CN106516127B - 一种磁悬浮旋翼系统及具有其的直升机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮旋翼系统及具有其的直升机，涉及航空领域，特别是涉及旋翼技术领域。所述磁悬浮旋翼系统包括连接旋翼桨尖的旋翼环(2)以及为所述旋翼环(2)提供磁悬力的轨道环(1)，所述轨道环(1)提供的磁悬力包括能够驱动桨叶旋转的驱动装置以及能够使所述桨尖悬浮的悬浮装置，所述旋翼的桨叶根部设置有第一偏转驱动机构，以提供所述桨叶根部第一偏转角度，所述旋翼环(2)上设置有第二偏转驱动机构，以提供所述桨叶尖部第二偏转角度。本发明的旋翼环仅需外侧轨道环驱动，桨叶间通过中央连接器连接，即保证了旋翼的独立变距需求，又能通过中央连接器相互抵消部分桨叶载荷，增加了旋翼环的整体性，提高了工作可靠性。

Description

一种磁悬浮旋翼系统及具有其的直升机

技术领域

本发明属于直升机总体设计领域，具体涉及一种磁悬浮旋翼系统及具有其的直升机。

背景技术

旋翼飞行器的旋翼通过旋转产生空气动力，为飞行提供升力，使得直升机可以垂直起降，起降场地灵活，作业范围广。旋翼在提供升力的同时，还能产生飞行所需的各向操纵力。

常规的旋翼装置由旋翼桨叶、桨毂、旋翼轴组成，旋翼叶片安装在桨毂上，桨毂通过中心的旋翼轴与传动系统相连，动力系统的驱动力通过传动装置经多级齿轮传动减速后传递给旋翼轴，进而带动桨毂和旋翼桨叶旋转。

常规旋翼装置的动力通过发动机和传动装置的机械转换和传递，存在着动力损失且系统复杂；旋翼桨叶的桨尖处存在着桨叶剖面上方和下方的气流对流，降低了桨叶剖面上下方的压力差，影响了桨尖部分产生升力的能力；并且桨叶是裸露的，会与外界物体发生碰撞，影响飞行安全，同时旋翼桨叶产生的噪音没有遮蔽，直接传播到外界，整体噪声大。

由于桨叶在半径越大的位置旋转线速度越快，该部位产生升力也大，一般桨叶的升力合力在桨叶的稍部约70％桨叶半径的位置处，即远离旋翼轴的位置，而常规旋翼装置的承载位置在中心处即旋翼轴，故桨叶升力与旋翼轴承载位置的力臂较长，导致桨叶、桨毂和旋翼轴所需承受的弯矩较大，导致振动大，疲劳寿命低。

公开号为CN101693470B中国发明专利提供了一种磁悬浮电动力旋翼飞碟以，公开号为CN102085912A的中国发明专利申请中提供了一种碟形磁悬浮环翼飞行器，上述两篇专利或专利申请中的旋翼装置均采用了旋翼内环和旋翼外环两套磁悬浮导轨，系统较为复杂，旋翼装置整体重量过大；同时还存在着复杂气流环境下，旋翼桨叶在不同方位由于气流速度叠加所承受的气动载荷不一致，由此产生的各片桨叶旋转运动不一致现象，存在桨叶在内外环导轨上发生错动现象的可能性，严重的将导致桨叶出现卡滞状况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种磁悬浮旋翼系统及具有其的直升机，磁悬浮旋翼系统主要为了整合常规的旋翼系统、动力系统和传动系统以降低系统复杂度和飞行器整机重量并提高旋翼系统维护性；增加桨叶在高升力区的工作面积以提高升力；减少动力传递环节以提高能量传递效率；减少桨尖部分升力损失以提高升力效率；减小桨叶所承受弯矩以提高疲劳寿命并降低旋翼振动；精简轨道数量以提高旋翼环的可靠性；提高桨叶的载荷平衡能力，以提高桨叶的疲劳性能，并能更好的保持升力；保护旋翼以提高飞行安全性；遮蔽噪音以提高飞行静音性，具体如下。

本发明第一方面提供了一种磁悬浮旋翼系统，包括连接旋翼桨尖的旋翼环以及为所述旋翼环提供磁悬力的轨道环，所述轨道环提供的磁悬力包括能够驱动桨叶旋转的驱动装置以及能够使所述桨尖悬浮的悬浮装置，所述旋翼的桨叶根部设置有第一偏转驱动机构，以提供所述桨叶根部第一偏转角度，所述旋翼环上设置有第二偏转驱动机构，以提供所述桨叶尖部第二偏转角度。

本发明轨道环首先向旋翼环提供旋转力，使得旋翼环转动，从而带动桨叶转动，进而提供升力，另一方面，轨道环还提供悬浮力，即使所述轨道环在转动过程中保持悬浮状态，以减少摩擦。另外，本发明还提供了两套偏转机构，第一偏转机构设置在桨根处，能够控制桨叶根部的偏转角度，第二偏转机构设置在旋翼环上，由于旋翼环被悬浮固定，因此，其上设置的偏转机构能够借力作用于桨叶尖部，通过在桨叶根部及桨叶尖部施以两个不同的偏转角度，能够有效考虑桨叶的各部分区域的强度及升力效果。

优选的是，所述轨道环在朝向所述旋翼环的方向设置有环槽，用于容纳旋翼环，所述环槽内在朝向所述旋翼环的方向设置有第一电磁铁，同理，所述旋翼环在朝向所述驱动导轨的环面上间隔设置有若干第一永磁铁，所述驱动导轨以交替变化的电磁力驱动所述旋翼环转动。

上述方案中优选的是，所述轨道环在朝向所述旋翼环的方向设置有环槽，用于容纳旋翼环，所述轨道环在旋翼环上、下位置处均设置有支撑导轨，所述支撑导轨用于引导所述轨道环运动，同时，所述支撑导轨上设置有悬浮磁铁，所述旋翼环对应位置处设置有第二永磁铁，使得所述旋翼环悬浮于所述环槽内。

上述方案中优选的是，所述悬浮磁铁为第二电磁铁。

上述方案中优选的是，所述悬浮磁铁为第三永磁铁，所述第三永磁铁与所述第二永磁铁相斥。

上述方案中优选的是，所述旋翼环完全悬浮于所述轨道环的环槽内。

上述方案中优选的是，所述轨道环采用隔音降噪材料制成。

上述方案中优选的是，所述旋翼环上间隔设置有位置传感器，所述轨道环上间隔设置有若干相位感应器。

上述方案中优选的是，所述位置传感器至少为1个，所述相位感应器至少设置有4个。

本发明另一方面提供了一种磁悬浮旋翼直升机，包括上述任一项所述的磁悬浮旋翼系统，所述磁悬浮旋翼直升机在所述轨道环上设置有涵道口，以提高升力效率。

优选的是，所述磁悬浮旋翼直升机包括布置在同一轴线上的两套所述磁悬浮旋翼系统，或者布置在飞行器上前后或左右对称的两套所述磁悬浮旋翼系统，其中，两套所述磁悬浮旋翼系统的桨叶旋转方向相反。

本发明的有益效果是：本发明相对于常规旋翼技术具有以下九大有益效果：

1、本发明通过轨道环产生交替变换的电磁力驱动旋翼环旋转，综合取代了常规的旋翼系统、动力系统和传动系统，系统得到精简，可以降低飞行器整机重量并提高旋翼系统维护性；

2、本发明的结构紧凑，旋翼环的环状物在轨道环内部，桨叶的工作面一直延伸到轨道环的壁面处，使旋翼工作面得以最大化，并且增加的工作面积分布在桨叶端部的高升力区，对提高旋翼升力效果显著；

3、本发明采用轨道环直接驱动旋翼环旋转工作，相对传统旋翼装置由发动机传递到传动系统，经转速变换后再传递到旋翼的流程，减少了动力传递环节，降低了传递损失，提高了能量传递效率；

4、本发明采用的旋翼环减少了桨尖部分桨叶剖面上方和下方的对流，能较好的保持上下方的压力差，提高了升力，并且在轨道环设置了涵道口进一步提高升力效率，相对传统旋翼装置升力效率提升大；

5、相对传统旋翼装置，本发明的升力载荷传递是通过桨叶端部的轨道环传递到飞行器，支持端离桨叶升力合力近，传递力臂短，桨叶承受弯矩小，振动低，疲劳寿命长；

6、相当于采用内外双轨道的旋翼构型，本发明的旋翼环仅需外侧轨道环驱动，桨叶间通过中央连接器连接，即保证了旋翼的独立变距需求，又能通过中央连接器相互抵消部分桨叶载荷，增加了旋翼环的整体性，避免了桨叶在内外两个轨道间因气动载荷不均导致的桨叶错动和卡滞，提高了工作可靠性；

7、本发明的桨叶可以通过差动变距方式使桨叶根部和端部的迎角产生不同的调整值，相对传统旋翼能更好的平衡桨叶载荷，提高桨叶疲劳性能，并且能更好地保持旋翼升力；

8、本发明的旋翼有轨道环的保护，提高了飞行器的安全性；

9、本发明的旋翼外部的轨道环对噪音起到遮蔽作用，飞行静音性好。

综上，本发明综合了常规的旋翼系统、动力系统和传动系统，降低了飞行器整机重量并改善了系统维护性；提高了桨叶在高升力区的工作面积，增大了升力；减少了动力传递环节，提高了能量传递效率；减少了桨尖部分升力损失，提高了升力效率；减小桨叶所承受的弯矩，提高了疲劳寿命；增加了旋翼环的整体性，提高了工作可靠性；提高了桨叶的载荷平衡能力，提高了桨叶疲劳性能，并能更好的保持升力；为旋翼提供了保护，提高了安全性；遮蔽了噪音，提高了飞行静音性。

附图说明

图1为本发明磁悬浮旋翼系统的一优选实施例的旋翼装置俯视图。

图2为图1所示实施例的旋翼装置具体结构示意图。

图3为图1所示实施例的轨道环与旋翼环作用示意图。

图4为图1所示实施例的桨叶同步变距操纵示意图。

其中，1为轨道环，2为旋翼环，3为桨叶，4为中央连接器，5a为第一变距接头，5b为第二变距接头，6为第一电磁铁，7为第一永磁铁，8a为第二上永磁铁，9a为第二下永磁铁，8b为上支撑导轨，9b为下支撑导轨，10为涵道口，11为位置传感器，12为相位感应器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明首先提供了一种磁悬浮旋翼系统，包括连接旋翼桨尖的旋翼环以及为所述旋翼环提供磁悬力的轨道环，所述轨道环提供的磁悬力包括能够驱动桨叶旋转的驱动装置以及能够使所述桨尖悬浮的悬浮装置，所述旋翼的桨叶根部设置有第一偏转驱动机构，以提供所述桨叶根部第一偏转角度，所述旋翼环上设置有第二偏转驱动机构，以提供所述桨叶尖部第二偏转角度。

首选参考图1，为本发明旋翼装置俯视图，包括中央连接器4，自中央连接器出向外扩散延伸的桨叶3，桨叶3的尖部伸入轨道环1内，本发明通过轨道环1提供选择力，作用于桨叶3的尖部，从而带动桨叶旋转。

需要说明的是，本发明与桨叶3根部连接的中央连接器4可以是悬空设置，也可以无作用力或少量作用力的连接在机体上，而轨道环1直接固定设置与机体上，或作为机体的一部分整体机加，因此，桨叶3旋转产生的升力通过轨道环1作用于机体上，而中央连接器仅电联机体提供电力，或者提供少量的其他作用力，例如使桨叶变距的力。

为了桨叶3的尖部能够稳定的在轨道环1内旋转运动，且能够保证桨叶3因旋转产生的升力正常作用于轨道环1上，本发明将桨叶尖部环状连接，形成旋翼环2，参考图2，将轨道环1剖开后，显示位于其内部的旋翼环，轨道环首先向旋翼环提供旋转力，使得旋翼环转动，从而带动桨叶转动，进而提供升力，另一方面，轨道环1还提供悬浮力，即使所述轨道环在转动过程中保持悬浮状态的力，以减少摩擦。

首先对本发明旋翼进行描述，参考图3，所述轨道环1在朝向所述旋翼环2的方向设置有环槽，用于容纳旋翼环2，图3中容纳旋翼环2的凹陷即为环槽的切面示意，所述环槽内在朝向所述旋翼环的方向设置有第一电磁铁6，同理，所述旋翼环在朝向所述驱动导轨的环面上间隔设置有若干第一永磁铁7，若干第一永磁铁间隔布置在旋翼环2上，形成分段永磁组，所述驱动导轨以交替变化的电磁力驱动所述旋翼环转动。进而产生升力来实现飞行，产生操纵力实现飞行器的飞行操纵。

继续参考图3，所述环槽还用于引限制轨道环的运动范围，所述轨道环在旋翼环上、下位置处均设置有支撑导轨，即上支撑导轨8b与下支撑导轨9b，所述支撑导轨用于引导所述轨道环运动，同时，所述支撑导轨上设置有悬浮磁铁，所述旋翼环对应位置处设置有第二永磁铁，即第二上永磁铁8a与第二下永磁铁9a，使得所述旋翼环悬浮于所述环槽内。旋翼环2中的第二上永磁铁8a与轨道环1中的上支撑导轨8b相对安装，以支持旋翼环2产生的升力；旋翼环2中的第二下永磁铁9a与轨道环1中的下支撑导轨9b相对安装，以支持旋翼环2的重力以及产生的下降力。

可以理解的是，上、下支撑导轨的悬浮磁铁可以采用永磁铁也可以采用电磁铁，但均应当以斥力型悬浮方式工作。例如所述悬浮磁铁为第二电磁铁，其提供与第二上永磁铁8a或第二下永磁铁9a相斥的磁性力，再如所述悬浮磁铁为第三永磁铁，所述第三永磁铁与所述第二永磁铁相斥。

需要说明的是，本发明中，所述旋翼环完全悬浮于所述轨道环的环槽内。桨叶的工作面一直延伸到轨道环的壁面处，使旋翼工作面得以最大化，并且增加的工作面积分布在桨叶端部的高升力区，对提高旋翼升力效果显著。另外，本发明的旋翼有轨道环的保护，提高了飞行器的安全性。

本发明中，所述轨道环采用隔音降噪材料制成，对噪音起到遮蔽作用，飞行静音性好。

本实施例中，如图2所示，所述旋翼环上间隔设置有位置传感器11，所述轨道环上间隔设置有若干相位感应器12。位置传感器11与相位感应器12组合实现旋翼环的位置感应功能和转速测定功能，位置传感器11与分段永磁组交替排布安装在旋翼环2上；相位感应器12安装在轨道环90度均分的4个相位点上，并可根据飞行环境和桨叶监测控制需求增加安装数量

上述的桨叶片数为k片，k≥2；上述的导轨段数和分段永磁组的数量可根据应用情况和结构特点设置，采用分段布置或者一体构型均可；上述的位置传感器数量为m个，m≥1；上述的相位感应器数量为n个，n≥4。

另外，本发明还提供了两套偏转机构，第一偏转机构设置在桨根处，能够控制桨叶根部的偏转角度，第二偏转机构设置在旋翼环上，由于旋翼环被悬浮固定，因此，其上设置的偏转机构能够借力作用于桨叶尖部，通过在桨叶根部及桨叶尖部施以两个不同的偏转角度，能够有效考虑桨叶的各部分区域的强度及升力效果。

如图2所示，第一偏转机构包括第一变距接头5a，第二偏转机构包括第二变距接头5b，桨叶3通过端部的变距接头5b连接在旋翼环2上，桨叶根部通过变距接头5a集中安置到中央连接器4上；桨叶通过两端的变距接头的旋转定位实现迎角的变化来调节升力大小即变距功能，如前所述，中央连接器可以使桨叶变距的力，本实施例中，所述桨叶变距的力可以通过固定设置在中央连接器上的偏转机构，例如作动筒等，在保证中央连接器固定不动的状态下，使桨叶根部发生偏转，当然，该偏转机构也可以设置在机体上，通过中央连接器间接作用于桨叶根部；同理，如前所述，第二偏转机构设置在旋翼环上，由于旋翼环被悬浮固定，因此，其上设置的偏转机构能够借力驱动第二变距接头5b作用于桨叶尖部，致使其偏转。

旋翼环2的升力调节主要通过桨叶3的变距方式来实现，变距方式分为同步变距和差动变距两种形式。同步变距方式如图4所示，桨叶根部和端部的变距接头同步扭转Δa角度，即可实现桨叶迎角的Δa角度调节，同步变距方式可调整桨叶的整体升力水平，适用于常规状态以及气流平稳状态下的升力调整飞行需求。差动变距方式如图4所示，桨叶根部扭转Δa角度，而桨叶端部扭转(Δa+Δb)角度，根部与段部角度存在差值Δb角度，可以调节根部与端部的升力差值，增加旋转线速度慢的部位即根部迎角，降低旋转速度快的部位即端部迎角，使桨叶各段产生升力更为平均，使桨叶均匀受力以提高疲劳寿命；还可降低迎角避免桨叶局部迎角过大超出使用范围导致升力突然大幅下降即失速状态，避免升力损失。

飞行操纵调节主要由旋翼的升力产生倾角来实现，若需实现某一侧方向(后称飞行侧)的飞行，则可通过相位感应器监测，调节增大对侧桨叶的迎角，增大对侧升力，会产生飞行器向目标飞行侧的倾斜，升力在飞行侧产生水平分力，使得飞行器向飞行侧前进。

可以理解的是，由于桨叶尖部线速度相对于桨叶根部更快，因此其扭转程度应该更大，图4中Δb一般为负值。由于该部分具体偏转角度应当根据材料性能及旋转速度等计算，且该计算属于常规技术手段，本部分仅示意性描述，图示4不能限定其保护范围。

磁悬浮旋翼技术的工作模式是，通过电力输入控制，使轨道环1中的驱动导轨6的电磁铁产生电磁场，推动旋翼环2中的分段永磁组旋转，从而带动桨叶3旋转，使空气和桨叶产生相对运动，桨叶的翼型剖面使得空气在桨叶上表面流动更快，因此上表面的压力比下表面压力低，上下表面的压力差使桨叶产生了升力。升力的大小与旋转线速度和翼型的迎角有关，旋转速度越快，升力越大；在翼型使用迎角范围内，升力大小与翼型迎角成线性关系，迎角越大，升力越大，还可产生负升力即反向力以实现飞行器的机动飞行动作，故设置上下两组支撑导轨以传递旋翼环上升、下降以及机动飞行所需的气动力。

本发明另一方面提供了一种磁悬浮旋翼直升机，包括上述任一项所述的磁悬浮旋翼系统，所述磁悬浮旋翼直升机在所述轨道环上设置有涵道口，以提高升力效率。

另外，作为本发明的简化方案，磁悬浮旋翼技术应用于小型无人机，由于旋翼环的转动惯性小，上述的变距接头可取消，桨叶直接固定在旋翼环和中央连接器上以降低系统复杂度，升力变化通过旋翼环的旋转速度的变化来调节。

作为本发明的进一步改进，可以在同一轴线上布置上、下两套旋转方向相反的磁悬浮旋翼装置，两套旋翼装置的反扭矩互相抵消，可为飞行器提供一种自平衡扭矩的旋翼系统，同时可通过上下旋翼的扭矩差动来实现飞行器的偏航操纵。

作为本发明的另一种改进，可以在飞行器上前后相对或左右相对地布置成组的两两旋转方向相反的磁悬浮旋翼装置，旋翼装置的反扭矩可以相互抵消，可为飞行器提供一种自平衡扭矩的旋翼系统，同时可通过上下旋翼的扭矩差动来实现飞行器的偏航操纵。

本发明综合了常规的旋翼系统、动力系统和传动系统，降低了飞行器整机重量并改善了系统维护性；提高了桨叶在高升力区的工作面积，增大了升力；减少了动力传递环节，提高了能量传递效率；减少了桨尖部分升力损失，提高了升力效率；减小桨叶所承受的弯矩，提高了疲劳寿命；增加了旋翼环的整体性，提高了工作可靠性；提高了桨叶的载荷平衡能力，提高了桨叶疲劳性能，并能更好的保持升力；为旋翼提供了保护，提高了安全性；遮蔽了噪音，提高了飞行静音性。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁悬浮旋翼系统，包括连接旋翼桨尖的旋翼环(2)以及为所述旋翼环(2)提供磁悬力的轨道环(1)，其特征在于：所述轨道环(1)提供的磁悬力包括能够驱动桨叶旋转的驱动装置以及能够使所述桨尖悬浮的悬浮装置，所述旋翼的桨叶根部设置有第一偏转驱动机构，以提供所述桨叶根部第一偏转角度，所述旋翼环(2)上设置有第二偏转驱动机构，以提供所述桨叶尖部第二偏转角度。

2.如权利要求1所述的磁悬浮旋翼系统，其特征在于：所述轨道环(1)在朝向所述旋翼环(2)的方向设置有环槽，用于容纳旋翼环(2)，所述环槽内在朝向所述旋翼环(2)的方向设置有第一电磁铁，同理，所述旋翼环(2)在朝向驱动导轨的环面上间隔设置有若干第一永磁铁，所述驱动导轨以交替变化的电磁力驱动所述旋翼环(2)转动。

3.如权利要求1所述的磁悬浮旋翼系统，其特征在于：所述轨道环(1)在朝向所述旋翼环(2)的方向设置有环槽，用于容纳旋翼环(2)，所述轨道环(1)在旋翼环(2)上、下位置处均设置有支撑导轨，所述支撑导轨用于引导所述轨道环(1)运动，同时，所述支撑导轨上设置有悬浮磁铁，所述旋翼环(2)对应位置处设置有第二永磁铁，使得所述旋翼环(2)悬浮于所述环槽内。

4.如权利要求3所述的磁悬浮旋翼系统，其特征在于：所述悬浮磁铁为第二电磁铁。

5.如权利要求3所述的磁悬浮旋翼系统，其特征在于：所述悬浮磁铁为第三永磁铁，所述第三永磁铁与所述第二永磁铁相斥。

6.如权利要求3所述的磁悬浮旋翼系统，其特征在于：所述旋翼环(2)完全悬浮于所述轨道环(1)的环槽内。

7.如权利要求1所述的磁悬浮旋翼系统，其特征在于：所述轨道环(1)采用隔音降噪材料制成。

8.如权利要求1所述的磁悬浮旋翼系统，其特征在于：所述旋翼环(2)上间隔设置有位置传感器(11)，所述轨道环(1)上间隔设置有若干相位感应器(12)。

9.一种磁悬浮旋翼直升机，其特征在于：包括1-8任一项所述的磁悬浮旋翼系统，所述磁悬浮旋翼直升机在所述轨道环(1)上设置有涵道口。

10.如权利要求9所述的磁悬浮旋翼直升机，其特征在于：所述磁悬浮旋翼直升机包括布置在同一轴线上的两套所述磁悬浮旋翼系统，或者布置在飞行器上前后或左右对称的两套所述磁悬浮旋翼系统，其中，两套所述磁悬浮旋翼系统的桨叶旋转方向相反。