CN100497091C - 用于飞机的飞机起落架总成 - Google Patents

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Abstract

一种包括一轮毂电动机/发电机的飞机起落架总成包括相对于轮子支柱和轮子安装的交替的各转盘和定子盘。本发明可在轮子着地之前给轮毂电动机/发电机供电，使其起电动机作用以让轮子转动起来。这样可降低轮胎的速度与飞机相对于地面的速度之间的速度差，这有利于降低轮胎触地时的滑移磨损。在着地之后，把轮毂电动机/发电机用作发电机，这可对轮子施加再生制动力和/或机动化制动力。在着陆滑行中产生的电能可用电阻器耗散掉和/或储存起来供以后用，例如为飞机的滑行和机动提供动力。本发明给出了采用本发明的、用于前起落架和ABS制动的方法和装置。

Description

用于飞机的飞机起落架总成
本申请是于2003年12月15日提交的美国专利申请10/734,216的部分续展申请，那一申请的全部内容被本文引用之。
技术领域
本发明涉及飞机起落架，尤其涉及一种集成的轮毂电动机/发电机(wheel hubmotor/generator)和飞机起落架系统的再生制动和/或机动化制动方法，它可以降低制动系统和相关的轮胎的磨损，同时能提高飞机的稳定性和减少因磨损而需要的维护。
背景技术
众所周知，在飞机轮子和制动器总成领域需要设置非转动的轮子支柱、安装于支柱而能够转动的轮子以及制动盘片组，用摩擦制动把制动盘的旋转运动转变成摩擦热能，这会引起制动盘的磨损。美国专利4,381,049、4,432,440、4,542,809、4,567,967、4,596,316和6,615,958中揭示了各种制动器动作结构和方法。
为飞机提供制动系统的这一技术领域的现状是采用定子和转子，它们被迫互相机械接触而产生摩擦热，这将导致相关的制动盘的磨损，因而需要进行定期的维护乃至更换磨损的零件。
最新设计的碳盘制动器的主要缺点是需要用更多的碳材料来吸收钢盘制动器能够吸收的同样大小的热能。碳盘制动器的另一个缺点是在碳盘表面被雨水沾染时其制动能力大大降低，而且其磨损后的更换费用很高。
还有，要求飞机在从跑道滑行到航站楼时作自行机动。一个这样的要求是要飞机作180°的转弯，根据跑道的宽度和飞机在所述跑道的实际宽度内进行180°转弯的能力，这对被允许在特定的跑道上起降的飞机是一个上限。现在在用的起落架可以提供有限的能力来进行这样180°的转弯。
飞机制动器设计中的一个重要问题是在飞机着陆和中止起飞过程中起落架系统的制动系统中的飞机动能的耗散。最终，其表现为飞机轮胎和地面之间的滚动摩擦，使飞机慢慢停止，这样，所需要的制动能力是取决于飞机的最大着陆重量和滚动摩擦。相对而言，现有技术的制动系统在它们产生所需要的制动力的方式上是缺乏灵活性的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是为飞机的制动和机动提供一种用在起落架里的改进的系统和方法。
本发明的另一个目的是克服现有技术的飞机起落架系统用于飞机制动和机动时的局限性和缺点。
本发明的再一个目的是降低起落架和制动系统中的零部件的磨损，改善飞机结构的稳定性，增加可靠性，同时降低现有摩擦制动系统所需要的那种维护。
本发明的再一个目的是减少飞机起落架里所需要的摩擦制动盘。
本发明的再一个目的是提供一种回收飞机的动能并将其转变成电功率的系统和方法。
本发明的再一个目的是为飞机起落架提供一种系统和方法，它允许飞机减小转弯半径。
再一个目的是降低飞机轮胎由于触地滑动磨损而产生的磨损，其措施是把起落架轮胎的线速度紧密地匹配于飞机着地时相对于地面的速度，使触地时的速度差大大减小，这样可大大降低轮胎的、与起落架轮胎触及降落跑道表面相关的滑动摩擦磨损。当前技术的飞机上存在的这种滑动摩擦会引起影响轮胎性能进而影响安全的磨损。
再一个目的是提供一种产生动力的装置，它用于为飞机进行滑行和地面机动提供动力，以有助于提高飞机的效率、机动性、稳定性和安全性。
再一个目的是提供一种产生动力的装置，它用于帮助飞机起飞，有助于飞机降低起飞距离要求，也有助于提高飞机的效率、机动性、稳定性和安全性。
本发明提供一种独特的飞机制动措施，其中采用再生制动(regenerative braking)和/或机动化制动，它具有优于现有技术的摩擦制动系统的许多优点。这是依靠把一种轮毂电动机/发电机集成在飞机轮子和轮轴结构里来达到，其中，制动作用是依靠轮毂电动机/发电机的定子盘和转盘的磁力转矩的互相作用来建立的。飞机着陆滑行时的动能被转变成电能，这些电能可用电阻器耗散掉和/或储存起来供以后用，例如作为飞机起飞、在地面上滑行和机动时的动力，或在着陆时通过采用机动化制动来提高电磁制动系统的效率，这样，可提高飞机制动系统的总效率，并提高飞机的稳定性和安全性。
另外，已经发现本发明还有许多其它特点，在着地之前用轮毂电动机/发电机作为电动机使轮胎转动起来，使其线速度匹配于飞机着地时相对于地面的速度，使两者之间的差值为最小，这可大大降低起落架轮胎的滑移磨损，延长轮胎的使用寿命，从而提高起落架轮胎的性能，增加飞机的可控制性和安全性。还有附加的好处，即，在飞机的降落飞行中使起落架轮子转动起来，可产生一种陀螺稳定作用，依靠起落架轮子的旋转速度，可大大地有利于飞机的稳定。
在一个实施例中，轮毂电动机/发电机的盘组包括交替的转盘和定子盘，其中，每个转盘都结合于轮子以与轮子一起转动，每个定子盘结合于轮轴和/或作为支柱的转矩管，它相对于轮胎的转动是静态的。在一个较佳实施例中，轮毂电动机/发电机通过发电机作用起到一制动器的作用，这也可称为再生制动，其中，转盘和定子盘之间的磁力转矩的互相作用对轮子和轮胎组件施加制动力，并可把发出的电功率储存起来供以后使用。
这种轮毂电动机/发电机具有安装在其上的多个互相关联的定子盘构件和转盘构件，可对它们独立地、依序地或同时地以不同的方向施加电流而使其转动或不给它们供电而让它们发电，这取决于需要它们起电动机作用和/或再生制动和/或机动化制动作用。在一个这样的情况中，通过把相关的转盘和定子盘作为发电机来施加电磁制动，并把定子的输出功率施加于另一个定子盘，以增强该另一个定子盘的相关转子的制动效果，这样可实现机动化制动作用，或给在同一个或另一个轮毂电动机/发电机、盘组里的作为一发电机起作用的一个盘或几个盘供电后使其可电动回转。
这里揭示的在同一个或另一个轮毂电动机/发电机、盘组(disk stack)里的不同的一个或几个定子盘的电动机/发电机互相电气连接方法或机动化制动方法是可以改变的，就是在本发明的范围内可以做出发电机的一个或几个盘和电动机的一个或几个盘的许多组合，并且在盘式轴向磁通电动机/发电机(axial flux motor/generator)领域是独特的，可根据飞机着陆重量和/或起落架设计结构的需要，通过电气的或机械的方法加上或取下一个或几个盘可提供在飞机上应用的灵活性。轮毂电动机/发电机盘组里的各个盘的电连接允许把任一个盘作为一电动机或一发电机或它们的任何组合，这就是本发明中提出的称为机动化制动的方法。这给飞机起落架的设计增加了灵活性。采用盘式轴向磁通电动机/发电机，由于可以灵活地控制轮毂电动机/发电机的电动机作用和制动作用，可大大降低设计费用。
如上所述，飞机制动器设计中的一个难题是在着陆和中止起飞过程中飞机的动能在起落架系统的制动系统里的耗散，最终这个动能消耗于轮胎与使飞机慢下来的地面之间的滚动摩擦，因此，所需要的制动能力取决于飞机的着陆重量和滚动摩擦。本发明的机动化制动方法在产生所需要的制动力方面有灵活性，这是当前技术的制动系统中所缺少的，本发明的方法还允许进行更有效的设计，对于超重的飞机可通过用诸开关控制器(switching control)改变电连接来增大制动能力，这样可提高飞机的安全性。
另外，在起落架里采用盘式轴向磁通轮毂电动机/发电机，可让一个起落架里的电动机使这个起落架向一个方向运动，并类似地使另一个起落架向相反的方向运动，从而减小飞机进行180°转弯时的转弯半径。与当前技术的起落架相比，这种转弯方法允许飞机以更小的转弯半径完成180°转弯，这是因为本发明的转动中心是位于两个主起落架之间在飞机的中心线上，而不是像当前技术的起落架那样在从前起落架和主起落架的轮轴延伸出去的两条线的交点。由于在枢转起落架总成时不必锁住制动器，这一特点可降低跑道表面的磨损，并可避免枢转的起落架总成的轮胎因滑动摩擦而产生磨损，而在当前技术的起落架上这种滑动磨损是不可避免的。
附图说明
下面参照以附图描绘的示例性实施例详细说明本发明，各附图中：
图1是本发明的盘式轴向磁通轮毂电动机/发电机的一个实施例的示意剖视图；
图2是一个流程图，它表示可用于实现本发明的起落架方法的诸开关控制器的一种可能的实施方法；以及
图3是一个框图，它表示用于本发明的模糊逻辑ABS控制的一种方法和装置。
具体实施方式
图1是一种可能的盘式轴向磁通轮毂电动机/发电机的剖视图，它可达到所需要的起落架轮子的电磁制动作用和/或电动机作用。诸转盘1连接于轮子4并可随之转动。可以是用导电材料制成的诸定子盘2连接于轮轴3和/或中心转矩管(torquetube)并相对于轮子是固定的。在轮子里，各个圆盘是互相电绝缘的，用导线电连接起来(未示)的情况除外。诸转盘1可以用导电材料或永久磁铁制成并连接于轮子4。轮子4由一轴承组5支承，而该轴承组5可由内和外轴承组或衬套、空气或磁力型轴承构成。
在这一较佳实施例中，在轮子着地之前用流过定子盘2的径向电流给轮子4施加动力，这个电流可产生轴向磁通磁场，这个轴向磁通磁场与一高能量密度材料如钕的转盘1的永久磁铁的轴向磁通磁场互相作用，永久磁铁的轴向磁场基本上以轴向磁通方向处于转盘1内，磁场里的全部永久磁铁都处于同一矢量方向。这种布置使转盘1和定子盘2之间产生磁力转矩，这个转矩使轮子起着电动机作用。定子盘2和/或转盘1可以用铝制成，外面用铜包覆，还可以再用银包覆，和/或可以用任何其它合金诸如铍铜合金和/或导电的聚合物制成，用以增加强度。所需要的电连接是众所周知的，所以未表示出来。这样的电连接可包括例如滚动接触件和/或滑动碳刷。或者为了依靠这里所述的轴向磁通相互作用达到电动机/发电机作用，也可用无刷的设计结构。
图2是开关控制器的系统信号和电力信号的流程图，它们用于产生控制一无刷结构形式里的飞机起落架轮毂电动机/发电机的电动机作用和/或制动作用所需的信号。
在让轮毂电动机/发电机起电动机作用时，用霍尔效应传感器1指示永久磁铁在转盘里的位置，其中各个磁铁的N极和S极是交替的，它们的磁通沿轴向对准于相关的诸定子磁场线圈。转盘的位置信息被发送到用于控制信号的正确定时的处理机3，而控制信号被发送到诸光学隔离器(optical isolator)5，随后又被发送到多相无刷换向驱动控制器10，而控制器10把来自电力储存设备和/或飞机上的电源9的电施加于在一单个定子盘12里的诸定子磁场线圈，使得产生一电动机作用，电动机的转动方向取决于从使用者制动和电动回转输入控制器(user brake andmotoring input control)7进行的输入，这个控制装置通过诸光学隔离器5把信息提供给处理机3，以使使用者的输入使轮毂电动机/发电机开始作为电动机正转或倒转，并且从停车制动控制器4到处理机3的输入可指出停车制动系统是否处于接合状态。如果停车制动器是接合的，以及使用者从使用者制动和电动回转输入控制器7进行的输入是在触发电动机作用，就发出一个报警信号2。如果停车制动器是脱离的，处理机3就按照使用者从使用者制动和电动回转输入控制器7进行的输入使电动机正转或倒转。
在让轮毂电动机/发电机起发电机作用时，可建立从单个定子盘12里的定子磁场线圈到再生制动和多相整流控制装置11的电功率连接，并且随着定子部分和转子部分之间产生相对运动，在轮毂电动机/发电机各定子线圈里产生多相功率信号，并且这一功率信号被发送到再生制动和多相整流控制装置11，它根据处理机3发出的控制信号把变化的多相功率信号转变成直流(DC)信号，而处理机3是根据使用者从使用者制动和电动回转输入控制器7输入的控制信号。如果处理机控制信号是要求功率储存和/或功率耗散，那么就从再生制动和多相整流控制装置11发送DC功率信号给功率储存设备和/或飞机上电源9，将发出的电功率储存起来供以后使用和/或发送给用于耗散的功率耗散电阻器13。再生制动和多相整流控制装置11也可以用于对机动化制动控制装置6提供多相电功率，而机动化制动控制装置6是由处理机3的控制信号控制，像这一较佳实施例中所述的那样施加机动化制动命令，其中多相功率信号是施加于在同一或另一轮毂电动机/发电机盘组里的另一定子盘8的诸定子磁场线圈，以便对正在经历发电机作用的另一定子盘8的诸定子磁场线圈供给电功率，这样，通过使这一圆盘向与转子的转向相反的方向作电动机转动可增强制动效果，这样来产生机动化的制动作用，这在无刷轴向磁通电动机和发电机领域是独特的。
无刷轴向磁通电动机和发电机是众所周知的，其中采用了多个扇块形转子和定子。美国专利4,223,255、4,567,391、4,585,085、6,046,518、6,064,135、6,323,573B1、6,617,748B2和6,633,106B1以及美国专利申请公报US2003/0159866A1和US2002/0171324A1中揭示了无刷轴向磁通电动机和发电机的各种变化。也被称为盘式或饼式电动机的任何轴向磁通式电动机和发电机都可用于包括那些已经被授予专利权的专利中所述的机动化制动的方法。转子和定子一般是由永久磁铁制成，轴向对准的磁通里N极和S极是交替的。诸转子分段和定子分段一般由在一单个定子或转盘里并固定于该单个定子或转盘的诸定子线圈或转子线圈组成，并带有也固定于该单个定子或转盘的多个被分开的霍尔效应传感器，而使线圈组对准用在转子或定子里的永久磁铁组。在一单个圆盘里的诸定子线圈或转子线圈需要从一多相无刷换向驱动控制装置对所述的诸线圈施加控制电流，以引起电动机作用。施加于这种多相无刷换向驱动控制装置的控制信号是通过采用由霍尔效应传感器提供的位置信号的光学隔离器从一处理机发出的。这种无刷电动机也可以用在再生制动中，通过发电机作用发出电流，并且电流的路径是由电开关控制器来建立，其中发出的电功率通过控制系统储存起来供以后应用。
轴向磁通电动机和/或发电机的可能形状可概括如下。一般地说，绕组可以是固定的或旋转的，绕组可以构造成下述结构。一种可能的结构是有槽的叠片结构或包括铁芯材料，绕组布置在槽里。另一种可能的结构是无槽结构，其中绕组被绕成线圈并埋在诸如碳材料的无铁结构里或可被绕在叠片上或包括铁芯材料。再一个可能的结构是实心结构，其中感应电流在实心导电材料内部流动，导电材料可以是或可以不是铁磁材料。盘式结构的绕组可以是印刷电路形式的和/或是用铜片冲制而成的和/或可以是绕成几个个体线圈的铜线绕组，它可以是或不是一编绞的导线构造(litz wire construction)。
应用
在轮子触地之后，可立即把用作电动机的轮毂电动机/发电机转变成发电机，其过程是：断开对定子盘的供电，在转子磁场由于飞机的动能相对于定子磁场作相对运动时发电机就产生作用，并通过采用诸如IGBT或IGCT和/或机电式继电器的已知的电转换作用和控制装置从所述定子盘取出电功率，可把发出的电功率储存在再生制动装置里和/或在动力制动过程中耗散掉和/或施加于其它的定子盘，使之通过机动化制动增强制动效果。
可把定子盘发出的电流储存在飞机上的蓄电池、电容器组或其它适当的蓄电设备里，诸如通过电子控制装置和/或机械接触器电气连接于定子盘的旋转蓄能线圈和/或螺旋管式蓄能线圈，这样，就可把发出的电功率耗散掉和/或储存起来用于以后的供电。
机动化制动方法中的电磁制动可较佳地通过把相关的一个或多个转子和定子盘作为发电机来施加，把发电机的输出施加于另一个或多个定子盘，使之产生电动机作用，这个电动机作用的转动方向与产生机动化制动作用的轮子的转动方向相反，这可超过仅用再生制动的制动作用，这样，可减小制动距离和增加飞机的安全性。
机动化制动的方法可较佳地通过两个途径来做到。第一个途径是用一个定子盘相对于相关的转盘的相对运动发出的电功率，可把这个电功率施加于轮毂电动机/发电机盘组里的另一个定子盘，以便通过所述另一定子盘的另一相关的转盘向相反方向转动来增强制动效果，这样就能进行机动化制动，或使在同一或另一轮毂电动机/发电机盘组里的一个或多个盘作为一个或多个再生盘而电动回转。第二个途径是用储存的和/或飞机上发出的和/或外部的电功率，把这样的电功率通过设置的电连接施加于定子盘，把由此产生的电动机作用施加于转盘，使其转动方向与飞机轮子的转动方向相反，如此实现机动化制动，或使轮毂电动机/发电机里的一个或多个盘电动回转。可把上述两个途径结合起来以产生所希望的制动效果。
可把轴向磁通轮毂电动机/发电机用于使飞机起落架轮子产生电动机作用来给飞机提供像陀螺那样的稳定作用。在着陆过程中，把飞机起落架放下并随后对起落架轮子施加电动机作用而使之向前转动，这可产生陀螺效应而使飞机稳定，从而增加飞机的稳定性和安全性。
另一实施例采用不同于电磁制动的涡流制动，其中转盘是用铝、铝合金、钢、铜、铍、银或它们的各种构造的任何组合制成的，而定子盘可以是像前面的电磁制动的较佳实施例中所述的那样制成的，通过给定子盘施加电流，让定子盘的磁场使所述转盘里感生涡流电流，以此来产生磁阻力转矩，而这一阻力转矩可对飞机轮子产生制动作用。
可把上述实施例的任一组合附加地应用于现在使用中的摩擦制动系统，以延长摩擦制动系统的寿命和提高其使用性能，以及通过降低磨损速率和所需要的摩擦盘数量来降低维护费用。如果需要，在上述各实施例和它们的组合中，也可以采用摩擦制动系统中所用的冷却系统。
在着陆的情况中，飞行员放下起落架，并通过飞行员输入控制装置对起落架的轮毂电动机/发电机施加电功率，使起落架轮胎向前转动。对一架典型的波音747飞机而言，对于130英里/小时的着陆速度，起落架轮胎的转动角速度应约为48弧度/秒，以使轮胎速度和对地速度匹配，这样可大大降低轮胎的滑移摩擦磨损。在触地之后立即用控制系统储存轮毂电动机/发电机发出的电功率，以实现再生制动。片刻之后，把储存的能量通过控制系统施加于轮毂电动机使之产生转动方向与转子的转动方向相反的电动机作用，借以进行机动化制动。为了使飞机完全停止，可以用机动化制动，并且在向前运动已经停止时断开机动化制动，随后对制动盘施加直流电流，使每个定子磁场线圈由于转子的永久磁铁磁通而产生磁通，这也可用于在航站楼处停机时对起落架轮子施加停机制动力。
在起飞的情况中，飞行员可用输入控制装置进行输入，使起落架轮胎向前转动并起动喷气发动机。这可使飞机在跑道上的滑行速度比只用喷气发动机滑行的速度快，从而可缩短采用这种装置的飞机的起飞滑行距离。
在中止起飞的情况中，可将全部制动系统一下子都投入使用，使飞机的制动能力达到最大。
在180°转弯的地面机动情况中，飞行员可用输入控制装置进行输入，给一个起落架供电使之向前运动，而同时给另一个起落架供电使之向相反的方向运动，使飞机在飞行员的控制下完成转弯。
在飞机在航空母舰上起降的情况中，供电可来自连接于飞机的外部电源，诸如用于推动飞机或使飞机从航母上起飞的电源。电连接装置可以是直接机械接触连接器或非接触式连接装置，非接触连接是采用电磁感应把能量从地面通电轨道传输到飞机上。在对商业飞机采用这种作法时，可将地面通电轨道嵌入飞机场的跑道以便能够传输电能，和/或提供某种措施，飞机控制人员可用这种措施通过控制施加于飞机的轮毂电动机/发电机的电功率来直接控制飞机的地面运动，这样可增加飞机控制人员的控制程度。
在本发明的范围内还可做出其它实施例。例如，这种系统可以是非常灵活的，允许一个定子—转盘组给另一个定子—转盘组供电，以实现机动化制动。在着陆时可通过对轮子施加与其转动方向相反的转矩来实现机动化制动。
下面给出一种可能的应用：在着陆的情况中，可把轮子转起来使其线速度达到飞机着陆速度，并在轮子触地后立即停止施加电功率，而使轮子起到发电机作用。系统可把能量储存起来，过一定时刻之后，把储存的能量施加于定子—转盘组，使之产生与轮子转动方向相反的转矩，借以实现机动化制动。对于着陆过程，这可能产生非线性的转矩曲线，可对这种过程进行完全计算机化的控制，以增大制动的有效能级。
作为另一个例子，本发明可无需采用轴向磁通电动机。本技术领域已有的任何电动机/发电机设备都可应用于所揭示的各起落架总成实施例，来达到其对应的效能。
除已列举的优点诸如能够依靠施加于定子—转盘组的电压控制制动量级之外，本发明还有其它优点。例如，如果可使主起落架的两个或多个轮子差动地和/或向不同方向转动，可减小飞机作180°转弯所需要的转弯半径或跑道宽度，这可使飞机在其本来不能起降的较小的简易跑道上进行起降。这又允许飞机采取更直接的行走路径，在紧急情况下可依赖附加的简易跑道，这有利于减少飞行时间和燃料消耗。
作为优点的另一个例子，因为喷气式发动机的效率是随速度增加的，所以飞机特别是喷气飞机的自行滑行效率很低。而本发明中，定子—转盘组能够把电能(不管是储存在电能储存设备里的，还是飞机上的和可通过例如电磁感应可传输的)转变成轮子的转动能，这有助于补偿飞机的喷气式发动机在低速下运行的效率不佳。还有，依靠电工作的轮子不仅有助于飞机的滑行和起飞，而且也可以降低或消除对拖曳电动机的需要，而通常在例如后退的高难度情况下，需要用拖曳电动机来拖动飞机。
作为优点的再一个例子，这种系统能够在飞机着地前把起落架轮子加速到很高的速度，使这个速度近似匹配于飞机着地时的速度，这可降低飞机的“颠簸”或冲动现象，而常规飞机的固定不动的轮子在因触地而被突然加速到飞机着地时的速度时，一般都要发生这种现象。降低或消除颠簸有助于提高乘客的舒适性，降低轮胎和跑道的磨损，以及可产生起稳定作用的陀螺效应。
轮毂电动机/发电机的电动机作用还可用作在准备着陆时放下或伸出起落架或用作起飞后收回起落架的动力源。其中，电动机作用是通过机械连接的，可用于定位或锁住起落架。这样的系统可以这样来实现，例如用螺杆传动机构或其它这类机械装置来建立从轮毂电动机/发电机到起落架支柱组件的运动传递，在降落时把起落架放下并锁定以及在起飞之后把起落架收起并锁定。
应用本发明时的其它考虑包括：首先，这种装置既可应用于前起落架也可应用于主起落架。前起落架可能与主起落架有许多或完全相同的结构特点，诸如可用处理机控制的一个或多个电动机/发电机(诸如轴向磁通电动机/发电机)。其次，前起落架可包括两个或多个轮子，它们可根据使用者发出的并经处理机处理的转向信号差动地转动。
现有的飞机转向方法是或者进行差动制动(differential braking)和/或把前起落架转动一个角度。差动制动是用来自飞行员的输入对飞机的一侧施加制动而使飞机转弯，至于前起落架的转向是通过手轮和/或舵柄输入的。差动制动会对地面或跑道产生严重的侵蚀，经常使用差动制动还可能导致起落架损坏。现有的前起落架转向角度限制为左右各60°，这是用诸如推—拉执行器、齿条和齿轮、回转驱动器以及有放大作用的机械联动系统施加的，这类机构容易磨损且需要维护。如果前起落架的自对中系统出了故障，在飞行中这样的机械驱动器可能会使前起落架移动。
使起落架的两个或多个轮子差动地转动，只能在轮胎接触地面或跑道并且提供使轮子转向所需要的转矩时才能使前起落架转向，而飞机不向前移动。按照本发明，可通过使前起落架的一个轮毂电动机/发电机向一个方向转动而使其另一个轮毂电动机/发电机向另一个方向转动来实现这种转向，由飞行员提供手轮输入把前起落架定位于所希望的任何方位。
或者，使前起落架的两个轮毂电动机/发电机以不同的速度向同一方向转动，也可使前起落架转向。
因此，这种新的转向方法可提高飞机的机动性，降低飞机因附加设备而增加的重量，还可提高可靠性。在飞机轮子接触地面且两个轮胎向同一方向转动时，飞行员可通过手轮对两个轮毂电动机/发电机给予不同的输入功率，使一个轮胎转动得比另一个轮胎快，这可使前起落架一边向前运动一边向所希望的方向转向。用在飞机前起落架中的现有的方法在着陆过程中会使前起落架轮胎产生不均匀的磨损，以致使前起落架轮胎不平衡。前起落架轮胎的这种不平衡可能导致前起落架轮子摇摆。
通过采用这种可降低轮胎磨损的方法，在着陆时可降低前起落架因不均匀磨损而可能产生的摇摆，所以可提高前起落架转向系统的性能，与当前使用中的方法相比，可提高稳定性。
另一个考虑是可使往往用于帮助转向的前起落架在不得不在简易跑道上机动时、特别是刚刚着地之后有更好的转向性能，所以，这种系统可包括鳍板或阻力板或同类的构件，把它们构造成使空气向上流，借以增大飞机前起落架压向跑道的力。
另一方面，本发明可提供改进的防抱死制动系统(ABS)。电磁制动系统的一个明显优点是，反馈信号比液压系统里的信号快1000倍，这有利于增加ABS的有效制动能力，从而提高安全程度，也有助于提高可靠性，因为电磁设备固有地比液压设备可靠。电磁制动系统也是固有的防抱死系统。
有多种途径可实现防抱死制动系统(ABS)，并且任何常规的ABS或改进的ABS都可应用在本发明中，来实现所希望的飞机制动。下面说明一个可能的途径，它采用模糊逻辑作为可能的控制措施。
近年来，模糊逻辑控制技术已经广泛地应用于各种系统。防抱死制动系统中的许多电子控制系统正在成为模糊逻辑控制技术的应用对象。通过采用模糊逻辑控制(fuzzy logic based control)而不是传统的控制算法，可使电子控制系统具有优越的特性。
在硬性或紧急制动过程中，采用ABS可确保最佳的控制和最小的停机距离。近年来，装备ABS的飞机数量不断增加，现在已经认为ABS是对飞机安全的一大贡献。ABS采用的控制方法可提高系统性能，所以，提高ABS的能力是飞机制造厂家追求的目标之一。
电子控制单元(ECU)、轮子速度传感器以及制动调制器是ABS模块的主要组成部分。轮子速度传感器以与轮子速度成比例的频率发脉冲给ECU。然后ECU处理收到的信息并相应地调节制动器。把模糊逻辑控制算法应用在ABS系统中的ECU和控制算法部分地决定着ABS系统将有怎样的性能。
由于ABS系统在性质上是非线性的和动态的，所以它是用于模糊逻辑控制的主要候选者。对于大多数跑道表面，随着制动力施加于飞机的轮子系统，飞机和跑道表面之间的纵向摩擦关系迅速增强。在这样条件下的轮子滑移基本上认为是在施加制动力的过程中飞机速度和轮子速度降之间的差异。制动器因摩擦力阻止滑移而起作用。摩擦力允许的滑移越长，对飞机的动量产生的制动力就越大。遗憾的是，在RTO(中止起飞)过程中或在湿的或结冰的地面上滑行时表面摩擦系数是变化的，滑移本身将会受阻。如果继续施加制动力以致超过跑道表面的有用摩擦系数，制动器就将有效地开始在非摩擦环境中工作。在摩擦降低的环境中增大制动力往往会导致轮子完全被抱死。已经从数学上和经验地证明，滑动的轮子产生的摩擦比运动着的轮子的滚动摩擦小。
ABS控制算法应该考虑由温度变化和磁场磁通的相互作用的动态特性引起的制动力矩的非线性。并且，还应考虑诸如摩擦系数和跑道表面的变化之类的外部干扰，当然还应考虑轮胎的磨损和系统零部件老化的影响。这些影响因素使系统的复杂性增加，这又进一步影响用于描述系统的数学模型。当数学模型包括越来越多需要控制的复杂的方程式时，ABS也将变得越来越复杂。由于ABS的高度动态性质，需要用许多假设和初始条件来使控制是可实现的。一旦可实现控制，就可通过建立样机并进行实验验证来实现系统。然后，对系统进行改进，以求得到所希望的如同试验装置所定义的控制状态。
由于模糊逻辑的性质，在ABS的基于规则的描述中，应考虑各种动态影响因素。这种形式的“智能控制”允许更快地建立系统规范。最近的一篇题为“Fuzzy LogicAnti-Lock Brake System for a Limited Range Coefficient of Friction Surface”，1993IEEE从系统制造厂商的观点论述了与模糊ABS的初始研发相关的某些问题。
图3是一个框图，它表示本发明的用于模糊逻辑ABS控制的方法和装置。图3中表示出了对模糊逻辑ABS的输入，它们是：
1.制动器：这个框代表制动器脚踏板的偏转量/主控量。这个信息以数字量或模拟量格式采集并且也表示停机制动器的位置。
2.降落模式：这表示飞机是否处于降落模式，并且可以编入具体的跑道数据，作为对系统的数据输入。
3.起飞：如果飞机是准备起飞以及发动机是否在运转，就记入这个数据。
4.反馈：这个框表示关于ABS系统的状态的一组输入，诸如温度、发出的电流的大小和/或施加于轮毂电动机/发电机的电流的大小以及其它。
5.轮子速度：在典型的应用中，这个将代表一组4个输入信号，它们分别来自每个主起落架总成里的每个轮毂电动机/发电机，它们代表每个轮子的速度的信息。这些信息用于导出控制算法所必要的全部信息。
6.数据输入和变量加权，这允许把各个输入数据组合起来进行关于有效性和加权恰当性的评估，然后发送到安装在主程序界面引擎(Main program InterfaceEngine)里的ABS控制算法上。
7.可对主程序界面引擎进行更新，进行改进，用于处理输入数据，供电子控制单元(ECU)应用，ECU输出数据给各个指示器以供飞行员观看，诸如可能的误差信号，并且数据输出给可控制施加于制动系统的各个轮毂电动机/发电机的电功率的脉冲宽度调制控制器。
通过把来自每个轮子的信号综合起来可计算每个轮子的加速度和滑移。然后，在模糊逻辑ABS系统里处理这些信号以实现所希望的控制，并且这样的体系设计是尽可能充分利用改进的数学演示定时(math execution timing)，使这样的改进成为可用的。
当由用轮毂电动机/发电机作为发电机并把输出功率施加于一电阻器排(resistor bank)构成动态制动的情况下动态制动是有效的时，由于两个制动系统可产生太大的阻力以致引起轮子滑动甚至使轮子的轮胎上出现磨平的区域，可能造成这样的情况，即，制动系统松开轮毂电动机/发电机上的自动制动系统。另一种改变是进行混合制动。采用混合制动可使制动更有效。由ABS的反馈电子装置来建立，混合制动在低的动态电流强度范围内用某几个自动制动系统，而在高的动态电流强度范围内如果用也是少用自动制动。在完全动态情况中，可把自动制动完全松开。混合制动与轮子滑移和其它制动控制电路有关，诸如轮毂电动机/发电机上的加速速率和速度。
尽管已经说明了本发明的示例性实施例，但是它们不以任何方式限制本发明的范围。熟悉本技术领域的人很容易理解，在权利要求所限定的本发明的范围内可以做出各种变型。在权利要求中采用了装置加功能条款，这些条款意在覆盖这里描述的、用于执行所述的功能的结构概念，不仅覆盖结构上的等同体而且覆盖等同的结构物。
不能把以上结合较佳实施例描述的本发明的方法认为是限制于所提供的具体细节，因为在本发明的精神和范围内可以做出各种改变和变型。例如，本发明的原理可以广泛地应用于其它电动运载工具的起动和/或制动系统，诸如电车、公共交通车、货运卡车、轿车、船艇以及需要制动的其它电力驱动设备。

Claims (50)

1.一种用于一飞机的飞机起落架总成包括：
一前起落架和一主起落架，所述主起落架包括：
一非转动的主体部分，它被构造成固定于飞机的一机身骨架；
一轮子，它连接于所述主体部分并可绕一转动轴线相对于所述主体部分转动；
多个定子，它们连接于所述主体部分，其中，每个定子包括一圆盘，该圆盘的平面大致垂直于所述转动轴线；
多个转子，它们连接于所述轮子并被构造成可相对于所述定子转动，每个转子包括一圆盘，该圆盘的平面大致垂直于所述转动轴线，其特征在于：
所述多个定子和多个转子中的每一个被构造成能产生大致平行于所述转动轴线的轴向磁通；以及
所述多个定子和多个转子被构造成它们的轴向磁通互相作用而引起以下情况中的至少一种情况：把电能转变成所述轮子的转矩能；以及把所述轮子的转矩能转变成电能。
2.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，它还包括几个摩擦式制动器，它们连接于所述主体部分并构造成能够在一种混合制动系统里相对于所述主体部分制动所述轮子，所谓混合制动系统是把磁力制动混合于摩擦式圆盘制动器。
3.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个定子和多个转子被构造成能够互相作用而引起：把电能转变成所述轮子的转矩能；以及把所述轮子的转矩能转变成电能。
4.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个定子和多个转子包括包在碳材料里的导线，它们被构造成使它们的轴向磁通的互相作用可引起：把电能转变成所述轮子的转矩能；以及把所述轮子的转矩能转变成电能。
5.如权利要求4所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述导线包括高温超导导线。
6.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个定子包括包在碳材料里的多个高能量密度永久磁铁，以及，所述多个转子包括包在碳材料里的导线，它们被构造成使它们的轴向磁通的互相作用可引起：把电能转变成所述轮子的转矩能；以及把所述轮子的转矩能转变成电能。
7.如权利要求6所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述导线包括高温超导导线。
8.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个定子和多个转子被构造成使它们的轴向磁通的互相作用可把所述轮子的基本上全部的转动能量转变成电能并且随后通过在所述多个定子和多个转子中的至少一个里形成涡流而把能量转变成热能。
9.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个转子包括包在碳材料里的多个高能量密度永久磁铁，以及，所述多个定子包括钢，它们被构造成使所述永久磁铁的磁通可使所述定子里产生涡流，而涡流可使所述轮子里产生磁阻力转矩能，从而耗散所述轮子的转动能量。
10.如权利要求9所述的飞机起落架总成，其特征在于，多个转子包括导线以及多个定子包括固体导电材料，在给所述导线通电时所述导电材料里感生涡流。
11.如权利要求9所述的飞机起落架总成，其特征在于，多个定子包括导线以及多个转子包括固体导电材料，在给所述导线通电时所述导电材料里感生涡流电流。
12.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述飞机起落架包括两个轮子，它们连接于所述主体部分并可绕所述轴线各自独立地相对于所述主体部分转动，其中，两个轮子中的每一个都与多个定子的一部分和多个转子的一部分相关。
13.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个定子中的至少一个包括多根导线并且被构造成在电流流过所述导线时能够产生大致平行于所述转动轴线的第一磁通，其中，多个转子中的至少一个包括一永久磁铁，该永久磁铁被构造成能够产生大致平行于所述转动轴线的第二磁通，以及，所述起落架被构造成在所述电流流过所述导线时依靠所述第一磁通和第二磁通的磁力转矩的互相作用可使所述轮子转动。
14.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个定子中的每一个包括多根导线并且被构造成在电流流过所述导线时能够产生大致平行于所述转动轴线的第一磁通，其中，所述多个转子中的每一个包括一永久磁铁，该永久磁铁被构造成能够产生大致平行于所述转动轴线的第二磁通，以及，所述起落架被构造成在所述电流流过所述导线时依靠所述第一磁通和第二磁通的磁力转矩的互相作用可使所述轮子转动。
15.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个转子中的至少一个包括多根导线并且被构造成在电流流过所述导线时能够产生大致平行于所述转动轴线的第一磁通，其中，所述多个定子中的至少一个包括一永久磁铁，该永久磁铁被构造成能够产生大致平行于所述转动轴线的第二磁通，以及，所述起落架被构造成在所述电流流过所述导线时依靠所述第一磁通和第二磁通的磁力转矩的互相作用可使所述轮子转动。
16.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个转子中的每一个包括多根导线并且被构造成在电流流过所述导线时能够产生大致平行于所述转动轴线的第一磁通，其中，所述多个转子中的每一个包括一永久磁铁，该永久磁铁被构造成能够产生大致平行于所述转动轴线的第二磁通，以及，所述起落架被构造成在所述电流流过所述导线时依靠所述第一磁通和第二磁通的磁力转矩的互相作用可使所述轮子转动。
17.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述多个定子和多个转子被构造成多个定子—转子组，每一组包括至少一个定子和至少一个转子。
18.如权利要求17所述的飞机起落架总成，其特征在于，在每个所述定子—转子组中，所述至少一个定子和所述至少一个转子中的至少一个包括多根导线，这些导线被构造成在电流流过所述导线时能够产生大致平行于所述转动轴线的磁通，其中，每个所述定子—转子组可根据施加于所述导线两端的一电压作为一电动机和一发电机中的至少之一而独立地工作。
19.如权利要求18所述的飞机起落架总成，其特征在于，它还包括：
连接于各所述定子—转子组的一处理机，以及
一电气设备，它包括至少一个电能储存装置和一电能耗散装置，
其中，所述处理机被构置为能够把各个所述定子—转子组互相连接和断开以及能够把它们连接于和断开于所述电气设备。
20.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备包括电池。
21.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备包括一电容器。
22.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备包括一可变电容器。
23.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备包括一电阻器，该电阻器被构造成用于把电功率在一个可以安全地控制热耗散的地方耗散成热能。
24.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备包括一可变电阻器和一电阻器排中的至少之一。
25.如权利要求19所述的飞机起落架总成，该起落架总成安装在该飞机上，其特征在于，所述处理机配置成在飞机着陆过程中可使所述轮子转动，使其转动的一切线速度基本上相当于飞机的一着陆线速度。
26.如权利要求25所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备包括电能储存装置，以及，所述处理机被构置成在飞机着地之后可把所述定子—转子组中的至少一个连接于所述电能储存装置，其连接的极性与所述轮子的转动方向相反，借以对飞机施加一机动化的制动。
27.如权利要求25所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述处理机被构置成可使所述轮子以约100到180英里/小时的线速度转动。
28.如权利要求19所述的飞机起落架总成，该起落架总成安装在该飞机上，其特征在于，所述处理机被构置成在飞机着陆过程中可使所述轮子转动，这种转动的陀螺作用有助于飞机稳定。
29.如权利要求19所述的飞机起落架总成，该起落架总成安装在该飞机上，其特征在于，所述处理机被构置成在飞机着陆过程中可把所述定子—转子组中的至少一个连接于所述电气设备，从而把所述轮子的转动能量转变成电能而储存在该电气设备里。
30.如权利要求29所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述处理机包括一防抱死制动系统。
31.如权利要求30所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述防抱死制动系统软件包括采用模糊逻辑的软件。
32.如权利要求19所述的飞机起落架总成，该起落架总成安装在该飞机上，其特征在于，所述处理机被构置成可把所述各定子—转子组中的一第一组连接于其中的一第二组，而把所述第一定子—转子组发出的电能施加于第二定子—转子组，借以对飞机施加机动化的制动。
33.如权利要求19所述的飞机起落架总成，该起落架总成安装在该飞机上，其特征在于，所述电气设备包括电能储存装置，以及，所述处理机被构置成在飞机起飞过程中可把所述各定子—转子组中的至少一组连接于所述电气设备，从而把储存在所述电能储存装置里的电能转变成所述轮子的转动能，以及，在飞机着陆过程中可把所述各定子—转子组中的至少一组连接于所述电能储存装置，从而把所述轮子的转动能转变成储存在所述电能储存装置里的电能。
34.如权利要求19所述的飞机起落架总成，该起落架总成安装在该飞机上，其特征在于，所述电气设备位于飞机之外并被构造成可连接于一飞机跑道，以及，飞机很容易脱开于该电气设备。
35.如权利要求34所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备可通过直接的电接触连接于各个定子—转子组。
36.如权利要求34所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备，不是通过直接的电接触，而是通过能够传输电功率的电感应连接于各个定子—转子组。
37.如权利要求34所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述处理机位于飞机之外并连接于所述电气设备。
38.如权利要求34所述的飞机起落架总成，其特征在于，它还包括多个外部控制装置，它们无线连接于所述处理机，使得空中交通管理控制器可指挥和调动所述飞机。
39.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述处理机被构置成能够使各个定子—转子组互相串联地连接起来。
40.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述处理机被构置成能够使各个定子—转子组互相并联地连接起来。
41.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述电气设备包括电能储存装置，其中，所述处理机被构置成能够可变地调整由所述电能储存装置施加于各定子—转子组中的至少一组的电压。
42.如权利要求19所述的飞机起落架总成，该起落架总成安装在该飞机上，其特征在于，它还包括一可连接于所述处理机的飞机重量输入装置，其中，所述处理机被构置成可把各个定子—转子组互相连接和断开以及至少部分地根据由所述重量输入装置收到的飞机重量信息把所述各个定子—转子组连接和断开于所述电气设备。
43.如权利要求42所述的飞机起落架总成，其特征在于，为所述处理机进行的加权对每一种机场跑道状况是唯一的，并能够针对各种不同的天气条件进行调整以及能够在系统获悉的时间里调整加权系数。
44.如权利要求42所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述处理机包括用于考虑天气条件针对特定的跑道接收最佳制动转矩曲线的装置，从而可对所述跑道定制制动控制方案。
45.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述飞机起落架总成包括连接于所述固定不动的主体部分并可绕所述转动轴线相对于所述主体部分各自独立地转动的两个轮子，其中，所述两个轮子中的每一个关联于多个定子的一部分和多个转子的一部分，其中，所述飞机起落架总成还包括连接于所述处理机的一使用者输入设备，以及，所述处理机被构造成可至少部分地根据由所述使用者输入设备收到的转弯指令使所述两个轮子中的第一个轮子向一个方向转动并使所述两个轮子中的第二个轮子向相反的方向转动。
46.如权利要求19所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述飞机起落架总成包括连接于所述固定不动的主体部分并可绕所述转动轴线相对于所述主体部分各自独立地转动的两个轮子，其中，所述两个轮子中的每一个关联于多个定子的一部分和多个转子的一部分，其中，所述飞机起落架总成还包括连接于所述处理机的一使用者输入设备，以及，所述处理机被构造成可至少部分地根据由所述使用者输入设备收到的转弯指令使所述两个轮子中的第一个轮子以一第一速度向一个方向转动并使所述两个轮子中的第二个轮子以不同于所述第一速度的一第二速度向所述方向转动。
47.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，至少一个转盘被构造成可平行于所述转动轴线运动，以及，所述转盘的一永久磁铁对一对应的定子盘施加夹紧力以产生停机制动作用。
48.如权利要求47所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述至少一个转盘和所述对应的定子盘的多个机械接触表面包括碳材料，以及，所述转盘的所述永久磁铁被包在所述碳材料里。
49.如权利要求47所述的飞机起落架总成，其特征在于，所述转盘的那种平行运动通过一种电磁活塞式运动来实现。
50.如权利要求1所述的飞机起落架总成，其特征在于，至少一个转盘被施加直流电流，使其一永久磁铁对一对应的定子盘施加非转动的静态夹紧力而产生停机制动作用。
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