哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
近年来，随着科学技术的发展，具有特殊战略地位的临近空间逐渐成为各
国的研究热点。运行于临近空间的高空飞艇因其具有可定点悬停，探测范围广
和载荷能力强等优点受到了越来越多国内外学者的青睐。高空飞艇定点平台因
其质量有限，对驱动电机的功率密度和效率提出了较高的要求。扁平结构的轴
向磁通永磁电机因其具有高效率和高功率密度等特点，适合应用于高空飞艇这
种特殊场合。本文面向高空飞艇，以轴向磁通永磁电机作为研究对象，对其转
矩特性、效率特性和温升进行研究，主要研究内容如下：
针对高空螺旋桨用驱动电机的设计指标要求，通过对轴向磁通永磁电机的
拓扑结构分析，选择双定子轴向磁通永磁电机以及无轭分块轴向磁通永磁电机
作为螺旋桨驱动电机。在相同材料用量相同的约束条件下，初步设计了电机的
极槽配合和关键参数，仿真分析了电机的空载性能和负载性能。仿真结果表
明，初步设计的两种电机结构能够初步满足设计要求，且无轭分块轴向磁通永
磁电机具有更好的输出转矩特性。
针对高空螺旋桨用驱动电机的振动和噪声问题，理论分析了转矩脉动的产
生机理以及转矩脉动的影响因素，并仿真分析了极弧系数和斜极偏移角度对转
矩脉动的影响。仿真结果表明，改变极弧系数和斜极角度能够有效降低转矩脉
动，且和理论分析具有较好的一致性。
针对高空螺旋桨用驱动电机的高效率设计要求，理论分析了定子铁耗，永
磁体涡流损耗以及绕组铜耗，接着着重研究了内外径比、永磁体厚度、气隙长
度、槽口形状对定子铁耗的影响，以及槽口形状、分段方式对永磁体涡流损耗
的影响。基于以上分析，对电机在不同参数下的效率进行研究，并综合考虑选
择最佳参数。对优化后的电机进行全区域的效率计算，绘制了效率MAP图。
针对临近空间电机发热问题严重，理论分析了临近空间的大气特性，结合
电机结构特点，对电机的热交换方式进行了分析，并对电机中的关键热参数，
如等效导热系数，对流换热系数进行了计算。并在有限元软件中建立了自然风
冷条件下的临近空间环境和地面环境的温度场模型，结果表明，临近空间环境
散热困难，温升远远高于地面环境，但额定工况下电机最高温度仍在材料极限
温度值内，过载工况需注意运行时间，使得电机最高温度在材料极限温度值
内。
关键词：轴向磁通永磁电机；高空螺旋桨；转矩特性；效率特性；温度场
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Inrecentyears,withthedevelopmentofscienceandtechnology,the
proximityspacewithspecialstrategicstatushasgraduallybecomearesearch
hotspotinvariouscountries.Highaltitudeairshipsoperatinginclosespacehave
attractedincreasingattentionfromscholarsbothdomesticallyandinternationally
duetotheiradvantagesofhoveringatfixedpoints,widedetectionrange,and
strongpayloadcapacity.Duetoitslimitedquality,high-altitudeairshipfixed
pointplatformshavehighrequirementsforthepowerdensityandefficiencyof
thedrivingmotors.Theaxialfluxpermanentmagnetmotorwithaflatstructure
issuitableforspecialapplicationssuchashigh