随着科学技术的快速发展,能在“临近空间”(20-100km高度的高空)持续飞行并完成一定任务的临近空间飞行器已成为许多国家研究的热点。作为推动系统和伺服系统的核心部件,现代永磁无刷直流电机(BLDCM)具有效率高、功率密度高、可靠性能好等一系列优点,成为低动态临近空间飞行器电推进系统驱动电机的理想选择。由于临近空间环境具有空气稀薄、气温低、气压低、光照强、对流弱等环境特征,同时飞行器又要求推进电机体积小、重量轻、功率密度大,导致临近空间飞行器电动机面临着发热严重、散热困难的问题。为了保障电机的正常工作,必须对临近空间环境下电机的损耗与温升问题进行深入的研究,这在很大程度上影响着临近空间飞行器技术的发展。本论文考虑临近空间独特的气温、气压等环境因素,运用传热学基本原理,从永磁无刷电机的损耗计算出发,采用电磁场、温度场相结合的分析方法对电机在临近空间环境下的损耗分布、温升情况及发热散热机理进行了研究。给出了飞行器推进电机平均温升以及出力情况随海拔高度变化的规律,结合样机的高空环境实验进行了分析和验证。主要研究工作如下:1.永磁无刷直流电机定子铁心损耗的分析与计算不仅直接影响着电机性能的准确分析,而且影响着电机温升问题的进一步研究。本文基于Bertotti铁耗分离理论,建立了综合考虑交变磁化条件和旋转磁化条件下的永磁无刷直流电机的铁耗计算模型。同时研究了铁心损耗中的磁滞损耗与涡流损耗分布的特点、影响因素以及损耗随电机转速升高后的变化趋势。2.由于永磁无刷直流电机定子电流存在谐波以及气隙磁阻变化等原因,使得电机运行时转子永磁体及保护套内感应涡流,产生涡流损耗引起电机发热。本文基于时步有限元方法,计算了永磁无刷直流电机转子涡流损耗。对比分析了保护套材料由不锈钢改为碳纤维后,电机转子涡流损耗的变化情况,研究了保护套材料属性对转子涡流损耗及电机温度场分布的影响。3.分析了永磁无刷直流电动机发热过程和电机内主要的热交换方式,计算了永磁无刷直流电机中关键的热传递参数,如等效导热系数、自然对流换热系数、强制通风散热系数等。基于有限元方法,以热传导的方式等效处理了电机定、转子与气隙之间的复杂对流换热过程,建立了永磁无刷直流电机二维电磁-温度耦合场计算模型。基于该模型对电机的二维瞬态温度场进行计算,计算结果与样机温升实验数据进行了对比,说明模型具有一定的准确度,能够反映电机工作时的温升情况。4.考虑临近空间环境下的大气密度特性、风速特性、温度特性、辐射特性等主要特征及电机与环境的换热关系,建立了永磁无刷直流电机在临近空间环境下的温度场模型。给出了临近空间环境下模型的基本假设及相应的边界条件,计算了永磁无刷直流电机在临近空间环境下的温度场分布情况并与地面环境时的温度场结果进行了对比。分析了不同环境下换热系数变化对电机温升及散热的影响。5.结合样机的高空适应性研究实验,进一步验证和对比了地面环境与高空环境电机温度场的变化情况,得到了电机损耗保持不变的条件下其温升随海拔升高而变化的规律以及电机温升保持不超过限额的条件下其出力随海拔而变化的规律。分析了电机辐射换热能力随海拔变化的趋势,查明了热辐射参数变化条件下,电机温升随海拔高度变化的规律,对电机辐射散热设计、改善电机高空温升特性具有指导作用。