CN107628257A - 一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构，包括电机、减速器和外壳，电机由中心轴、电机定子绕组和电机转子组成，减速器由行星架、中心齿轮、输出轴和传动齿轮组成；在中心轴上设有电机定子绕组，在电机定子绕组外面套设电机转子；在电机转子外部的中心轴上套设有中心齿轮，在外壳内侧设有内齿圈轮缘，在中心齿轮与内齿圈轮缘之间设有传动齿轮，传动齿轮分别与中心齿轮、内齿圈轮缘啮合，所述行星架分别与传动齿轮、输出轴连接。本发明还公开了一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构的控制系统。本发明将多个部件一体化设计，减少了多余的箱体及安装连接零件，简化了安装过程和要求，可以起到直升机轻量化、提高发动机利用率等作用。
Description
技术领域
本发明涉及航空器设计技术领域，尤其是一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构及其控制系统。
背景技术
现有的直升机尾桨动力来源一般来自主发动机，通过减速器和传动轴传到尾桨。目前，直升机尾桨一般由中间减速器、尾传动轴、尾减速器、尾桨变距拉杆等部件组成，其中，中间减速器、尾传动轴、尾减速器将主减速器处的能量传递到尾桨，驱动尾桨转动；飞行员操纵脚蹬通过操纵线系带动尾桨变距拉杆，从而改变尾桨叶的迎角，改变尾桨叶推力(拉力)大小从而实现直升机平衡或方向改变的目的。现有的直升机尾桨系统，具有结构重量大、能量损失大、振动噪声大、控制杆系可能卡阻、装配维修困难等特点。而且现有的直升机尾桨控制系统主要针对机械式传动结构。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种将多个部件一体化设计，减少了多余的箱体及安装连接零件，简化了安装过程和要求，降低结构重量和制造维护成本的直升机尾桨的电机减速器一体化结构。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构，包括电机、减速器和外壳，所述电机由中心轴、电机定子绕组和电机转子组成，所述减速器由行星架、中心齿轮、输出轴和传动齿轮组成；在中心轴上设有电机定子绕组，二者通过轴承连接，电机定子绕组与外壳相连，在电机定子绕组外面套设电机转子，电机转子与中心轴连接；在电机转子外部的中心轴上套设有中心齿轮，在外壳内侧设有内齿圈轮缘，在中心齿轮与内齿圈轮缘之间设有传动齿轮，传动齿轮分别与中心齿轮、内齿圈轮缘啮合，所述行星架分别与传动齿轮、输出轴连接，输出轴与直升机尾桨的桨叶连接。
所述传动齿轮的个数为2至6个，且均匀分布在中心齿轮与内齿圈轮缘形成的环形空间内，构成行星齿轮传动系统。
本发明的另一目的在于提供一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构的控制系统，包括脚蹬、角位移传感器、直升机控制器、动力电源、用于检测输出电压的电压检测模块、DC/DC模块、电机控制器、IPM模块、用于检测IPM模块输出的电流的电流检测模块、用于感应电机转子温度的温度传感器和用于感应电机转子位置的位置传感器；所述脚蹬输出角位移信号至角位移传感器，角位移传感器的输出端与直升机控制器的信号输入端相连，直升机控制器与电机控制器双向通讯，所述动力电源通过DC/DC模块向电机控制器供电，动力电源的第一输出端与电压检测模块的输入端相连，电压检测模块的输出端与电机控制器的第一输入端相连，动力电源的第二输出端与IPM模块的第一输入端相连，IPM模块分两路输出，一路与电流检测模块的输入端相连，另一路与电机减速器一体化结构中的电机定子绕组相连，所述电流检测模块的输出端与电机控制器的第二输入端相连，所述温度传感器的输出端与电机控制器的第三输入端相连，所述位置传感器的输出端与电机控制器的第四输入端相连，所述电机控制器的输出端与IPM模块的第二输入端相连。
所述动力电源为直升机蓄电池或发电机。
所述脚蹬设置在直升机驾驶舱内，所述直升机控制器、电压检测模块、电流检测模块、DC/DC模块均设置在直升机内部，所述温度传感器、位置传感器设置在电机减速器一体化结构内，所述电机减速器一体化结构设置在直升机尾部，所述角位移传感器设置在脚蹬的转轴处。
由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，直升机尾桨的电机减速器一体化结构与直升机尾桨连接，为尾桨提供动力，控制系统控制直升机尾桨的转速，并通过改变转速的方式替代了传统直升机尾桨用拉杆机构改变桨距的方式进行平衡和转向，省去了从主发动机到尾桨的传动轴等机构，由于将多个部件一体化设计，减少了多余的箱体及安装连接零件，简化了安装过程和要求，可以起到直升机轻量化、提高发动机利用率、提高尾桨系统安全性可靠性、降低直升机整体噪声与振动水平等作用，有较大的实际应用价值；第二，本控制系统在不改变传统直升机脚蹬操作方式的情况下，让驾驶者掌握电动尾桨操作，该控制系统精度高、可靠性高，能够有效地控制直升机尾桨的转速，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明的电机减速器一体化结构、控制系统以及直升机尾桨的桨叶的结构框图；
图2为电机减速器一体化结构的结构示意图；
图3为直升机主桨旋转方向与尾桨拉力方向的示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构，包括电机、减速器和外壳1，所述电机由中心轴4、电机定子绕组3和电机转子2组成，所述减速器由行星架5、中心齿轮6、输出轴7和传动齿轮8组成；在中心轴4上设有电机定子绕组3，二者通过轴承连接，电机定子绕组3与外壳1相连，在电机定子绕组3外面套设电机转子2，电机转子2与中心轴4连接；在电机转子2外部的中心轴4上套设有中心齿轮6，在外壳1内侧设有内齿圈轮缘9，在中心齿轮6与内齿圈轮缘9之间设有传动齿轮8，传动齿轮8分别与中心齿轮6、内齿圈轮缘9啮合，所述行星架5分别与传动齿轮8、输出轴7连接，输出轴7与直升机尾桨的桨叶11连接。所述传动齿轮8的个数为2至6个，且均匀分布在中心齿轮6与内齿圈轮缘9形成的环形空间内，构成行星齿轮传动系统。
如图1所示，本控制系统12包括脚蹬、角位移传感器、直升机控制器、动力电源、用于检测输出电压的电压检测模块、DC/DC模块、电机控制器、IPM模块、用于检测IPM模块输出的电流的电流检测模块、用于感应电机转子2温度的温度传感器和用于感应电机转子2位置的位置传感器；所述脚蹬输出角位移信号至角位移传感器，角位移传感器的输出端与直升机控制器的信号输入端相连，直升机控制器与电机控制器双向通讯，所述动力电源通过DC/DC模块向电机控制器供电，动力电源的第一输出端与电压检测模块的输入端相连，电压检测模块的输出端与电机控制器的第一输入端相连，动力电源的第二输出端与IPM模块的第一输入端相连，IPM模块分两路输出，一路与电流检测模块的输入端相连，另一路与电机减速器一体化结构10中的电机定子绕组3相连，所述电流检测模块的输出端与电机控制器的第二输入端相连，所述温度传感器的输出端与电机控制器的第三输入端相连，所述位置传感器的输出端与电机控制器的第四输入端相连，所述电机控制器的输出端与IPM模块的第二输入端相连。
如图1所示，所述动力电源为直升机蓄电池或发电机。所述脚蹬设置在直升机驾驶舱内，所述直升机控制器、电压检测模块、电流检测模块、DC/DC模块均设置在直升机内部，所述温度传感器、位置传感器设置在电机减速器一体化结构10内，所述电机减速器一体化结构10设置在直升机尾部，所述角位移传感器设置在脚蹬的转轴处。
如图3所示，假设直升机主旋翼顺时针转，对机身就产生逆时针方向的反扭力，尾桨就必须旋转，产生顺时针方向的推力，以抵消主旋翼的反扭力。定义左脚蹬踩下时产生的角位移为正，右脚蹬踩下时产生的角位移为负，踩踏左脚蹬时，输出功率比零位时大，从而控制尾桨转速加大，增大拉力，直升机向左偏航，同理踩踏右脚蹬使直升机向左偏航。
以下结合图1至3对本发明作进一步的说明。
在工作时，首先是驾驶员操纵脚蹬，其产生的角位移通过角位移传感器转化为电信号，传到直升机控制器，再将控制信号传到电机控制器，以转矩闭环方式控制电机的输出转矩，或以转速闭环的方式控制电机的输出转速，使电机带动尾桨旋转，通过改变转速的方式控制尾桨推力；动力电源通过IPM模块为电机提供动力，同时IPM模块接收来自电机控制器的控制信号控制电机转动速度,电流检测模块检测IPM模块的输出电流并传输给电机控制器；动力电源与电压检测模块和DC/DC模块相连，并连接到电机控制器上；电机通过温度传感器和位置传感器将信号传到电机控制器上，位置传感器的感应信号在电机控制器中转换成电机转子转速，通过CAN总线将上述感应信号传递到直升机控制器。
驾驶员踩踏脚蹬，脚蹬转动角度通过角位移传感器转换为电信号输出给直升机控制器，再由直升机控制器传输给电机控制器；动力电源通过电压检测模块和DC/DC模块与电机控制器连接，由DC/DC模块给电机控制器供电；IPM模块接收动力电源输入的电流和电机控制器提供的控制信号，然后输出电流驱动电机转动，并控制电机转动速度和扭矩；IPM模块通过电流检测模块和电机控制器连接；电机通过转子温度传感器和转子位置传感器和电机控制器连接；IPM模块输出电流进入电机定子绕组3，通过电机磁场作用使得电机转子2转动，带动中心齿轮6转动，中心齿轮6带动均布的传动齿轮8，将动力通过行星架5传递到输出轴7，输出轴7带动桨叶11转动。电机动力由中心轴4输出，通过中心齿轮6传动到传动齿轮8，再由传动齿轮8通过行星架5传递到输出轴7上，实现一定减速比的动力输出以适应尾桨转速要求。该一体化结构将设计的永磁同步电机与行星减速器集成在一起，结构紧凑，可靠性高，降低了结构重量而且能够降低振动与噪声水平。
综上所述，本发明将多个部件一体化设计，减少了多余的箱体及安装连接零件，简化了安装过程和要求，可以起到直升机轻量化、提高发动机利用率、提高尾桨系统安全性可靠性、降低直升机整体噪声与振动水平等作用，有较大的实际应用价值。
Claims (5)
1.一种直升机尾桨的电机减速器一体化结构，其特征在于：包括电机、减速器和外壳(1)，所述电机由中心轴(4)、电机定子绕组(3)和电机转子(2)组成，所述减速器由行星架(5)、中心齿轮(6)、输出轴(7)和传动齿轮(8)组成；在中心轴(4)上设有电机定子绕组(3)，二者通过轴承连接，电机定子绕组(3)与外壳(1)相连，在电机定子绕组(3)外面套设电机转子(2)，电机转子(2)与中心轴(4)连接；在电机转子(2)外部的中心轴(4)上套设有中心齿轮(6)，在外壳(1)内侧设有内齿圈轮缘(9)，在中心齿轮(6)与内齿圈轮缘(9)之间设有传动齿轮(8)，传动齿轮(8)分别与中心齿轮(6)、内齿圈轮缘(9)啮合，所述行星架(5)分别与传动齿轮(8)、输出轴(7)连接，输出轴(7)与直升机尾桨的桨叶(11)连接。
2.根据权利要求1所述的直升机尾桨的电机减速器一体化结构，其特征在于：所述传动齿轮(8)的个数为2至6个，且均匀分布在中心齿轮(6)与内齿圈轮缘(9)形成的环形空间内，构成行星齿轮传动系统。
3.如权利要求1至2中任一项所述的直升机尾桨的电机减速器一体化结构的控制系统，其特征在于：包括脚蹬、角位移传感器、直升机控制器、动力电源、用于检测输出电压的电压检测模块、DC/DC模块、电机控制器、IPM模块、用于检测IPM模块输出的电流的电流检测模块、用于感应电机转子(2)温度的温度传感器和用于感应电机转子(2)位置的位置传感器；所述脚蹬输出角位移信号至角位移传感器，角位移传感器的输出端与直升机控制器的信号输入端相连，直升机控制器与电机控制器双向通讯，所述动力电源通过DC/DC模块向电机控制器供电，动力电源的第一输出端与电压检测模块的输入端相连，电压检测模块的输出端与电机控制器的第一输入端相连，动力电源的第二输出端与IPM模块的第一输入端相连，IPM模块分两路输出，一路与电流检测模块的输入端相连，另一路与电机减速器一体化结构(10)中的电机定子绕组(3)相连，所述电流检测模块的输出端与电机控制器的第二输入端相连，所述温度传感器的输出端与电机控制器的第三输入端相连，所述位置传感器的输出端与电机控制器的第四输入端相连，所述电机控制器的输出端与IPM模块的第二输入端相连。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述动力电源为直升机蓄电池或发电机。
5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述脚蹬设置在直升机驾驶舱内，所述直升机控制器、电压检测模块、电流检测模块、DC/DC模块均设置在直升机内部，所述温度传感器、位置传感器设置在电机减速器一体化结构(10)内，所述电机减速器一体化结构(10)设置在直升机尾部，所述角位移传感器设置在脚蹬的转轴处。
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