CN105752344B - 一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置 - Google Patents

一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,它包括:发动机、电动机/发电机、牵引电动机、功率分配装置、机翼短舱、动力耦合装置、能量存储装置、电动机/发电机控制器、电动机控制器、以及离合器、制动器等零部件。根据本发明的混合动力驱动组件,该装置具有多个动力源,可以根据飞行器的飞行状态进行动力组合:纯牵引电动机驱动左右两旋翼,也可实现电动机与发动机联合驱动旋翼,使发动机运行在最佳燃油使用效率区域。该装置简化了传动系统机械结构,增加了传动效率;同时,在牵引电动机出现电力不足和故障的情况下,能及时启动发动机补充电力和动力,增加了系统的可靠性。

Description

一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置
技术领域
[0001] 本发明属于混合动力驱动技术领域,更为具体地讲,是一种用于倾转旋翼飞行器 的混合动力驱动装置。 技术背景
[0002] 用于倾转旋翼飞行器传统的动力驱动装置,通常采用纯发动机作为动力源,配合 减速箱、多级传动轴与执行机构,最终驱动旋翼转动,这种驱动方式,其动力源单一、传动效 率低、机械结构复杂,降低了其可靠性,尤其是在发动机出现故障情况下,飞行器的安全系 数极低;同时,传统驱动装置输出功率不能随倾转旋翼飞行器飞行工况进行调整,发动机不 能工作在最佳燃油经济区,增加了燃油消耗量,减小了飞行器的续航时间。因而,本发明主 要针对倾转旋翼飞行器,设计一套混合动力驱动方案,改善传统航空领域驱动技术传动效 率低、可靠性低、安全性低、燃油效率低的问题。
发明内容
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种用于倾转旋翼飞行器的插电式 混合动力驱动装置,该装置可以单独通过电动机驱动飞行器左右两旋翼,也可实现电动机 与发动机联合驱动旋翼,使发动机功率运行在最佳工况,提高燃油的效率。
[0004]本发明通过以下技术方案来实现:一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱 动装置,该装置包括:发动机、离合器、制动器、控制系统,控制系统控制发动机输出动力,由 离合器、制动器配合驱动旋翼,其特征在于该装置还包括:功率分配装置、电动机/发电机、 能量存储装置、电动机/发电机控制器、牵引电动机控制器、左牵引电动机、左动力耦合装 置、右牵引电动机、右动力耦合装置;所述电动机/发电机为一台既可以发电也可以提供动 力的电机;所述发动机由燃油驱动,动力输出给功率分配装置,功率分配装置将发动机输出 动力进行功率分流,可直接输出到左、右动力耦合装置为飞行器旋翼提供动力,也可部分分 流输入电动机/发电机;电动机/发电机发出的电力通过电动机/发电机控制器存入能量存 储装置中,电动机/发电机控制器同样能控制能量存储装置输出电力驱动电动机/发电机, 为功率分配装置提供动力;所述牵引电动机控制器控制能量存储装置输出电力驱动左、右 翼牵引电机;所述左、右翼牵引电机输出动力给左、右动力耦合装置为飞行器旋翼提供动 力。
[0005] 进一步的,所述功率分配装置包括:行星齿轮系、行星齿轮系齿圈制动器(601),行 星齿轮系太阳齿轮输出轴制动器(602)、两组用于动力转向的齿轮系(ZhZ^Z^Z^Z^ZiO ; 所述行星齿轮系包括:太阳齿轮、多个行星齿轮、行星齿轮系齿圈;所述行星齿轮系齿圈包 括外齿轮、内齿轮、套筒,通过套筒同轴连接外齿轮和内齿轮形成中间带通孔的“工”字型结 构;所述太阳齿轮同轴设置于行星齿轮系齿圈的内齿轮内,太阳齿轮的输出轴穿过行星齿 轮系齿圈的套筒与电动机/发电机的转动轴相连,多个行星齿轮对称设置于太阳齿轮的外 侧,同时与太阳齿轮和行星齿轮系齿圈的内齿轮啮合;所述多个行星齿轮的转动轴轴固定 于一带有输入轴的安装盘上,安装盘的输入轴与发动机的输出轴相连;两组用于动力转向 的齿轮系分别设置于行星齿轮系齿圈的外齿轮两侧并与其啮合;两组用于动力转向的齿轮 系分别将动力传输至左、右动力耦合装置。
[0006] 进一步的,所述能量存储装置还包括充电控制电路、充电接口,可外接电源为能量 存储装置充电。
[0007] 进一步的,所述功率分配装置的行星齿轮系中行星齿轮的数量为2或3。
[0008] 一种用于倾转旋翼飞行器的混合动力驱动装置,该装置包括:左翼短舱、右翼短 舱、电动机/发电机控制器(3)、能量存储装置⑷,牵引电动机控制器(5);所述左翼短舱包 括:发动机(1)、功率分配装置(6)、电动机/发电机、动力耦合装置、牵引电动机;所述电动 机/发电机为一台既可以发电也可以提供动力的电机;所述发动机由燃油驱动,动力输出给 功率分配装置,功率分配装置将发动机输出动力进行功率分流,可直接输出到动力耦合装 置为飞行器旋翼提供动力,也可部分分流输入电动机/发电机;电动机/发电机发出的电力 通过电动机/发电机控制器存入能量存储装置中,电动机/发电机控制器同样能控制能量存 储装置输出电力驱动电动机/发电机,为功率分配装置提供动力;所述牵引电动机控制器控 制能量存储装置输出电力驱动牵引电机;所述牵引电机输出动力给动力耦合装置为飞行器 左旋翼提供动力;所述右翼短舱结构完全与左翼短舱相同。
[0009] 进一步的,所述左右翼短舱中的功率分配装置包括:行星齿轮系、行星齿轮系齿圈 制动器(601),行星齿轮系太阳齿轮输出轴制动器(602)、一组用于动力转向的齿轮系;所述 行星齿轮系包括:太阳齿轮、多个行星齿轮、行星齿轮系齿圈;所述行星齿轮系齿圈包括外 齿轮、内齿轮、套筒,通过套筒同轴连接外齿轮和内齿轮形成中间带通孔的“工”字型结构; 所述太阳齿轮同轴设置于行星齿轮系齿圈的内齿轮内,太阳齿轮的输出轴穿过行星齿轮系 齿圈的套筒与电动机/发电机的转动轴相连,多个行星齿轮对称设置于太阳齿轮的外侧,同 时与太阳齿轮和行星齿轮系齿圈的内齿轮啮合;所述多个行星齿轮的转动轴轴固定于一带 有输入轴的安装盘上,安装盘的输入轴与发动机的输出轴相连;一组用于动力转向的齿轮 系分别设置于行星齿轮系齿圈的外齿轮外侧并与其啮合;该组用于动力转向的齿轮系分别 将动力传输至动力耦合装置,所述的动力耦合装置由一组齿轮系构成,也包括利用传动电 动机的方式。
[0010] 进一步的,所述能量存储装置还包括充电控制电路、充电接口,可外接电源为能量 存储装置充电。
[0011] 进一步的,所述功率分配装置的行星齿轮系中行星齿轮的数量为2或3。
[0012] 相比现有技术,本发明具有以下优点:
[0013] 1.可根据飞行器飞行状态进行动力组合,使发动机运行在最佳燃油区域,提高了 燃油的经济性。
[0014] 2.左右两旋翼采用电动机驱动,较传统的纯发动机驱动,简化了机械机构以及减 轻了重量,提高了系统的可靠性。
[0015] 3.飞行器旋翼具有多个个动力源(发动机、左翼牵引电动机、右翼牵引电动机、电 动机/发电机),增加了系统的冗余度。起飞时,可采用全部动力源共同驱动;巡航期间,可采 用纯电动机驱动,发动机作为备用动力源,大大提高了飞行器的安全性能。
附图说明
[0016]图1为倾转旋翼飞行器插电式混合驱动装置布局方案i;
[0017]图2为倾转旋翼飞行器插电式混合驱动装置布局方案2系统框图;
[0018]图3为倾转旋翼飞行器插电式混合驱动装置布局方案2实施例;
[0019]图中:1 •发动机,2.电动机/发电机,3•电动机/发电机控制器,4.能量存储装置,5. 牵引电动机控制器,6 •功率分配装置,7 •左翼短舱,8.右翼短舱,9.左翼牵引电动机,10 .右 翼牵引电动机,ll.f翼动力耦合装置,I2 •右翼动力耦合装置,13.左旋翼,14.右旋翼,15. 燃油箱丄16 •发动机离合器,17.电动机/发电机离合器,18.离合器i,19,离合器2,20.离合器 3,21 •离合器5,22.充电接口,23 •左翼传动轴,24 •右翼传动轴,601.行星轮系齿圈制动器, 602 •行星轮系太阳轮输出轴制动器,603行星轮系齿圈。
具体实施方式
[0020]下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0021] —种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置。它包括发动机、电动机/发 电机、牵引电动机、功率分配装置、机翼短舱、动力耦合装置、能量存储装置、电动机/发电机 控制器、电动机控制器、以及离合器、制动器等零部件。
[0022]如图1所示,给出了插电式倾转旋翼飞行器混合驱动装置布局方案1:
[0023]左右机翼短舱内部装置完全相同,以左短舱为例,其包括发动机丨、电动机/发电机 2、,率分配装置6、左翼牵引电动机9、左翼动力耦合装置11、发动机离合器16、电动机/发电 机离合器17、离合器18;而能量存储装置4、电动机/发电机控制器3、牵引电动机控制器5置 于飞行器机身中部。左短舱中,发动机与1电动机/发电机2通过功率分配装置6相连,功率分 配装置6由一组行星齿轮机构配合齿圈制动器601、太阳轮输出轴制动器602组成。牵引电动 机9与功率分配装置输出动力通过动力耦合装置^相耦合,耦合后最终输出驱动左旋翼。右 翼短舱与左翼短舱相似。
[0024]如图2所示,给出了倾转旋翼飞行器插电式混合驱动装置布局方案2系统框图: [0025]图中箭头方向代表能量流向,实线代表力矩传递方向,虚线代表电能传递方向。从 图中可看出,采取了将发动机1、电动机/发电机2、电动机/发电机3、能量存储装置4、牵引电 动机控制器5置于飞行器机身中部的布局。左右机翼短舱内部装置完全相同,以左短舱为 例,其包括左翼电动机9、换向装置、动力耦合装置11以及离合器18等部件。发动机1通过功 率分配装置6与电动机/发电机2相连,可以将发动机1 一部分动力分配给电动机/发电机4进 fT发电,冋时也可以与其进fT速度親合,親合后再向左右两翼分配动力,动力经过一•系列传 动装置,送入左右动力耦合装置,再与相应的牵引电动机进行转矩耦合。例如:左翼牵引电 动机9通过左翼动力耦合装置11,与来自功率分配装置6向左翼输出的动力进行转矩耦合, 耦合后的动力直接驱动飞行器左旋翼13。
[0026]如图3所示,给出了倾转旋翼飞行器插电式混合驱动装置布局方案2:
[0027]发动机1与电动机/发电机2在功率分配装置6进行转速耦合;功率分配装置6由一 组行星齿轮机构配合齿圈制动器601、太阳轮输出轴制动器602、以及用于动力转向的齿轮 系⑵、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6)组成;左、右翼传动轴分别向左、右翼短舱传递来自功率分配装置6的 动力;左、右翼短舱包含牵引电动机、动力耦合装置、离合器、转向机构;动力稱合装置输出 轴直接与旋翼相连。
[0028] 结合图3,下面说明装置布局方案2的具体实施例:
[0029] 在飞行器起飞阶段:飞行器需要较大升力,此时将所有动力源设为工作状态,$量 存储装置为左翼牵引电动机9、右翼牵引电动机10、电动机/发电机2提供电能。发动机^合 器16、电动机/发动机离合器17、行星轮系齿圈锁定器601、行星轮系太^轮锁定器6〇2、离合 器18、离合器19设为复位状态;发电机/电动机2运行在驱动状态,通过行星齿轮机构与发动 机1进行转速耦合,耦合后动力通过行星齿轮齿圈603输出,齿圈603又分别与齿圈Z1/Z2耦 合后将动力分解为左右两路,再经(Z3/Z5)、(Z4/Z5)换向机构、左翼传动轴26、右翼传动轴 27后分别向左右两短舱传动来自发动机1与电动机/发电机2的动力;动力送入短舱经过换 向后,通过动力耦合装置与牵引电机进行转矩耦合,最终驱动旋翼转动。
[0030] 在飞行器高速巡航阶段:飞行器旋翼向前倾转90°,只为飞行器提供向前推力。① 在能量存储装置4电能充足条件下,可选择由左右两翼牵引电动机驱动旋翼,此时发动机离 合器16、电动机/发动机离合器17、行星轮系齿圈锁定器601、行星轮系太阳轮输出轴锁定器 602、离合器18、离合器19置位;发动机1、电动机/发动机4处于关闭状态;能量存储装置4向 电动机控制器5输送电能,电动机控制器5驱动左牵引电动机旋转,牵引电动机经动力耦合 装置后,带动旋翼旋转,此时的动力耦合装置相当于减速器。②在能量存储装置4电能不足 条件下,发动机离合器16、电动机/发动机离合器17、行星轮系齿圈锁定器601、行星轮系太 阳轮锁定器602、离合器18、离合器19复位;开启发动机1,设置电动机/发动机2运行在发电 状态,吸收来自发动机1分配的功率,为能量存储装置4补充电能,同时发动机1也为左右两 翼牵引电动机补充动力。③在牵引电动机(任一或两者)出现故障条件下,设置发动机离合 器16、行星轮系齿圈锁定器601、离合器18、离合器19复位,电动机/发动机离合器器20、行星 轮系太阳轮锁定器602置位;打开发动机1、关闭电动机/发电机2,此时发动机1为旋翼补充 动力。
[0031]以上实施方式只是对本发明设计思路的简单文字描述,而不是对其限制,任何不 超出本专利思路的组合,增加或修改,尤其是混合动力分配设计方案与控制方法,均落入本 专利的保护范围。

Claims (9)

1. 一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,该装置包括:发动机、离合 器、制动器、控制系统,控制系统控制发动机输出动力,由离合器、制动器配合驱动旋翼,其 特征在于该装置还包括:功率分配装置、电动机/发电机、能量存储装置、电动机/发电机控 制器、牵引电动机控制器、左牵引电动机、左动力耦合装置、右牵引电动机、右动力耦合装 置;所述电动机/发电机为一台既可以发电也可以提供动力的电机;所述发动机由燃油驱 动,动力输出给功率分配装置,功率分配装置将发动机输出动力进行功率分流,可直接输出 到左、右动力耦合装置为飞行器旋翼提供动力,也可部分分流输入电动机/发电机;电动机/ 发电机发出的电力通过电动机/发电机控制器存入能量存储装置中,电动机/发电机控制器 同样能控制能量存储装置输出电力驱动电动机/发电机,为功率分配装置提供动力;所述牵 引电动机控制器控制能量存储装置输出电力驱动左、右牵引电动机;所述左、右牵引电动机 输出动力给左、右动力耦合装置为飞行器旋翼提供动力。
2. 如权利要求1所述的一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,其特征 在于所述功率分配装置包括:行星齿轮系、行星齿轮系齿圈制动器(601),行星齿轮系太阳 齿轮输出轴制动器(602)、两组用于动力转向的齿轮系(21、23、25;22、24、26);所述行星齿轮 系包括:太阳齿轮、多个行星齿轮、行星齿轮系齿圈;所述行星齿轮系齿圈包括外齿轮、内齿 轮、套筒,通过套筒同轴连接外齿轮和内齿轮形成中间带通孔的“工”字型结构;所述太阳齿 轮同轴设置于行星齿轮系齿圈的内齿轮内,太阳齿轮的输出轴穿过行星齿轮系齿圈的套筒 与电动机/发电机的转动轴相连,多个行星齿轮对称设置于太阳齿轮的外侧,同时与太阳齿 轮和行星齿轮系齿圈的内齿轮啮合;所述多个行星齿轮的转动轴固定于一带有输入轴的安 装盘上,安装盘的输入轴与发动机的输出轴相连;两组用于动力转向的齿轮系分别设置于 行星齿轮系齿圈的外齿轮两侧并与其啮合•,两组用于动力转向的齿轮系分别将动力传输至 左、右动力耦合装置。
3. 如权利要求1所述的一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,其特征 在于所述能量存储装置还包括充电控制电路、充电接口,可外接电源为能量存储装置充电。
4. 如权利要求2所述的一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,其特征 在于所述功率分配装置的行星齿轮系中行星齿轮的数量为2或3。
5. —种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,该装置包括:左翼短舱(7)、 右翼短舱(8)、电动机/发电机控制器(3)、能量存储装置⑷,牵引电动机控制器(5);所述左 翼短舱包括:发动机(1)、功率分配装置(6)、电动机/发电机、动力耦合装置、牵引电动机;所 述电动机/发电机为一台既可以发电也可以提供动力的电机;所述发动机由燃油驱动,动力 输出给功率分配装置,功率分配装置将发动机输出动力进行功率分流,可直接输出到动力 耦合装置为飞行器旋翼提供动力,也可部分分流输入电动机/发电机;电动机/发电机发出 的电力通过电动机/发电机控制器存入能量存储装置中,电动机/发电机控制器同样能控制 能量存储装置输出电力驱动电动机/发电机,为功率分配装置提供动力;所述牵引电动机控 制器控制能量存储装置输出电力驱动牵引电动机•,所述牵引电动机输出动力给动力耦合装 置为飞行器左旋翼提供动力;所述右翼短舱结构完全与左翼短舱相同。
6. 如权利要求5所述的一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,其特征 在于所述左、右翼短舱中的功率分配装置包括:行星齿轮系、行星齿轮系齿圈制动器(601), 行星齿轮系太阳齿轮输出轴制动器(602)、一组用于动力转向的齿轮系;所述行星齿轮系包 括:太阳齿轮、多个行星齿轮、行星齿轮系齿圈;所述行星齿轮系齿圈包括外齿轮、内齿轮、 套筒,通过套筒同轴连接外齿轮和内齿轮形成中间带通孔的“工”字型结构;所述太阳齿轮 同轴设置于行星齿轮系齿圈的内齿轮内,太阳齿轮的输出轴穿过行星齿轮系齿圈的套筒与 电动机/发电机的转动轴相连,多个行星齿轮对称设置于太阳齿轮的外侧,同时与太阳齿轮 和行星齿轮系齿圈的内齿轮啮合;所述多个行星齿轮的转动轴固定于一带有输入轴的安装 盘上,安装盘的输入轴与发动机的输出轴相连;一组用于动力转向的齿轮系分别设置于行 星齿轮系齿圈的外齿轮外侧并与其啮合;该组用于动力转向的齿轮系分别将动力传输至动 力耦合装置。
7. 如权利要求5所述的一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,其特征 在于所述能量存储装置还包括充电控制电路、充电接口,可外接电源为能量存储装置充电。
8. 如权利要求6所述的一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,其特征 在于所述功率分配装置的行星齿轮系中行星齿轮的数量为2或3。
9. 如权利要求6所述的一种用于倾转旋翼飞行器的插电式混合动力驱动装置,其特征 在于所述功率分配装置为!^变速器。
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