通过对电动机结构的设计创新，兼顾高功率密度和高效率的考虑，缩小电机体积和重量，提高电机的散热效果，显著地提升电机的功率密度和效率。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，其包括：定子铁心、定子绕组、永磁体、转子铁心、转子支架、转轴、前轴承、后轴承、机壳和后端盖；所述定子绕组采用分数槽、集中双层绕组结构，并采用22极24槽结构，减小定子绕组端部，降低定子重量；所述定子绕组采用耐高温、高电导率的铜导线；定子铁心采用超薄硅钢片，降低定子铁耗，满足电机轻量化设计和提高效率的要求；所述转子采用表贴式内转子结构，转子由内而外依次包含转子支架、转子铁心和永磁体，它们之间通过键槽配合装配在一起；通过转子挡板将永磁体轴向定位，与转子铁心轴向长度相等，位置平齐；采用轴向分段处理；其中，转轴采用空心轴结构，以减少重量；转子支架采用辐条型结构，圆周方向均匀分布6个扇形槽，以增强结构强度降低转子重量；转轴、转子支架和转子铁心之间由内而外依次以键槽配合连接在一起；所述永磁体采用耐高温、高磁能积的钐钴永磁材料，并采用轴向分段处理而成；将永磁体胶粘固定到所述转子铁心上；所述转子铁心通过过盈配合固定在所述转子支架上，所述转子挡板采用不导磁的铝合金材料，通过固定装置固定在所述转子支架上；所述转子支架通过过盈配合固定在转轴上；机壳与后端盖共同封装在一起，起保护和支撑作用；所述机壳与前端盖一体成型，提高机壳的结构强度；

通过在电机机壳、后端盖、转子支架和转轴采用轻量化结构设计，以实现在保证电机机械强度的前提下最大限度减轻电机重量：首先，电机机壳前侧圆周方向上均匀分布12个等间距扇形槽，扇形槽与扇形槽之间的辐条，承受因螺旋桨旋转带来的轴向拉力；满足公式：

S＝S₁+12·w·l；其中，P为应力，F为轴向拉力，S为受力面积，σ为机壳材料的屈服强度；S₁是机壳前侧圆环面积，w为辐条宽度，l为辐条长度，上述参数单位均为国际单位制；也即机壳承受应力大小要满足机壳材料的固有属性，即屈服强度；所述的机壳外侧采用散热翅结构，采用线切割工艺，一体成型，提高电机壳体的机械强度；其次，所述后端盖圆周方向均匀分布12个扇形槽，其辐条宽度与机壳前侧辐条宽度、长度一致；第三，所述的转子支架圆周方向上均匀分布6个等间距通孔，分散了转子支架所承受的电机转矩，满足电机的机械强度要求；第四，所述的电机转轴采用钛合金材料，采用空心轴结构，使得电机转轴尺寸和转轴的内外径尺寸满足如下公式：

其中，d为空心轴外径，单位mm；T为电机转矩，单位Nm；τ_p为许用扭转切应力，单位MPa；α为空心轴内径d₁与外径d之比；其中，α取值范围为0.7-0.9，当α小于0.7时，则难以实现轻量化设计，提升电机功率密度；当α大于0.9时，则难以满足电机结构强度，电机可靠性大幅下降；其中，电机尺寸结构满足如下公式：

其中，D为电机定子内径，单位m；l_ef为电机定子铁心有效长度，单位m；n为电机转速，单位rpm；P为电机功率，单位W；K_φ为电机气隙磁场波系数；K_dp为绕组系数；α_p为极弧系数；A为电机的线负荷，单位A/m；和B_δ为磁负荷，单位T；根据上述公式可知，增大电机定子内径、缩小轴向长度，定子内径和轴向长度的比值在3-5之间，这样既能满足电机性能需求，又能实现电机轻量化设计，提升电机功率密度；当定子内径和轴向长度的比值小于3时，则难以实现轻量化设计，提升电机功率密度；当定子内径和轴向长度的比值大于5时，则难以满足电机结构强度，电机可靠性大幅下降。

优选地，所述定子绕组采用耐高温的聚酰亚胺漆包圆铜线QY-2/220，提升电机绕组耐高温能力；所述定子铁心采用叠片形式完成线切割、热处理，以实现降低定子铁耗，提高电机效率。

优选地，所述转子支架、后端盖和机壳均采用轻质材料航空铝7075，使电机重量得以减轻。

优选地，所述的机壳外侧采用的散热翅结构尺寸满足散热翅总效率公式：

与散热翅数量计算公式

其中，A_r为两个散热片之间的根部表面积，单位mm²；A_f为散热片表面积，单位mm²；η_f为单片散热片效率；h为对流换热系数，单位W/(m²·K)；λ为导热系数，单位W/(m·K)；δ为散热片厚度，单位mm；δ取值的范围是1-2.5mm，当δ小于1mm时，则导致加工困难，降低成品率，增加加工成本与加工时间；当δ大于2.5mm时，则导致散热片厚度增加，热阻增加，降低电机散热效果。

优选地，所述定子铁心采用超薄硅钢片10JNEX900。

优选地，所述永磁体采用钐钴永磁材料SmCo32。

首先，实现电机尺寸结构合理化设计，满足公式

增大电机定子内径、缩小轴向长度，实现电机轻量化；进而提升电动机的功率密度；其中，电机定转子结构尺寸根据电机尺寸公式

其中，D为电机定子内径，单位m；l_ef为电机定子铁心有效长度，单位m；n为电机转速，单位rpm；P为电机功率，单位W；K_φ为电机气隙磁场波系数，K_dp为绕组系数，α_p为极弧系数，A为电机的线负荷，单位A/m；B_δ为磁负荷，单位T；由于电机带螺旋桨的驱动方式限制，电机转速n较低，为了提升电机功率密度，只能降低电机尺寸，减轻重量；电机常数与定子内径D的平方和定子有效长度l_ef成正比，提升电机的线负荷A以及磁负荷B_δ，可以降低电机常数。在电机功率P和转速n一定的情况下，通过合理增大定子内径D和减少定子铁心有效长度l_ef，可以压缩电机体积，减轻重量，进而提高电机功率密度。其中，定子内径和轴向有效长度的比值在3-5之间，既能满足电机性能需求，又能实现电机轻量化设计，提升电机功率密度；当定子内径和轴向长度的比值小于3时，则难以实现轻量化设计，提升电机功率密度；当定子内径和轴向长度的比值大于5时，则难以满足电机结构强度，电机可靠性也大幅下降。

电机槽极配合采用22极24槽的电机结构形式，可以缩小定子轭部尺寸，降低定子铁心重量，提升功率密度；定子绕组采用集中式双层绕组结构，减小绕组端部长度，降低用铜量，既能降低铜耗提升电机效率，又能降低绕组重量提升电机功率密度。

电机定子绕组、定子铁心以及永磁体采用新型材料以提升电机性能。定子绕组采用耐高温的聚酰亚胺漆包圆铜线QY-2/220材料，提升定子绕组的耐高温能力，具备良好的耐老化、防腐蚀、阻燃等性能，使得绕组导线可以承受更高的电流密度；以便于压缩定子槽尺寸，降低定子铁心重量，进而提高电机功率密度。定子铁心采用新型铁磁材料10JNEX900，其具备高磁饱和、低损耗的优点，尤其是在高频率领域中铁耗非常低，可以有效降低定子铁耗，进而提升电机效率；而且，热稳定性高、易于加工。永磁体采用钐钴材料SmCo32，钐钴SmCo32具有高磁能积、温度稳定性高的优点，可以提高永磁体的磁性能。与钕铁硼相比，SmCo32在高温环境中仍可以保证永磁体磁性能稳定。同时采用轴向分段的结构，以减小永磁体涡流损耗，抑制永磁体温升，进而提升电机效率。

采用轻质材料航空铝7075作为电机壳体与端盖材料，使电机的重量得以减轻；在保证电机机械强度的前提下对电机进行轻量化结构设计，优化电机机壳、后端盖、转子支架和转轴等关键零部件的结构，以实现电机重量最大限度减轻的效果。

电机大部分区域的应力水平较低，应力水平较高的区域集中在转轴、端盖等部件，因此从强度水平上来看，电机整体具备轻量化结构优化的条件。

其中，电机机壳与前端盖是融合在一起的，一体成型，提高电机机壳的结构强度；机壳外侧采用线切割工艺得到散热翅结构。电机机壳需要承受来自螺旋桨旋转带来的轴向拉力。机壳正面圆周方向上均匀分布12个等间距扇形槽，通过扇形槽与扇形槽之间的辐条来支撑电机机壳所承受的轴向拉力。根据公式

S＝S₁+12·w·l；其中P为压强，F为轴向拉力，S为受力面积，σ为机壳材料航空铝7075的屈服强度。S1是机壳前侧圆环面积，w为辐条宽度，l为辐条长度。然后电机机壳在非承受力的圆周面上，沿圆周方向均匀分布24个等间距通孔，后端盖沿圆周方向均匀分布36个等间距通孔，降低电机重量的同时保证了风冷散热所需要的通风量，使电机整体结构有了更好的散热效果，以便于进一步压缩电机主要尺寸，进一步提升电机功率密度。其中，电机转子铁心和转轴之间采用辐条型转子支架连接，转子支架圆周方向上均匀分布6个等间距通扇形槽，以满足转子支架承受电机转矩的需求。并且在转子支架非承受力的圆周面上，沿圆周方向均匀分布60个等间距φ8的通孔，以进一步降低转子支架的重量。而且，转子支架与转轴通过圆周方向均匀分布的6个键槽相互配合在一起，以实现均匀承受电机转矩的效果，很好的满足了电机机械强度的需求。

电机转轴采用钛合金材料，采用空心轴结构，电机转轴内外径尺寸满足公式

其中，d为空心轴外径，T为电机转矩，τ_p为许用扭转切应力，α为空心轴的内径d₁与外径d之比。其中，α取值范围是0.7-0.9，当α小于0.7时，则难以实现轻量化设计，提升电机功率密度；当α大于0.9时，则难以满足电机结构强度，电机可靠性大幅下降。而且，在电机转轴延伸出来的一端圆周方向挖10个等间距的扇形槽来去掉非受力部分的重量，保证电机机壳的结构强度的同时，提升电机的功率密度。

永磁同步电动机在负载运行时，电机壳体散热翅的对流传热方程。Φ＝h·A·△t其中，h为表面传热系数，A为散热表面积，单位m²；△t为温差，Φ为热流量，单位为W。

为了增加传热量，根据对流传热方程，可以采用增加传热面积A的方法。在电机壳体外侧增加散热翅数量是在一定的材料消耗量的前提下最大程度增加散热面积的方法。

增加散热翅数量可以增加对流散热面积，有利于减少总面积热阻，但是也会导致散热翅的导热热阻增加，也就是导热阻力增加。因此，增加散热翅数量是否有利于散热翅的导热阻力，用

表示；其中，δ是散热翅的厚度。与表面对流传热阻力，用

表示。这一比值

构成无量纲数，当

时，增加散热翅的数量是有利于电动机散热的。其中，h为对流换热系数，单位W/(m2·K)；λ为导热系数，单位W/(m·K)；δ为散热片厚度，单位m。

其中，t_f为是流体温度，流体与散热翅表面的表面传热系数为h，散热翅的表面积为A_f，两个散热翅之间的根部表面积为A_r，根部温度为t₀，根据电机壳体散热翅的对流传热方程Φ＝h·A·△t推导得到散热翅的总效率

其中，η_f为流体散热效率。

基于以上设计，本发明通过对电机散热结构的轻量化设计及散热翅结构尺寸调整方向：基于上述公式，减小散热片厚度δ，扩大散热翅的表面积A_f、A_r，改善散热翅的散热效率，可以有效提升电机散热能力，从而解决电机运行过程中出现的过热问题。其中，δ取值的范围是1-2.5mm，当δ小于1mm时，则导致加工困难，降低成品率，增加加工成本与加工时间；当δ大于2.5mm时，则导致散热片厚度增加，热阻增加，降低电机散热效果。

本发明所能够达到的有益技术效果为：

(1)本发明提出的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机定子绕组采用分数槽、集中式双层绕组结构，并采用22极24槽的电机结构形式，减小绕组端部长度，提升了电机的功率密度。

(2)电机结构轻量化设计，在保证电机机械强度的前提下最大限度减轻电机重量，体现在机壳、后端盖、转子支架和转轴四个方面。机壳前侧圆周方向上均匀分布12个等间距扇形槽，以实现降低机壳重量的效果；机壳外侧设计为散热翅结构，通过线切割工艺，一体成型，提高电机机壳的结构强度，通过机壳正面圆周方向上均匀分布等间距通孔，以实现降低机壳重量的效果，进而提高电机的功率密度；后端盖圆周方向均匀分布12个扇形槽，其辐条宽度与机壳前侧辐条宽度、长度一致，以实现降低机壳重量的效果；转子支架采用辐条型结构，转子支架圆周方向上均匀分布6个等间距通孔，分散了转子支架所承受的电机转矩，满足电机的机械强度要求，降低电机重量，提升电机功率密度；转轴采用钛合金材料，采用空心轴结构，圆周方向均匀分布10个扇形槽的方式，来去掉非受力部分的重量，降低电机转轴的重量，提升电机的功率密度。

(3)采用新型材料，应用于定子绕组、定子铁心以及永磁体，以实现电机性能提升。定子绕组采用耐高温的聚酰亚胺漆包圆铜线QY-2/220材料，提升绕组耐温能力。定子铁心材料采用高磁饱和、低损耗的新型铁磁材料10JNEX900，降低铁耗，以提高电机的效率。转子永磁体采用高磁能积、耐高温的钐钴材料SmCo32，提高永磁体的磁性能，同时采用轴向分段的结构，以减小永磁体涡流损耗，进而提升电机效率。机壳、后端盖和转子支架均采用轻质材料航空铝7075，具有密度低的优点，有效降低电机重量，提升了电机功率密度。

(4)完成电机散热结构轻量化设计，即减小散热片厚度δ，扩大散热翅的表面积A_f、A_r，可以有效提升了电机的散热能力，解决电机运行过热问题。

本发明通过对永磁同步电动机结构以及关键部件的创新设计，能够使得该永磁同步电动机同时具有更紧凑的结构和更高的功率密度，而且有效地减小电机损耗，提高电机效率，适用于高功率密度、高效率的电动飞机驱动电机领域。

附图说明

图1为本发明提出的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机的散热翅表面结构示意图。

图2为本发明提出的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机的整体结构示意图。

图3为本发明提出的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机的机壳结构示意图。

图4为本发明提出的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机的转子支架示意图。

图5为本发明提出的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机的转轴外形及结构示意图。

附图标记说明：

1、定子铁心 2、定子绕组 3、永磁体 4、转子铁心 5、转子支架 6、后端盖 7、转轴8、机壳 9、前轴承 10、后轴承

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案的一个具体实施例。

本发明的技术方案的具体实施例1提供了一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，如图2所示，其包括：定子铁心1、定子绕组2、永磁体3、转子铁心4、转子支架5、转轴7、前轴承9、后轴承10、机壳8和后端盖6。

如图2所示，定子部分由定子铁心1和定子绕组2构成。定子铁心1采用高磁饱和的超薄硅钢片10JNEX900制成；定子绕组2采用耐高温漆包线QY-2/220，绕组采用集中式双层绕组方式绕制。

如图2所示，转子部分由永磁体3、转子铁心4和转子支架5构成，转子铁心4采用高磁导率的电工硅钢，通过车削加工而成；永磁体3采用高性能的钐钴材料SmCo32，并通过胶粘到转子铁心4的表面，充磁方向为径向充磁，空隙部分采用环氧树脂填充；转子支架5采用航空铝棒7075，通过车削加工而成，采用过盈配合的方式连接在转子铁心4和转轴7之间。

其中，转轴7采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成，如图5所示。

其中，后端盖6和机壳8采用航空铝棒7075，通过车削加工而成，通过在后端盖6加工定位孔，通过螺钉固定，可以实现电动机与其他机构的机械连接以及位移传感器的安装。

本发明具体实施例1中提出的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机的具体设计过程如下所示：

首先，电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机的主要尺寸结构尺寸，满足公式：

增大电机定子内径、缩小轴向长度，实现电机轻量化；进而提升电动机的功率密度；本具体实施例1选择了22极24槽的配合方式，减少电机定子轭部尺寸，并采用集中式绕组的形式，减少绕组端部尺寸，提升电机功率密度。

根据电机尺寸公式

D为电机定子内径，l_ef为电机定子铁心1的有效长度，n为电机转速，P为电机功率，K_φ为电机气隙磁场波系数，K_dp为绕组系数，α_p为极弧系数，A为电机的电负荷和B_δ为磁负荷。由于电机带螺旋桨的驱动方式限制，电机转速n较低，为了提升电机功率密度，只能降低电机尺寸，减轻重量。电机常数与定子内径D的平方和定子有效长度l_ef成正比，提升电机的电负荷A以及磁负荷B_δ，可以降低电机常数。在电机功率P和转速n一定的情况下，通过合理增大定子内径D和减少定子铁心有效长度l_ef，可以压缩电机体积，减轻重量，进而提高电机功率密度。定子内径和轴向长度的比值在3-5之间，这样既能满足电机性能需求，又能实现电机轻量化设计，提升电机功率密度。当定子内径和轴向长度的比值小于3时，则难以实现轻量化设计，提升电机功率密度；当定子内径和轴向长度的比值大于5时，则难以满足电机结构强度需求，电机可靠性大幅下降。

其次，本具体实施例1中，电机槽极配合采用22极24槽的电机结构形式，可以缩小定子轭部尺寸，降低定子铁心1的重量，提升功率密度；定子绕组2采用集中式双层绕组结构，减小绕组端部长度，降低用铜量，既能降低铜耗，提升电机效率；又能降低绕组重量，提升电机功率密度。

其中，电机的定子绕组2、定子铁心1以及永磁体3采用新型材料以提升电机性能。定子绕组2采用耐高温的聚酰亚胺漆包圆铜线QY-2/220材料，提升定子绕组2的耐高温能力，具备良好的耐老化、防腐蚀、阻燃等性能，使得绕组导线可以承受更高的电流密度；以便于压缩定子槽尺寸，降低定子铁心1的重量，进而提高电机功率密度。定子铁心1采用新型铁磁材料10JNEX900，其具备高磁饱和、低损耗的优点，尤其是在高频率领域中铁耗非常低，有效降低定子铁耗，进而提升电机效率；而且，热稳定性高、易于加工。

本具体实施例中，永磁体3采用钐钴材料SmCo32，钐钴材料SmCo32具有高磁能积、温度稳定性高的优点，可以提高永磁体的磁性能。与钕铁硼相比，钐钴材料SmCo32在高温环境中仍可以保证永磁体磁性能稳定。同时采用轴向分段的结构，以减小永磁体涡流损耗，抑制永磁体温升，进而提升电机效率。

电机大部分区域的应力水平较低，应力水平较高的区域集中在转轴7、后端盖6等部件，因此从强度水平上来看，电机整体具备轻量化结构优化的条件。

参加图2，从电机总体轻量化设计而言，采用轻质材料航空铝7075作为电机机壳8与后端盖6的材料，使电机的重量得以减轻；在保证电机机械强度的前提下对电机进行轻量化结构设计，优化电机机壳8、后端盖6、转子支架5和转轴7等关键零部件的结构，实现电机重量最大限度减轻的效果。

参见图3，从机壳轻量化设计而言，电机机壳8与前端盖融合在一起一体成型，提高了电机机壳8的结构强度；电机机壳8需要承受来自螺旋桨旋转带来的轴向拉力。本具体实施例中，机壳8的正面圆周方向上均匀分布12个等间距扇形槽，通过扇形槽与扇形槽之间的辐条来支撑电机机壳所承受的轴向拉力。根据公式

其中P为压强，F为轴向拉力，S为受力面积，σ为材料的屈服强度。其中，S＝S₁+12·w·l，S₁是机壳前侧圆环面积，w为辐条宽度，l为辐条长度。以此为基础，完成扇形槽与扇形槽之间辐条宽度和长度的尺寸设计，以便于最大程度降低电机机壳重量的同时满足电机机械强度需求。电机机壳8在非承受力的圆周面上，沿圆周方向均匀分布24个等间距通孔，后端盖沿圆周方向均匀分布36个等间距通孔，降低电机重量的同时保证了风冷散热所需要的通风量，使电机整体结构有了更好的散热效果，以便于进一步压缩电机主要尺寸，进一步提升电机功率密度。

参见图4，从转子支架轻量化设计而言，电机转子铁心4和转轴7之间采用辐条型转子支架5连接，转子支架5的圆周方向上均匀分布6个等间距通扇形槽，通过合理设计转子支架5的尺寸，以满足转子支架5承受电机转矩的需求。并且在转子支架5非承受力的圆周面上，沿圆周方向均匀分布60个等间距φ8的通孔，以进一步降低转子支架5的重量。而且，转子支架5与转轴7通过圆周方向均匀分布的6个键槽相互配合在一起，以实现均匀承受电机转矩的效果，很好的满足了电机机械强度的需求。

参见图5，从转轴轻量化设计而言，电机转轴7采用钛合金材料，采用空心轴结构，合理设计电机转轴内外径尺寸，其满足公式

其中，d为轴端直径(空心轴外径)，T为电机转矩，τ_p为许用扭转切应力，α为空心轴的内径d1与外径d之比。其中，α取值，优选范围是0.7-0.9，当α小于0.7时，则难以实现轻量化设计，提升电机功率密度；当α大于0.9时，则难以满足电机结构强度，电机可靠性大幅下降。而且，在电机转轴7延伸出来的一端圆周方向挖10个等间距的扇形槽来去掉非受力部分的重量，保证电机机壳的结构强度的同时，提升电机的功率密度。

参见图3，从机壳8散热结构设计而言，机壳8的外侧采用线切割工艺得到散热翅结构，通过电机散热结构轻量化设计，确定散热翅结构尺寸，即减小散热片厚度，增加散热面积，从而改善散热翅的散热效率，有效地解决电动机的过热问题。

本具体实施例中，永磁同步电动机在负载运行时，电机壳体8散热翅的对流传热方程Φ＝h·A·△t其中，h为表面传热系数，A为散热表面积，△t为温差，Φ为热流量，单位为W。为了增加传热量，根据对流传热方程，可以采用增加传热面积A的方法。在电机壳体外侧增加散热翅数量是在一定的材料消耗量的前提下最大程度增加散热面积的方法。

增加散热翅数量可以增加对流散热面积，有利于减少总面积热阻，但是也会导致散热翅的导热热阻增加，也就是导热阻力增加。因此，增加散热翅数量是否有利于散热翅的导热阻力，用

表示；其中，δ是散热翅的厚度。与表面对流传热阻力，用

表示。这一比值

构成无量纲数，当

时，增加散热翅的数量是有利于电动机散热的。其中，δ取值的优选范围是1-2.5mm，当δ小于1mm时，则导致加工困难，降低成品率，增加加工成本与加工时间；当δ大于2.5mm时，则导致散热片厚度增加，热阻增加，降低电机散热效果。

t_f为是流体温度，流体与散热翅表面的表面传热系数为h，散热翅的表面积为A_f，两个散热翅之间的根部表面积为A_r，根部温度为t₀，根据电机壳体散热翅的对流传热方程Φ＝h·A·△t推导得到散热翅的总效率

其中，η_f为流体散热效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改、等同替换、和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释此实施例的原理、实际应用。

Claims (6)

1.一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，所述永磁同步电动机包括：定子铁心、定子绕组、永磁体、转子铁心、转子支架、转子挡板、转轴、前轴承、后轴承、机壳、前端盖和后端盖，其特征在于：所述定子绕组采用分数槽、集中双层绕组结构，并采用22极24槽结构，减小定子绕组端部，降低定子重量；所述定子绕组采用耐高温、高电导率的铜导线；定子铁心采用超薄硅钢片，降低定子铁耗；所述转子采用表贴式内转子结构，转子由内而外依次包含转子支架、转子铁心和永磁体，所述转子支架、转子铁心和永磁体之间通过键槽配合装配在一起；通过转子挡板将永磁体轴向定位，使得永磁体(3)与转子铁心轴向长度相等，位置平齐，采用轴向分段处理；其中，转轴采用空心轴结构，以减少重量；转子支架采用辐条型结构，圆周方向均匀分布6个扇形槽，以增强结构强度、降低转子重量；转轴、转子支架和转子铁心之间由内而外依次以键槽配合连接在一起；

所述永磁体采用耐高温、高磁能积的钐钴永磁材料，并采用轴向分段处理而成；将永磁体胶粘固定到所述转子铁心上；所述转子铁心通过过盈配合固定在所述转子支架上，所述转子挡板采用不导磁的铝合金材料，通过固定装置固定在所述转子支架上；所述转子支架通过过盈配合固定在转轴上；机壳与后端盖共同封装在一起，起保护和支撑作用；所述机壳与前端盖一体成型，提高机壳的结构强度；

通过在电机机壳、后端盖、转子支架和转轴采用轻量化结构设计，以实现在保证电机机械强度的前提下最大限度减轻电机重量：首先，电机机壳前侧圆周方向上均匀分布12个等间距扇形槽，扇形槽与扇形槽之间的辐条，承受因螺旋桨旋转带来的轴向拉力，满足公式：

S＝S₁+12·w·l；其中，P为应力，F为轴向拉力，S为受力面积，σ为机壳材料的屈服强度；S₁是机壳前侧圆环面积，w为辐条宽度，l为辐条长度，上述参数的单位均为国际单位制；所述的机壳外侧采用散热翅结构，采用线切割工艺，一体成型；其次，所述后端盖圆周方向均匀分布12个扇形槽，其辐条宽度与机壳前侧辐条宽度、长度一致；第三，所述的转子支架圆周方向上均匀分布6个等间距通孔，分散了转子支架所承受的电机转矩，满足电机的机械强度要求；第四，所述转轴采用钛合金材料采用空心轴结构，使得电机转轴尺寸和转轴的内外径尺寸满足如下公式：

其中，d为空心轴外径，单位mm；T为电机转矩，单位Nm；τ_p为许用扭转切应力，单位MPa；α为空心轴内径d₁与外径d之比；其中，α取值范围为0.7-0.9；

所述永磁同步电动机尺寸结构满足如下公式：

其中，D为定子内径，单位m；l_ef为定子铁心有效长度，单位m；n为电机转速，单位rpm；P为电机功率，单位W；K_φ为电机气隙磁场波系数；K_dp为绕组系数；α_p为极弧系数；A为电机的线负荷，单位A/m；B_δ为磁负荷，单位T；定子内径和轴向长度的比值在3-5之间。

2.根据权利要求1所述的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，其特征在于：所述定子绕组采用耐高温的聚酰亚胺漆包圆铜线QY-2/220，提升电机绕组耐高温能力；所述定子铁心采用叠片形式完成线切割、热处理，以实现降低定子铁耗，提高电机效率。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，其特征在于，所述转子支架、后端盖和机壳均采用轻质材料航空铝7075。

4.根据权利要求1或2所述的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，其特征在于，所述的机壳外侧采用的散热翅结构尺寸满足如下的散热翅总效率公式：

与散热翅数量计算公式：

其中，A_r为两个散热片之间的根部表面积，单位mm²；A_f为散热片表面积，单位mm²；η_f为单片散热片效率；h为对流换热系数，单位W/(m²·K)；λ为导热系数，单位W/(m·K)；δ为散热片厚度，单位mm；δ取值的范围是1-2.5mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，其特征在于，所述定子铁心采用超薄硅钢片10JNEX900。

6.根据权利要求1或2所述的一种电动飞机用高效率高功率密度的永磁同步电动机，其特征在于，所述永磁体采用钐钴永磁材料SmCo32。

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