全球航空業(yè)綠?轉(zhuǎn)型進程加速，電推進技術(shù)憑借能量利?效率?、碳排放低的核?優(yōu)勢，成為實現(xiàn)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵路徑，?中?型電推進飛機的規(guī)?；瘧?，核?瓶頸集中于?功率?功率密度永磁推進電機的研制。近年來，美、歐各國已全面實施電推進飛機發(fā)展戰(zhàn)略，我國亦先后印發(fā)《電動飛機發(fā)展白皮書》《新能源飛行器發(fā)展展望》《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023—2035年）》等政策文件，多次指出要推動下一代國產(chǎn)民機綠色化發(fā)展，鼓勵研發(fā)新能源航空器。電推進飛機已成為我國航空業(yè)實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的必然選擇，也是與世界航空強國并駕齊驅(qū)的關(guān)鍵領域。

一、推進電機系統(tǒng)在電推進飛機中的作?

推進電機系統(tǒng)是電推進飛機的核心動力單元，直接取代傳統(tǒng)飛機中的發(fā)動機，為飛機提供推進動力，其性能水平直接決定了電推進系統(tǒng)的能源利用率和推進效能。小型電推進飛機多采用十kW至百kW級推進電機系統(tǒng)，而中大型電推進飛機則需采用MW至十MW級推進電機系統(tǒng)。美國國家航空航天局（NASA）針對STARC-ABL概念飛機配備的2.6 MW推進電機系統(tǒng)，提出了功率密度13 kW/kg、效率96%的嚴苛指標；針對N3-X概念飛機的3 MW推進電機系統(tǒng)，則要求功率密度達12.7 kW/kg。這些指標遠超傳統(tǒng)航空電機的現(xiàn)有技術(shù)水平，使高功率密度推進電機技術(shù)成為飛機大功率電推進系統(tǒng)的重要基礎和關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

永磁電機憑借高功率密度和高效率的突出優(yōu)勢，已成為當前研究和應用中飛機推進電機的主流類型。近年來，國內(nèi)外眾多機構(gòu)針對小型電動固定翼飛機、電動垂直起降飛行器、直升機電動尾槳等應用場合的中小功率永磁推進電機開展了廣泛研究，部分已實現(xiàn)裝機應用，但針對大功率永磁推進電機的研究仍然較少。我國南京航空航天大學研制的邊界層吸入式涵道風扇360 kW永磁推進電機，額定轉(zhuǎn)速20 000 r/min，額定功率密度達11 kW/kg，但與美、歐等國仍有較大差距。

大功率永磁推進電機在面臨極限化技術(shù)指標挑戰(zhàn)的同時，還需重點考慮高功率密度、高效率、高可靠等多目標之間的權(quán)衡優(yōu)化，以及電磁、熱、結(jié)構(gòu)多物理場的綜合耦合分析。高功率密度電機的設計本質(zhì)上受到電磁場、溫度場與結(jié)構(gòu)應力場之間強非線性耦合的制約，多物理場耦合機制決定了關(guān)鍵性能指標，并限制了電機設計的靈活性。因此，有必要從系統(tǒng)層面深入分析大功率推進電機的關(guān)鍵參數(shù)權(quán)衡規(guī)律，構(gòu)建涵蓋電磁拓撲優(yōu)化、熱管理策略與結(jié)構(gòu)強度校核的綜合設計框架。

本文首先對飛機大功率永磁推進電機的關(guān)鍵參數(shù)權(quán)衡設計規(guī)律進行歸納與分析，在此基礎上完成百kW級與MW級高功率密度推進電機的總體設計。其次，針對推進電機的高功率密度、高效率、高可靠要求，對其移相多三相繞組重構(gòu)機理和多段式Halbach永磁陣列構(gòu)型特征進行深入分析，并通過遺傳算法多目標優(yōu)化開展極限化的拓撲優(yōu)化設計。然后，對推進電機的電磁特性、高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度及單向/雙向油道浸油冷卻系統(tǒng)進行多物理場耦合分析。最后，基于110 kW原理樣機進行電磁與溫升特性實驗驗證，以期為后續(xù)MW級永磁推進電機的研制和驗證提供技術(shù)支撐與參考。

二、大功率永磁推進電機技術(shù)發(fā)展定位

2.1 電推進飛機的發(fā)展需求與技術(shù)路線

電推進飛機按照動力架構(gòu)可分為純電動、混合電推進和渦輪電推進三種類型。純電動構(gòu)型以儲能電池為唯一能量來源，適用于短程小型飛機；混合電推進構(gòu)型將傳統(tǒng)燃油動力與電力驅(qū)動相結(jié)合，可在不同飛行階段靈活調(diào)配能量來源；渦輪電推進構(gòu)型則通過燃氣渦輪發(fā)電為推進電機供電，適用于中大型干線客機。NASA自2014年起持續(xù)投入MW級電推進技術(shù)研發(fā)，先后開展了電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證（EPFD）項目和混合熱效率核心機（HyTEC）項目，已完成13 700 m高空模擬測試，MW級組件全工況達標，驗證了高空適配性。2025年，NASA進一步啟動了聚焦10 MW級以上電推進系統(tǒng)的高功率電推進（High power EAP）項目，重點探索超導電機技術(shù)的可行性。

在工業(yè)界，GE航空航天公司、雷神技術(shù)公司和賽峰集團等傳統(tǒng)航空動力巨頭均在積極布局電推進領域?？铝炙褂詈焦居?025年展示了在研的1 MW級電動機全尺寸模型，并公布了1 MW、500 kW和250 kW三型電動機的研發(fā)計劃，旨在建立一個可擴展的電動機產(chǎn)品系列。賽峰集團的ENGINeUS 100電動機于2025年2月獲歐洲航空安全局（EASA）適航認證，成為全球首型取證的空中交通用電動機。這些進展標志著航空電推進技術(shù)正從概念驗證階段邁向產(chǎn)品成熟與適航取證階段。

我國在電推進飛機領域同樣取得了顯著進展。西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、沈陽工業(yè)大學等高校在飛機電推進電機設計、逆變器拓撲與控制策略方面開展了系統(tǒng)性研究。2025年，國產(chǎn)大功率永磁電機、風電變流器等相繼下線，多地電機及電驅(qū)項目集中投產(chǎn)，國產(chǎn)替代步伐加快。然而，與美、歐等國相比，我國在大功率航空推進電機的功率密度、系統(tǒng)集成度和適航驗證方面仍存在明顯差距，亟需開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

2.2 永磁推進電機在電推進系統(tǒng)中的核心地位

在電推進飛機的各類電機方案中，永磁同步電機憑借兼顧功率密度和效率的突出優(yōu)勢，已成為中小功率電動驅(qū)動系統(tǒng)中的廣泛應用類型，并在大功率電推進領域展現(xiàn)出廣闊前景。與異步電機相比，永磁同步電機無需勵磁電流，轉(zhuǎn)子損耗極低，在相同功率等級下具有更高的效率和更小的體積重量。與超導電機相比，永磁電機無需低溫冷卻系統(tǒng)，技術(shù)成熟度更高，制造成本可控，更適用于當前階段的工程化應用。與軸向磁通永磁電機相比，徑向磁通永磁電機在結(jié)構(gòu)剛度、制造工藝和散熱設計方面具有更為成熟的技術(shù)基礎，尤其適用于大功率高速推進場合。

推進電機系統(tǒng)在電推進飛機中的角色定位與傳統(tǒng)航空電機有本質(zhì)區(qū)別。傳統(tǒng)航空電機多作為輔助動力單元或應急電源使用，對功率密度和持續(xù)運行能力的要求相對有限。而推進電機作為主動力單元，需要在全工況范圍內(nèi)持續(xù)輸出推進功率，其可靠性直接關(guān)系到飛行安全。因此，電推進飛機對推進電機系統(tǒng)在安全性、輕量化和效率等方面提出了更為嚴苛的性能要求——既要追求極限化的功率密度以降低系統(tǒng)重量，又要保證高效率以減少能量損耗和散熱壓力，同時還需具備足夠的冗余容錯能力以應對可能的故障工況。這種多目標耦合的苛刻要求，構(gòu)成了大功率推進電機設計的核心挑戰(zhàn)。

三、關(guān)鍵參數(shù)權(quán)衡設計規(guī)律與總體方案

3.1 推進電機負載特性與驅(qū)動構(gòu)型選擇

電推進飛機的動力由推進電機傳動的槳葉類裝置提供。槳葉類裝置主要有螺旋槳和涵道風扇兩類，驅(qū)動構(gòu)型可分為直驅(qū)式與減速式兩種。直驅(qū)式構(gòu)型避免了齒輪箱導致的系統(tǒng)可靠性降低和維護成本增加，是中小功率推進電機的常見選擇，但其低轉(zhuǎn)速限制了功率密度的提升，較難滿足大功率推進電機極高的功率密度要求。因此，減速式高速驅(qū)動構(gòu)型成為大功率高功率密度推進電機的首選方案。在結(jié)構(gòu)拓撲方面，直驅(qū)式構(gòu)型中的低速推進電機常采用較大外徑的扁平式結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩密度，而減速式構(gòu)型中的高速推進電機則傾向于采用外徑較小的細長型結(jié)構(gòu)。

從電壓等級來看，飛機電推進系統(tǒng)中較高的直流電壓有利于線纜質(zhì)量和損耗的降低，但同時會對功率器件耐壓等級、絕緣設計、熱管理和電磁兼容性提出更高要求。因此，電壓等級的選擇需要在系統(tǒng)效率、器件技術(shù)成熟度、安全性和航空平臺適配性之間綜合權(quán)衡。目前，百kW級飛機電推進系統(tǒng)的電壓等級通常為400～800 V，已有較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和器件支持；而MW級電推進系統(tǒng)在功率大幅提升的情況下，為控制系統(tǒng)電流和熱管理壓力，通常需要采用1～3 kV的電壓等級。

3.2 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩密度與基頻之間的權(quán)衡關(guān)系

電機功率密度與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩密度的乘積成正比，高功率密度要求同時進行高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩密度設計。大外徑、多極數(shù)、高電流密度是實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩密度的主要途徑。高轉(zhuǎn)速和大外徑會導致高轉(zhuǎn)子線速度，高轉(zhuǎn)速和多極數(shù)會導致高基頻。然而，高轉(zhuǎn)子線速度設計受到轉(zhuǎn)子和軸承結(jié)構(gòu)強度及振動噪聲的限制，高基頻設計則受到損耗抑制、冷卻散熱和控制穩(wěn)定性的限制。因此，高速與高轉(zhuǎn)矩密度設計需求之間存在固有矛盾，需要進行精細的權(quán)衡設計。

在保持電機輸出功率與外徑不變的條件下，分析不同轉(zhuǎn)速和極數(shù)下轉(zhuǎn)子線速度與基頻對功率密度的影響規(guī)律可知：在相同基頻下，轉(zhuǎn)子線速度增大（即轉(zhuǎn)速增大、極數(shù)減少）會使功率密度提高，但隨著線速度的持續(xù)增大，功率密度趨于某一極限值。這是由于極數(shù)的減少增加了每極磁通量，需要同步增加定轉(zhuǎn)子軛厚以維持功率輸出，同時繞組節(jié)距的增加使得端部繞組長度增加，兩者均導致電機轉(zhuǎn)矩密度降低。在相同轉(zhuǎn)子線速度下，基頻增大（即轉(zhuǎn)速不變、極數(shù)增大）同樣會使功率密度提高，且轉(zhuǎn)子線速度越高，基頻對功率密度的影響越顯著。

3.3 高功率密度與高效率之間的矛盾與協(xié)調(diào)

為實現(xiàn)推進電機高效率要求，需要降低損耗和抑制溫升。然而，高功率密度要求帶來的高電流密度、高頻率等特征會造成直流銅損、交流銅損、定子鐵損以及永磁體及轉(zhuǎn)子護套等非電磁部件渦流損耗的增加，從而導致效率降低。因此，高功率密度和高效率二者的設計需求也存在矛盾，需要進行多目標權(quán)衡設計。

針對這一矛盾，本文從以下維度進行協(xié)調(diào)：在電磁材料選擇方面，采用高磁能積釹鐵硼永磁材料和高飽和磁通密度鐵鈷釩合金軟磁材料以提高輸出能力，同時采用超薄疊片鐵心和利茲線降低鐵損和繞組渦流損耗，永磁體通過軸向分段抑制渦流損耗。在繞組構(gòu)型方面，采用多槽多極分布繞組以降低磁動勢諧波。在冷卻方式方面，采用定子密封浸油冷卻實現(xiàn)高電流密度下的高效散熱，使電機能夠在高電磁負荷下維持合理溫升。

3.4 百kW級與MW級推進電機總體設計方案

綜合上述權(quán)衡設計規(guī)律分析，本文采用以下設計方案實現(xiàn)百kW級和MW級永磁推進電機的高功率密度、高效率、高可靠設計：（1）采用減速式高速構(gòu)型，徑向磁場內(nèi)轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)、表貼式Halbach陣列永磁體、144槽24極雙層分布繞組。轉(zhuǎn)子由輕質(zhì)高強度碳纖維護套進行結(jié)構(gòu)補強。（2）采用高磁能積釹鐵硼永磁材料和高飽和磁通密度鐵鈷釩合金軟磁材料以提高輸出能力；MW級電機采用鐵鈷釩合金鐵心以獲得更高的飽和磁密，百kW級電機采用高性能硅鋼鐵心。（3）采用超薄疊片鐵心和利茲線降低鐵損和繞組渦流損耗，永磁體通過軸向分段抑制渦流損耗。（4）采用定子密封浸油冷卻實現(xiàn)高電流密度下的冷卻散熱，定子槽口油道在進行高效冷卻的同時進一步降低槽內(nèi)漏磁導致的繞組交流損耗。（5）采用雙通道或多通道繞組冗余架構(gòu)提高推進電機冗余容錯能力，并降低控制器單個通道所需承載的功率等級。考慮控制器單個通道的功率等級限制，百kW級推進電機采用雙通道繞組構(gòu)型，MW級推進電機則采用六通道繞組構(gòu)型。

四、高功率密度高效高可靠拓撲優(yōu)化分析

4.1 移相多三相繞組重構(gòu)機理與對比分析

多相電機驅(qū)動系統(tǒng)具有低壓大功率輸出、低轉(zhuǎn)矩脈動、適于容錯運行等優(yōu)勢，特別適合應用于航空航天等對可靠性要求極高的領域。本文依據(jù)槽電動勢星形圖對144槽24極傳統(tǒng)三相繞組進行重構(gòu)，得到常規(guī)（無移相）多-三相和移相多-三相兩種繞組構(gòu)型。以六通道繞組構(gòu)型為例，槽電動勢星形圖中的相量分布表明，常規(guī)六-三相繞組的分布系數(shù)未發(fā)生改變，而移相六-三相繞組消除了原三相繞組的分布效應，繞組基波和諧波分布系數(shù)均變?yōu)?。

空載相反電動勢的對比分析表明，移相六-三相繞組的反電動勢基波幅值相較常規(guī)六-三相繞組提高了約3.5%，與繞組系數(shù)的差異相符。但由于繞組分布效應的消除，對諧波電動勢沒有抑制能力，導致反電動勢諧波分量有所增加。轉(zhuǎn)矩波形的對比進一步顯示，移相六-三相繞組通過提升基波繞組系數(shù)，使平均轉(zhuǎn)矩相比常規(guī)六-三相繞組提高了4.9%。更重要的是，移相六-三相繞組的轉(zhuǎn)矩脈動僅為0.4%，相比常規(guī)六-三相繞組大幅降低。這是由于移相繞組之間存在30°電角度差，各套繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動之間形成180°電角度差而互相抵消，從而有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動。

在容錯能力方面，兩種繞組構(gòu)型存在顯著差異。常規(guī)六-三相繞組同一對極下的線圈均屬于同一套三相繞組，自感較高，不同通道繞組間的磁隔離性較強；而移相六-三相繞組由于多套繞組發(fā)生重疊，磁路相互耦合，多套繞組間互感較大。在單通道故障情況下，常規(guī)六-三相繞組的不平衡磁拉力嚴重，且發(fā)熱較為集中；而移相六-三相繞組的不平衡力較小，發(fā)熱在空間上分布較均勻，能夠更有效地利用整個電機的冷卻能力進行過載運行，在功率冗余方面的容錯性能更強。此外，在物理結(jié)構(gòu)上，移相六-三相繞組的結(jié)構(gòu)在圓周上仍是連續(xù)的，具有簡單的端部結(jié)構(gòu)和較低的端部高度，有利于減輕電機質(zhì)量和降低銅損。因此，百kW級和MW級推進電機分別采用移相雙-三相和移相六-三相繞組構(gòu)型。

4.2 多段式Halbach陣列永磁體構(gòu)型對比分析

飛機推進電機大多始終工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，無弱磁擴速要求，主要關(guān)注在工作轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩和功率輸出能力。表貼式永磁電機具有較高的功率輸出能力，最為契合該負載特性。與常規(guī)徑向充磁表貼式永磁體結(jié)構(gòu)相比，Halbach陣列表貼式永磁體結(jié)構(gòu)憑借氣隙側(cè)的單邊聚磁效應和鐵心側(cè)的自屏蔽效應，具有高轉(zhuǎn)矩密度優(yōu)勢，是永磁推進電機的普遍選擇。

永磁體生成的氣隙磁場可通過等效表面電流法分析。對于分段數(shù)為N?的永磁體構(gòu)型（N?=1時為常規(guī)徑向充磁表貼式永磁體，N?≥2時為Halbach陣列永磁體），對比MW級推進電機不同永磁體構(gòu)型及不同分段數(shù)對空載氣隙磁通密度的影響。結(jié)果表明，Halbach陣列永磁體（N?≥2）相比常規(guī)徑向充磁能夠顯著提升氣隙磁通密度幅值；隨著分段數(shù)增加，氣隙磁通密度幅值增大，但分段數(shù)過多時該趨勢趨于平緩，對氣隙磁通密度幅值的提升效果有限，理想正弦充磁時氣隙磁通密度幅值與4段式相比僅提高約2.8%。

輸出轉(zhuǎn)矩的對比分析顯示，Halbach陣列永磁體對電機輸出轉(zhuǎn)矩的提升效果十分顯著，且電機轉(zhuǎn)矩隨永磁體分段數(shù)增加而進一步增大，分段數(shù)越多越接近理想正弦充磁結(jié)構(gòu)，但其上升趨勢逐漸變緩，6段式結(jié)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩相比理想正弦充磁結(jié)構(gòu)僅低約1%。有限元模型得到的轉(zhuǎn)矩比解析模型低約7.5%，這是由于解析模型忽略了槽口磁場畸變、鐵心飽和與漏磁等非線性問題。

綜合而言，多段式Halbach陣列永磁體有利于推進電機轉(zhuǎn)矩密度的提高和磁場正弦度的改善，但分段數(shù)過多時的增益效果極為有限，且會導致工藝難度與加工成本急劇增加。考慮工藝可行性和加工成本限制，百kW級推進電機采用3段式Halbach陣列永磁體，MW級推進電機則采用4段式Halbach陣列結(jié)構(gòu)。

4.3 基于遺傳算法的多目標優(yōu)化設計

為進一步提高推進電機電磁性能，基于多目標優(yōu)化軟件modeFRONTIER和有限元分析軟件，采用第二代多目標遺傳算法（MOGA-Ⅱ）對推進電機進行優(yōu)化設計，評估總次數(shù)為5 000次。

該優(yōu)化流程的輸入?yún)?shù)、約束條件與優(yōu)化目標設定如下：固定轉(zhuǎn)速、電機外徑、電流密度、槽極配合、銅滿率、氣隙長度等輸入?yún)?shù)不變，優(yōu)化變量為電機所有可變結(jié)構(gòu)參數(shù)。在電磁場方面，為避免鐵心過飽和導致輸出能力下降，約束定轉(zhuǎn)子鐵心最大磁通密度小于2.1 T。在溫度場方面，確定油泵壓力、冷卻油性質(zhì)及初始溫度等限制下冷卻油流量的取值范圍，約束繞組溫升低于允許最高溫升。在結(jié)構(gòu)場方面，約束1.2倍過速下的永磁體與轉(zhuǎn)子護套最大切向拉應力低于0.8倍的抗拉強度。為滿足飛機電推進系統(tǒng)需求，推進電機以輕質(zhì)量、高巡航效率為關(guān)鍵優(yōu)化目標，二者權(quán)重系數(shù)分別設為0.7和0.3。由于永磁推進電機的主要損耗為繞組銅損，當電流密度固定時，效率變化范圍較小。

電磁場有限元仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的百kW級推進電機輸出功率為110 kW，功率密度為3.7 kW/kg，轉(zhuǎn)矩脈動極低。MW級推進電機則通過更高的轉(zhuǎn)速和電流密度設計進一步提高了功率密度，優(yōu)化后額定輸出功率為1.1 MW，以電機總重計算功率密度預計約17.3 kW/kg，額定工作點效率達98.2%，可滿足中大型飛機電推進系統(tǒng)對MW級推進電機高功率密度（＞13 kW/kg）、高效率（＞96%）的性能要求。電機損耗主要集中于定子部分，包括繞組銅損和定子鐵心鐵損。由于電機采用磁動勢諧波較少的分布繞組構(gòu)型，且永磁體采用軸向分段以切斷渦流路徑，因此永磁體和轉(zhuǎn)子碳纖維護套的渦流損耗較小。

五、多物理場耦合分析

5.1 電磁特性與結(jié)構(gòu)強度分析

采用電磁場有限元仿真對百kW級與MW級電機的電磁性能進行詳細分析。為提高鐵心利用率和電機功率密度，設計定子鐵心磁通密度較高。MW級電機采用的鐵鈷釩合金鐵心相比百kW級電機采用的硅鋼鐵心具有更高的飽和磁通密度，空載磁通密度最大值約2.0～2.1 T，能夠在有限體積內(nèi)實現(xiàn)更高的磁負荷。

大功率高速永磁電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計同時受到機械強度和電磁性能的雙重限制，參數(shù)選取困難。表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)配合碳纖維護套是大功率高速永磁電機較適合的選擇，碳纖維護套轉(zhuǎn)子較其他轉(zhuǎn)子具有更好的機械和轉(zhuǎn)子動力學特性。對百kW級和MW級推進電機在1.2倍過速下的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度進行分析：百kW級電機纏繞1 mm厚碳纖維護套，MW級電機纏繞2 mm厚碳纖維護套。碳纖維護套的切向抗拉強度為1 632 MPa，釹鐵硼永磁體的抗拉強度為75 MPa，轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸為一體化導磁鋼材料。

有限元分析結(jié)果表明，百kW級電機的轉(zhuǎn)子護套最大切向拉應力約303.39 MPa，永磁體最大切向拉應力約1.32 MPa；MW級電機的轉(zhuǎn)子護套最大切向拉應力約737.4 MPa，永磁體最大切向拉應力約5.93 MPa。兩者均遠小于各自材料的抗拉強度，滿足結(jié)構(gòu)強度要求。值得注意的是，MW級電機的高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)子線速度對其結(jié)構(gòu)強度形成了更大挑戰(zhàn)，需要更厚的碳纖維護套進行綁扎。然而，護套厚度過大會導致等效氣隙增加，電機性能隨之降低，因此護套厚度的選取也需要在機械強度與電磁性能之間進行權(quán)衡。

5.2 單向與雙向油道定子密封浸油冷卻系統(tǒng)

大功率永磁推進電機的損耗和發(fā)熱主要集中于電樞繞組和定子鐵心，因此其冷卻散熱的重點在于定子部分。采用定子密封浸油冷卻方法，以實現(xiàn)永磁推進電機高損耗密度下的高效冷卻散熱。定子浸油系統(tǒng)采用摻雜玻璃纖維的聚醚醚酮樹脂隔油套筒進行密封，冷卻油與熱源直接接觸，熱阻極小，冷卻效率遠高于傳統(tǒng)的機殼水冷或間接油冷方式。

在單向油道浸油系統(tǒng)中，冷卻油從繞組一側(cè)端部流入，浸沒繞組端部，經(jīng)槽口軸向油路流向另一側(cè)端部空間，再由回油口回油。該方案實現(xiàn)了冷卻液與熱源的直接接觸，但單個進油口使冷卻油流量受到一定限制，且對于軸長較長的高速大功率推進電機而言，出油側(cè)溫升高于進油側(cè)溫升，導致電機軸向溫度梯度較大，限制了冷卻性能的進一步提高。

為了進一步降低大功率推進電機溫升，提出了雙向油道浸油系統(tǒng)方案。在定子軸向中心處設置空隙及回油口，冷卻油從繞組兩側(cè)端部流入，經(jīng)槽口軸向油路流向定子中心處空間，再由回油口回油。該浸油系統(tǒng)的單條油路長度相比單向油道減半，有利于進一步抑制電機溫升。流固耦合溫度場分析結(jié)果表明，在初始油溫85℃和進油口流量15 L/min條件下，百kW級電機在單向油道下最高溫度僅118.4℃，溫升僅33.4℃；MW級電機在雙向油道冷卻下最高溫度約170.3℃，溫升約85.3℃。

由于MW級電機額定電流密度為百kW級電機的2倍，二者的最高溫度相差較大，但在溫度分布規(guī)律上具有相似性：由于油道主要分布于繞組端部和定子槽口，端部繞組溫升較低，而槽內(nèi)繞組溫升較高；繞組和鐵心均在靠近槽口處溫升較低，在靠近鐵心軛部處溫升更高。雙向油道與單向油道相比，冷卻油額外浸泡了定子中心處繞組和鐵心，且定子內(nèi)部油路長度減半，使繞組和鐵心熱點溫度降低了約13℃。因此，單向油道浸油系統(tǒng)可滿足百kW級推進電機的冷卻散熱需求，而雙向油道浸油系統(tǒng)相比單向油道可進一步降低電機溫升，尤其適用于損耗密度大、結(jié)構(gòu)細長的高速大功率推進電機。

六、110 kW原理樣機實驗驗證

6.1 實驗平臺搭建與測試方案

文中百kW級推進電機與MW級推進電機具有相同的外徑、槽極配合等關(guān)鍵參數(shù)。由于MW級推進電機實驗驗證對平臺條件要求較高，因此首先對百kW級推進電機進行實驗驗證，以為后續(xù)MW級推進電機的研究和應用提供技術(shù)儲備。

某機構(gòu)研制的110 kW永磁推進電機樣機采用移相雙-三相繞組構(gòu)型，兩套三相繞組之間存在30°電角度相位差，轉(zhuǎn)子采用三段式Halbach陣列永磁體。實驗平臺由110 kW推進電機樣機、雙通道SiC控制器、拖動電機系統(tǒng)、冷卻油供油系統(tǒng)等構(gòu)成。鉑熱電阻PT100綁扎于繞組端部，用于實時監(jiān)測繞組溫度變化。實驗測試內(nèi)容包括電機空載反電動勢測試、轉(zhuǎn)矩-電流特性測試、額定工況連續(xù)運行溫升測試等。

6.2 電磁特性與溫升特性實驗結(jié)果分析

空載反電動勢測試結(jié)果表明，兩套繞組線電壓之間存在30°電角度差，實測波形與仿真結(jié)果基本相符，驗證了移相雙-三相繞組設計的正確性。轉(zhuǎn)矩-電流特性測試顯示，電機轉(zhuǎn)矩-電流線性度較高，雙繞組運行時的輸出轉(zhuǎn)矩約為單繞組運行的2倍。受鐵心材料飽和影響，電機輸出轉(zhuǎn)矩實測值在電流較大、電樞反應較重時略低于仿真結(jié)果，但整體誤差在可接受范圍內(nèi)。

在單向油道定子浸油冷卻條件下，額定工況繞組端部溫升曲線的實測結(jié)果表明，由于冷卻油與繞組直接接觸，電機快速達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，額定工況下實測溫升約28℃，與流固耦合仿真結(jié)果基本相符，證明了溫度場仿真分析的正確性和冷卻系統(tǒng)設計的合理性。實測值略低于仿真結(jié)果，這是由于實測溫升為鉑熱電阻放置處的溫升，而非繞組整體最高溫升。

6.3 實驗驗證對MW級電機研制的啟示

通過百kW級推進電機的電磁和冷卻特性實驗驗證，在以下方面為MW級推進電機的研制和驗證提供了重要參考：第一，移相多-三相繞組構(gòu)型的理論分析與仿真結(jié)果得到了實驗驗證，證明了該構(gòu)型在提升輸出轉(zhuǎn)矩、抑制轉(zhuǎn)矩脈動方面的有效性，為MW級六通道繞組的設計提供了可信的技術(shù)依據(jù)。第二，定子密封浸油冷卻系統(tǒng)在實測中表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理能力，驗證了高電流密度設計的可行性，為MW級電機25 A/mm2量級的電流密度設計提供了實驗支撐。第三，碳纖維護套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在高速運行中表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為MW級電機更高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子強度設計積累了經(jīng)驗。第四，雙通道SiC控制器與電機的協(xié)同運行實驗表明，多通道冗余架構(gòu)具有良好的容錯潛力，為MW級六通道系統(tǒng)的集成驗證奠定了基礎。

七、結(jié)論與未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

7.1 主要結(jié)論

本文針對飛機電推進系統(tǒng)應用場合，對飛機大功率高功率密度永磁推進電機技術(shù)進行了系統(tǒng)研究。在歸納權(quán)衡設計規(guī)律的基礎上，完成了百kW級和MW級永磁推進電機的拓撲優(yōu)化與多物理場分析，并進行了實驗驗證。主要結(jié)論如下：

（1）飛機大功率高功率密度永磁推進電機通常具有高速、高轉(zhuǎn)子線速度、高頻率、多通道數(shù)、表貼式Halbach陣列永磁體等特征。在高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩密度、低損耗等方面的設計需求之間存在固有矛盾，需從轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩密度-基頻的耦合關(guān)系出發(fā)進行多目標權(quán)衡設計。

（2）移相多三相繞組構(gòu)型通過消除傳統(tǒng)三相繞組的分布效應，可將推進電機輸出轉(zhuǎn)矩提高約4.9%，同時顯著抑制轉(zhuǎn)矩脈動、增強冗余容錯能力、簡化端部結(jié)構(gòu)，適用于高功率密度推進電機。多段式Halbach陣列永磁體有利于轉(zhuǎn)矩密度和磁場正弦度的提高，但分段數(shù)過多時增益效果有限且工藝成本急劇增加，應在性能增益與工程可行性之間進行權(quán)衡選取。

（3）通過遺傳算法多目標優(yōu)化，可實現(xiàn)推進電機性能的極限化提升。MW級電機功率密度預計可達17.3 kW/kg，效率達98.2%，滿足中大型電推進飛機的性能需求。定子密封浸油冷卻能夠支撐25 A/mm2的高電流密度設計，雙向油道系統(tǒng)相比單向油道可進一步降低溫升，尤其適用于損耗密度大、結(jié)構(gòu)細長的高速大功率推進電機。

（4）與百kW級電機相比，MW級推進電機需要采用更高的轉(zhuǎn)子線速度、基頻和電流密度，對電機的結(jié)構(gòu)強度與冷卻散熱提出了更大挑戰(zhàn)?；?10 kW永磁推進電機樣機完成的電磁和冷卻特性實驗驗證，證明了推進電機設計方法的正確性與可行性，為后續(xù)MW級高功率密度推進電機的研制和驗證提供了可靠的技術(shù)參考。

7.2 未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

展望未來，飛機大功率高功率密度永磁推進電機技術(shù)將在以下方向持續(xù)突破：首先，功率等級將進一步提升至10 MW級以上，以滿足窄體客機和干線客機的電推進需求。NASA已啟動高功率電推進（High power EAP）項目，聚焦10+ MW電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，并探索超導電機技術(shù)的工程可行性。其次，新材料和新工藝的應用將推動功率密度的持續(xù)突破，如非晶合金鐵心材料、高導熱絕緣材料、增材制造繞組等，有望在降低損耗和提升散熱能力方面取得實質(zhì)性進展。第三，多物理場耦合優(yōu)化設計方法將更加精細化與智能化，電磁-熱-結(jié)構(gòu)多場強非線性耦合的精確建模和高效求解算法將成為研究熱點。第四，系統(tǒng)級集成驗證和適航取證將成為制約技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要構(gòu)建涵蓋電機、控制器、熱管理系統(tǒng)和航空平臺的完整驗證體系。

我國在大功率航空推進電機領域已取得初步進展，但在功率密度極限化提升、系統(tǒng)集成驗證和適航認證方面仍需持續(xù)攻關(guān)。未來應在高性能電磁材料、先進冷卻技術(shù)、多物理場協(xié)同優(yōu)化、多通道冗余控制等核心方向上加大研發(fā)投入，同時加強產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新，加速推進MW級乃至十MW級永磁推進電機的工程化應用，為我國航空業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和電推進飛機的跨越式發(fā)展提供堅實的動力技術(shù)支撐。

&注：文章部分內(nèi)容引用于：【薛涵 ，張卓然 ，林秋雨，劉業(yè)，陸嘉偉，飛機大功率高功率密度永磁推進電機權(quán)衡優(yōu)化與多物理場分析】，由于小編水平有限，對所閱讀文獻的翻譯及總結(jié)難免有誤，錯誤之處敬請指正，非常感謝。本公眾號推送內(nèi)容以交流學習為目的，并非商業(yè)用途，所使用的配圖均來源于公開網(wǎng)絡獲取，如有侵權(quán)，請聯(lián)系協(xié)商處理。

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學習與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟等高科技領域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅實支撐。

公司總部位于長沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號，株洲市天元區(qū)動力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標測試設備研制邁向航空航天發(fā)動機、無人機、靶機、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認證，以嚴苛標準保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識產(chǎn)權(quán)的保護和利用，積極申請發(fā)明專利、實用新型專利和軟著，目前累計獲得的知識產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項。湖南泰德航空以客戶需求為導向，積極拓展核心業(yè)務，與國內(nèi)頂尖科研單位達成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢資源，攻克多項技術(shù)難題，為進一步的發(fā)展奠定堅實基礎。

湖南泰德航空始終堅持創(chuàng)新，建立健全供應鏈和銷售服務體系、堅持質(zhì)量管理的目標，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢，為客戶提供更經(jīng)濟、更高效的飛行器動力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。