CN106640357B - 外转子发动机及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外转子发动机及无人机。外转子发动机，包括固定于发动机基座上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴以及套设于固定偏心轴外并用于转动做功的外转子机构，固定偏心轴通过轴承支承外转子机构，外转子机构包括五角内转子以及外机匣转子；五角内转子内表面的内齿圈啮合于外机匣转子的缸盖中部的外齿轮上，内齿圈与外齿轮之间的位置之差为齿轮中心距，齿轮中心距由固定偏心轴的偏心距保证；五角内转子偏心设于外机匣转子的型腔中，五角内转子在外机匣转子的型腔中作展成运动；外机匣转子旋转带动五角内转子旋转，五角内转子和外机匣转子的转动方向相同，且处于同一根固定偏心轴上。可获得冷却气流，不需平衡配重，有散热优势。

Description

外转子发动机及无人机

技术领域

本发明涉及航空飞行器发动机技术领域，特别地，涉及一种外转子发动机。此外，本发明还涉及一种包括上述外转子发动机的无人机。

背景技术

最早实用的转缸发动机是格罗姆发动机，由Seguin兄弟设计，1909年首飞。它相对可靠，功重比较高，大大的促进了航空。一战前的大多数速度纪录的获得者是使用格罗姆发动机的飞机。转缸发动机的缸沿机匣圆周排列，就像星型发动机，但是曲轴固定在机身上，而是曲轴箱和气缸旋转。这种布局的优势是可获得满意的冷却气流，甚至在低空速时也有冷却气流。保留了重量优势和空冷机的简便性，为了加大功力，制造了双排转缸发动机。然而，转缸发动机使用不回收滑油系统，滑油混在燃料内，和燃气一起从排气口喷出。

汪克尔1954年发明的三角转子发动机元祖——第一台自转活塞式三角转子发动机DKM54也是旋转气缸发动机，但旋转气缸仍被密封在外壳内不利于散热；而且存在气缸热负荷大，偏心轴平衡难度大，使用寿命短的问题。

发明内容

本发明提供了一种外转子发动机及无人机，以解决现有转子机气缸热负荷大，使用寿命短，偏心轴平衡难度的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种外转子发动机，包括固定于发动机基座上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴以及套设于固定偏心轴外并用于转动做功的外转子机构，固定偏心轴通过轴承支承外转子机构，外转子机构包括五角内转子以及外机匣转子；五角内转子内表面的内齿圈啮合于外机匣转子的缸盖中部的外齿轮上，内齿圈与外齿轮之间的位置之差为齿轮中心距，齿轮中心距由固定偏心轴的偏心距保证；五角内转子偏心设于外机匣转子的型腔中，五角内转子在外机匣转子的型腔中作展成运动；外机匣转子旋转带动五角内转子旋转，五角内转子和外机匣转子的转动方向相同，且处于同一根固定偏心轴上。

进一步地，外机匣转子与五角内转子的转速比为5：4，五角内转子与外机匣转子的型腔配合形成五个隔离的变化容积腔，变化容积腔各自依序进行四冲程工作循环。

进一步地，固定偏心轴通过花键机械连接在发动机基座的安装节上；固定偏心轴内具有用于引入可燃混合气和/或润滑油的中空气道。

进一步地，外机匣转子为旋转对称结构，外机匣转子包括气缸、封盖于气缸前端的前预热室盖以及封盖于气缸后端的后预热室盖；五角内转子内表面的内齿啮合于后预热室盖的中部的偏心外齿上；气缸两侧对称安装有热火塞，热火塞的铂条温度处于350℃-450℃，以将外机匣转子型腔内的可燃混合气的点燃或压燃；五角内转子上开设有引火槽和配气槽；外机匣转子连接主动齿轮、螺旋桨、风扇、外转子无刷电动机壳体中的至少一个。

进一步地，气缸上均布有多支温度传感器，以感应气缸缸壁温度、可燃混合气温度和燃气温度，供外转子发动机的电子控制系统选择点火策略和/或控制可燃混合气浓度。

进一步地，前预热室盖和/或后预热室盖上具有预热室腔体、进气口、径向排气口、散热片、轴承座孔中的至少一个。

进一步地，外转子发动机的两端面设有进气口和径向排气口，且外转子发动机的两端面的进气口和径向排气口时序排布，以提高外机匣转子内腔中的充气系数和提高可燃混合气的利用率；外转子发动机的尾端封盖有尾罩。

进一步地，五角内转子处于进气口和径向排气口上；五角内转子旋转的同时，通过五角内转子边缘控制进气口的开启相位，通过五角内转子顶点控制径向排气口的开启相位，以使外转子发动机的配气系统简单可靠。

进一步地，固定偏心轴悬臂支承外机匣转子和五角内转子；固定偏心轴的一端具有吸入可燃混合气的吸入口，采用电喷产生多燃料可燃混合气；固定偏心轴上处于固定偏心轴与外机匣转子之间的部位固接有定子铁芯以及缠绕于定子铁芯上的三相绕组，固定偏心轴上设有高压接线端子。

根据本发明的另一方面，还提供了一种无人机，其包括上述外转子发动机。

本发明具有以下有益效果：

本发明外转子发动机，结合自转缸发动机和五角转子发动机结构特点，把转缸发动机的外壳旋转的设计理念贯彻到五角转子发动机中，这种布局的优势是可获得满意的冷却气流，甚至在低空速时也有冷却气流，并且不需平衡配重，具有散热优势，其功重比高、扭矩大、结构简单。五角内转子201处于外机匣转子202的型腔内，五角内转子201的内外表面均与外机匣转子202的型腔内壁面接触，以使五角内转子201在外机匣转子202内作稳定的展成运动，平衡性优越，外壳转速高，做功频次高，旋转一圈做两次功，功重比可高达2kw/kg～4kw/kg。外机匣转子和五角内转子这些高温部件与内外气流热交换充分，对流散热系数和转速呈递增函数关系，使温度场周向比较均匀，很少发生过热影响性能或发生故障，可靠性高。运动机构简单，只有两个定轴转动组件，没有摆动连杆、公转转子、直线运动活塞和中介轴承，基本结构简单，容易批量生产。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的外转子发动机的结构示意图之一；

图2是本发明优选实施例的外转子发动机的结构示意图之二；

图3是本发明优选实施例的外转子发动机的结构示意图之三。

图例说明：

1、固定偏心轴；101、中空气道；2、外转子机构；201、五角内转子；202、外机匣转子；2021、气缸；2022、前预热室盖；2023、后预热室盖；3、变化容积腔；4、热火塞；5、引火槽；6、配气槽；7、螺旋桨；8、进气口；9、径向排气口；10、定子铁芯；11、三相绕组；12、高压接线端子；13、尾罩。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的外转子发动机的结构示意图之一；图2是本发明优选实施例的外转子发动机的结构示意图之二；图3是本发明优选实施例的外转子发动机的结构示意图之三。

如图1所示，本实施例的外转子发动机，包括固定于发动机基座上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴1以及套设于固定偏心轴1外并用于转动做功的外转子机构2，固定偏心轴1通过轴承支承外转子机构2，外转子机构2包括五角内转子201以及外机匣转子202；五角内转子201内表面的内齿圈啮合于外机匣转子202的缸盖中部的外齿轮上，内齿圈与外齿轮之间的位置之差为齿轮中心距，齿轮中心距由固定偏心轴1的偏心距保证；五角内转子201偏心设于外机匣转子202的型腔中，五角内转子201在外机匣转子202的型腔中作展成运动；外机匣转子202旋转带动五角内转子201旋转，五角内转子201和外机匣转子202的转动方向相同，且处于同一根固定偏心轴1上。外转子发动机实际的运转模式，偏心轴在飞机座标系中静止；两种运转模式的相对运动是相同的。本发明外转子发动机，结合自转缸发动机和五角转子发动机结构特点，把转缸发动机的外壳旋转的设计理念贯彻到五角转子发动机中，这种布局的优势是可获得满意的冷却气流，甚至在低空速时也有冷却气流，并且不需平衡配重，具有散热优势，其功重比高、扭矩大、结构简单。五角内转子201处于外机匣转子202的型腔内，五角内转子201的内外表面均与外机匣转子202的型腔内壁面接触，以使五角内转子201在外机匣转子202内作稳定的展成运动，平衡性优越，外壳转速高，做功频次高，旋转一圈做两次功，功重比可高达2kw/kg～4kw/kg。外机匣转子202和五角内转子201这些高温部件与内外气流热交换充分，对流散热系数和转速呈递增函数关系，使温度场周向比较均匀，很少发生过热影响性能或发生故障，可靠性高。运动机构简单，只有两个定轴转动组件，没有摆动连杆、公转转子、直线运动活塞和中介轴承，基本结构简单，容易批量生产。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，外机匣转子202与五角内转子201的转速比为5：4。五角内转子201与外机匣转子202的型腔配合形成五个隔离的变化容积腔3。变化容积腔3各自依序进行四冲程工作循环。

如图1所示，本实施例中，固定偏心轴1通过花键机械连接在发动机基座的安装节上。固定偏心轴1内具有用于引入可燃混合气和/或润滑油的中空气道101。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，外机匣转子202为旋转对称结构，外机匣转子202包括气缸2021、封盖于气缸2021前端的前预热室盖2022以及封盖于气缸2021后端的后预热室盖2023。五角内转子201内表面的内齿啮合于后预热室盖2023的中部的偏心外齿上。气缸2021两侧对称安装有热火塞4。热火塞4的铂条温度处于350℃-450℃。以将外机匣转子202型腔内的可燃混合气的点燃或压燃。五角内转子201上开设有引火槽5和配气槽6。外机匣转子202连接主动齿轮、螺旋桨7、风扇、外转子无刷电动机壳体中的至少一个。

本实施例中，气缸2021上均布有多支温度传感器，以感应气缸2021缸壁温度、可燃混合气温度和燃气温度，供外转子发动机的电子控制系统选择点火策略和/或控制可燃混合气浓度。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，前预热室盖2022和/或后预热室盖2023上具有预热室腔体、进气口8、径向排气口9、散热片、轴承座孔中的至少一个。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，外转子发动机的两端面设有进气口8和径向排气口9，且外转子发动机的两端面的进气口8和径向排气口时序排布，以提高外机匣转子202内腔中的充气系数和提高可燃混合气的利用率。外转子发动机的尾端封盖有尾罩13。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，五角内转子201处于进气口8和径向排气口9上。五角内转子201旋转的同时，通过五角内转子201边缘控制进气口8的开启相位，通过五角内转子201顶点控制径向排气口9的开启相位，以使外转子发动机的配气系统简单可靠。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，固定偏心轴1悬臂支承外机匣转子202和五角内转子201。固定偏心轴1的一端具有吸入可燃混合气的吸入口。采用电喷产生多燃料可燃混合气。固定偏心轴1上处于固定偏心轴1与外机匣转子202之间的部位固接有定子铁芯10以及缠绕于定子铁芯10上的三相绕组11。固定偏心轴1上设有高压接线端子12。

本实施例的无人机，包括上述外转子发动机。

实施时，提供一种外机匣整体旋转的五角转子发动机。该内燃发动机的气缸2021和其前后缸盖组件(前预热室盖2022和后预热室盖2023)可带着螺旋桨绕定轴高速旋转而产生推力，气缸2021内的五角内转子201也绕固定偏心轴1的轴颈定轴高速旋转，两个转子的旋转方向相同，转速比为5：4。五角内转子201和气缸2021型腔配合形成五个隔离的变化容积腔3，变化容积腔3各自依序进行四冲程工作循环。两个转子都在同一根固定偏心轴1上旋转。固定偏心轴1与整机安装节用花键机械连接，轴内有中空气道101，引入可燃混合气和润滑油。将对多种混合燃料进行试验，进行点燃和压燃工作模式的控制，在气缸上对称安装两个火花塞，可将汽油或乙醇空气混合气点燃，进行起动预热。在气缸2021上同样对称安装了两个热火塞4，铂条温度达到400℃左右，可将煤油和乙醚空气混合气点燃或压燃。气缸2021上均布四支温度传感器感应缸壁、混合气和燃气温度，供电子控制系统选择点火策略和可燃混合气浓度控制。

外转子发动机的平衡性优越，外壳(外机匣转子202)转速高，做功频次高(转一圈做两次功)，功重比可高达2～4kw/kg，介于三角转子发动机和涡轴发动机之间。外转子发动机的高温部件(旋转的气缸2021和旋转的五角内转子201)与内外气流热交换充分，对流散热系数和转速呈递增函数关系，使温度场周向比较均匀，很少发生过热影响性能或发生故障。外壳(外机匣转子202)温度较高(外机匣转子202主要由铝合金材质组成，膨胀系数较大)，内转子(五角内转子201)温度较低(五角内转子201主要由铁基合金材质组成，膨胀系数较小)，故发动机不会由于大功率长时间运行而卡滞。外转子发动机可靠性高。外转子发动机的两端面进气口8和径向排气口9时序安排使充气系数高，燃料浪废极少。燃气处在巨大的离心力场中燃烧速度增加，热气向中心聚积，火焰不易熄灭。燃气温度高，热效率高，排气流速高，能使缸体产生反冲扭矩而直接利用部分排气能量。外转子发动机的运动机构简单，只有两个定轴转动组件，没有摆动连杆、公转转子、直线运动活塞和中介轴承。基本结构简单，容易批量生产。可以试验燃烧多种燃料、试验多种点火方式，解决高原低温起动问题。外转子发动机可以与外转子无刷电动机同轴组合，扭矩匹配，结构紧凑，很好地解决电起动和发电及冷却问题。利用五角内转子201边沿控制进气口8的开启相位，利用五角内转子201顶点控制径向排气口9的开启相位，使配气系统简单可靠，不用凸轮、摇臂、气门、舌簧阀等零部件。

外转子发动机，可以设计成小排量的航模外转子发动机，气缸最大直径不大于130mm，减少原理验证机的制造成本。硬铝气缸采用电镀多孔铬，外圆车出散热片并按分区铣切斜槽，便于散热气流更新。钢质五角转子端面电镀黄铜减摩。小排量的外转子发动机的五角转子和内齿轮可做成一体。采用较大的形状系数(10～15)获得较高的体积压缩比(8～9)。采用滚动轴承，混合汽飞溅润滑，简化润滑系统，提高机械效率和可靠性，延长使用寿命。外转子发动机还有无刷电调、化油器、高压发生器等附件。折叠桨固定在磁钢壳体上。

本发明外转子发动机的结构特点：

(1)旋转对称的气缸2021与前后缸盖(前预热室盖2022和后预热室盖2023)组成外转子输出动力，故外转子可连接主动齿轮、螺旋桨或风扇以及外转子无刷电动机的磁钢壳体。

(2)旋转对称的五角内转子201通过一对定轴内啮合齿轮由外转子驱动，转速是外转子转速的4/5，其自转转速4倍于公转活塞式转子发动机的转子自转转速，使径向密封条的离心力强大而较少借助耐高温的径向密封弹簧。

(3)外部全风冷，总体的径向温度梯度是内冷外热，散热区呈圆环形，高温散热面积占比大。内部混合气冷却发动机的内腔，混合气被预热。前后缸盖上铣出预热室和进气口、散热片、轴承座孔。

(4)空心的固定偏心轴1是整个发动机的内支架，与发动机的安装座组合，悬臂支承发动机。

(5)可燃混合气从空心的固定偏心轴1的一端吸入，可以采用电喷产生多燃料可燃混合气。

(6)通过传动箱将两台或多台外转子发动机组合成多缸机，空心的固定偏心轴1两端固定支承，并使总功率倍增。

用作无人机的动力装置，可以燃烧多种燃料，可靠性高。外转子发动机是全风冷发动机，缸温高但不易发生拉缸、烧瓦、抱轴、卡死等故障，当喷汽油点燃起动预热后，汽油会发生早燃爆振时，可切换到喷柴油乙醚，转为压燃工作模式。可实现航空柴油机的小型化、高速化，使小型无人机的航程和留空时间成倍增长。也可以做到中等功率水平。由于进气预热会减少发动机的新鲜充量，但外转子发动机的做功频次高，提高转速的潜力大。在巨大的离心力场中积碳、磨损金属屑等会被甩向气缸壁，刮到排气口而排出机外，因此外转子发动机是具有良好自净能力的发动机。外转子发动机的径向密封条相对气缸壁的线速度可高达30m/s(C3N4、Si3N4、SiC等制作的径向密封条和气缸壁电镀多孔铬或Ni-SiC复合镀层)，稳定的离心力作用在径向密封条上使其难以发生弹跳，混合气中的润滑油在巨大的离心力场中很快被甩向气缸壁起到润滑和冷却作用，变成蒸气或分解然后烧掉，因此磨损比固定气缸的转子机少，润滑油消耗量少。外转子发动机整机外形呈圆柱形，迎风面积小，悬臂短，振动小，易于在飞行器上安装。由于功重比高(重量轻)，发动机可以安装在飞机靠后方的位置，例如尾推布局，废气和未燃烧的滑油不会污染飞机。由于排气口随缸体旋转，运转声音比较特别，噪音水平并不高。外转子发动机转动件的旋转惯量大，转速高，储能多，转速波动小，怠速或慢车油耗低。安装在涵道内驱动风扇的外转子发动机具有优良的高速推进效率，可使无人机的飞行速度高于一般的螺旋桨飞机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外转子发动机，包括固定于发动机基座上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴(1)以及套设于所述固定偏心轴(1)外并用于转动做功的外转子机构(2)，

所述固定偏心轴(1)通过轴承支承所述外转子机构(2)，

其特征在于，

所述外转子机构(2)包括五角内转子(201)以及外机匣转子(202)；

所述五角内转子(201)内表面的内齿圈啮合于所述外机匣转子(202)的缸盖中部的外齿轮上，内齿圈与外齿轮之间的位置之差为齿轮中心距，齿轮中心距由所述固定偏心轴(1)的偏心距保证；

所述五角内转子(201)偏心设于所述外机匣转子(202)的型腔中，所述五角内转子(201)在所述外机匣转子(202)的型腔中作展成运动；

所述外机匣转子(202)旋转带动所述五角内转子(201)旋转，所述五角内转子(201)和所述外机匣转子(202)的转动方向相同，且处于同一根所述固定偏心轴(1)上。

2.根据权利要求1所述的外转子发动机，其特征在于，

所述外机匣转子(202)与所述五角内转子(201)的转速比为5:4，

所述五角内转子(201)与所述外机匣转子(202)的型腔配合形成五个隔离的变化容积腔(3)，所述变化容积腔(3)各自依序进行四冲程工作循环。

3.根据权利要求2所述的外转子发动机，其特征在于，

所述固定偏心轴(1)通过花键机械连接在发动机基座的安装节上；

所述固定偏心轴(1)内具有用于引入可燃混合气和/或润滑油的中空气道(101)。

4.根据权利要求3所述的外转子发动机，其特征在于，

所述外机匣转子(202)为旋转对称结构，

所述外机匣转子(202)包括气缸(2021)、封盖于所述气缸(2021)前端的前预热室盖(2022)以及封盖于所述气缸(2021)后端的后预热室盖(2023)；

所述五角内转子(201)内表面的内齿啮合于所述后预热室盖(2023)的中部的偏心外齿上；

所述气缸(2021)两侧对称安装有热火塞(4)，所述热火塞(4)的铂条温度处于350℃-450℃，以将所述外机匣转子(202)型腔内的可燃混合气的点燃或压燃；

所述五角内转子(201)上开设有引火槽(5)和配气槽(6)；

所述外机匣转子(202)连接主动齿轮、螺旋桨(7)、风扇、外转子无刷电动机壳体中的至少一个。

5.根据权利要求4所述的外转子发动机，其特征在于，

所述气缸(2021)上均布有多支温度传感器，以感应所述气缸(2021)缸壁温度、可燃混合气温度和燃气温度，供外转子发动机的电子控制系统选择点火策略和/或控制可燃混合气浓度。

6.根据权利要求5所述的外转子发动机，其特征在于，

所述前预热室盖(2022)和/或所述后预热室盖(2023)上具有预热室腔体、进气口(8)、径向排气口(9)、散热片、轴承座孔中的至少一个。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的外转子发动机，其特征在于，

外转子发动机的两端面设有进气口(8)和径向排气口(9)，且外转子发动机的两端面的进气口(8)和径向排气口(9)时序排布，以提高所述外机匣转子(202)内腔中的充气系数和提高可燃混合气的利用率；外转子发动机的尾端封盖有尾罩(13)。

8.根据权利要求7所述的外转子发动机，其特征在于，

所述五角内转子(201)处于所述进气口(8)和所述径向排气口(9)上；

所述五角内转子(201)旋转的同时，通过所述五角内转子(201)边缘控制所述进气口(8)的开启相位，通过所述五角内转子(201)顶点控制所述径向排气口(9)的开启相位，以使外转子发动机的配气系统简单可靠。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的外转子发动机，其特征在于，

所述固定偏心轴(1)悬臂支承外机匣转子(202)和五角内转子(201)；

所述固定偏心轴(1)的一端具有吸入可燃混合气的吸入口，采用电喷产生多燃料可燃混合气；

所述固定偏心轴(1)上处于所述固定偏心轴(1)与所述外机匣转子(202)之间的部位固接有定子铁芯(10)以及缠绕于所述定子铁芯(10)上的三相绕组(11)，

所述固定偏心轴(1)上设有高压接线端子(12)。

10.一种无人机，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的外转子发动机。