CN108602556A - 用于机械推力功率转换多风扇的系统、组件和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于提供空气推力的多转子系统，其包括至少一个多转子组件。多转子组件包括可围绕共同轴线旋转的至少两个转子，其中，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径。还公开了一种适于执行垂直起降(VTOL)的空中运载工具。空中运载工具包括围绕运载工具的重心基本上对称布置的至少两个多转子系统。

Description

用于机械推力功率转换多风扇的系统、组件和方法
背景技术
用于在流体环境(例如空中)提供推力的方法和装置已知多年且包括各种类型的螺旋桨、风扇、喷气发动机、火箭发动机等。类似地，用于将流体材料(例如空气)的流动转换成机械/电能的方法和装置也已知多年且包括风力涡轮机、波浪/潮汐能量转换系统等。用于提供物体在空中的推力、用于提供前向/侧向力或用于提供升力的装置和方法(例如在直升机或类似的垂直起降(VTOL)运载工具中)也是已知的。
这种装置和方法的效率基本上可以通过所得的有效推力能量/功率与进入转换装置的机械/电能/功率之间的比率来测量。类似地，在用于将流体的流动转换成机械/电能的装置中，测量效率的比率将在所得的机械/电能/功率与给予转换装置的流体能量/功率之间。
通常，效率的降低可能是由于机械摩擦、导致非消耗性能量损失的流体湍流、转换为噪声的流体能量、机械振动等。
额外的效率因子可以是区域、空间和相关物理尺寸的利用效率。例如，由螺旋桨或直升机转子提供的推力在螺旋桨/转子的不同区域中是不同的。图1A到图1C分别示意性地呈现了直升机100的俯视图和侧视图以及直升机的转子空气动力学性能的曲线图，如本领域中已知的。直升机100的转子102可以按由转子叶片尖端的切向速度VRT限制的转速旋转，所述转速不应超过声速，且实际上不超过声速的0.85。虽然转子叶片尖端的切向速度可能接近且可能不超过声速，但沿着转子叶片的点的切向速度在旋转轴线处从零变化，且随着半径朝向转子叶片尖端而线性增大。旋转叶片的空气动力学效率随着其线性(＝切向)速度减小或随着其线速度由于空气密度的突然变化变得接近声速而降低。转子102的区域可以粗略地分成两个同心区107和108。区107是限定在圆104(其描绘了转子叶片的尖端的路径)与圆106之间的外部区。区108是限定在圆106内部的内部区。当沿着转子叶片的点的切向速度减小时，叶片在这些点处的空气动力学升力减小，直到在沿着圆106的点处，叶片的升力小于在该点处产生的空气动力学阻力，如图1C所描绘的，其中曲线图110描述了沿叶片的点处的空气动力学升力，且曲线图112描述了由转子的旋转叶片产生的空气动力学阻力。可以看出，由转子叶片产生的阻力与沿着叶片的位置是基本上恒定的，而空气动力学升力在沿着圆106定位的点处急剧下降。因此，这种推力产生装置的效率可以定义为可用于产生升力的区域与推力产生装置所利用的总区域的比例。例如，如果圆106的半径是叶片尖端104的半径的2/3，则转子区域效率比RES将为：
一般来说，可从旋转转子获得的推力与转子叶片的给定部分的线速度的平方成比例，因此转子叶片的线速度对转子的可获得推力具有大的影响。此外，由转子或螺旋桨的旋转引起的噪声主要归因于具有不同的空气流速的相邻/邻近气流引起的空气剪切。因此，从邻近气流的空气速度差较小的转子系统获得给定的总推力将降低由所述转子引起的噪声。
改进转子区域效率比例将是有益的，且在改进或者至少不减小总体性能比例的其它方面(例如较低的自重、降低的噪声损失等)的同时改进所述效率因子甚至更有利。转子/螺旋桨的效率的改进还可以降低其在操作期间产生的噪声，所述噪声主要是由转子/螺旋桨引起的非层流引起的。因此，通过减慢叶片尖端的速度、通过控制和引导转子/螺旋桨之前和之后的流体流动等减少流体通过转子/螺旋桨的非层流可以增大有用推力，同时降低所产生的噪声。
发明内容
公开了一种用于提供空气推力的多转子系统，其包括至少一个多转子组件。多转子组件包括可围绕共同轴线旋转的至少两个转子，其中，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径。
根据本发明的一些实施例，多转子系统还包括驱动装置，该驱动装置适于使每个转子以独立于其它转子的转速的转速旋转。
根据本发明的一些实施例，至少两个转子布置在共同平面中且可在共同平面中旋转。
根据本发明的一些实施例，多转子系统还包括管道，该管道布置成紧密地围绕最外转子的外半径且定向为使其空气流动方向与多转子系统的共同轴线同轴。多转子系统哈艾克包括至少一个额外空气管道，额外空气管道布置成紧密地围绕另一个转子的外半径。
根据另外的实施例，公开了一种适于执行垂直起降(VTOL)的空中运载工具。空中运载工具包括围绕运载工具的重心基本上对称布置的至少两个多转子系统。每个多转子系统包括：可围绕共同轴线旋转的至少两个转子，其中，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径；以及驱动装置，驱动装置适于使每个转子以独立于其它转子的转速的转速旋转。
根据本发明的实施例，空中VTOL运载工具适于在起降操纵时提供垂直推力，并且还适于在飞行操纵时提供水平推力。
附图说明
在本说明书的结尾部分特别指出和明确声明本发明的主题。然而，结合附图参考下面的详细描述，可以最好地理解本发明的组织和操作方法及其目标、特征和优点，附图中：
图1A到图1C分别示意性地呈现了直升机的俯视图和侧视图以及直升机的转子空气动力学性能的曲线图；
图2A和图2B分别示意性地描绘了根据本发明的实施例的同轴多转子系统以及这种系统的转子叶片速度的曲线图；
图3示意性地呈现了根据本发明的实施例的同轴多转子系统的截面，去仅示出了关于对称线对称的截面的左侧；
图4示意性地呈现了根据本发明的实施例的同轴多转子系统；
图5示意性地呈现了根据本发明的实施例的包括四个同轴多转子系统的升降系统，每个同轴多转子系统包括多个同轴转子；
图6为根据本发明的实施例的同轴多转子系统的示意性截面；
图7A到图7C是根据本发明的实施例的分别以俯视图、第一截面图和第二截面图示出的同轴多转子系统的示意图；
图8A到图8D示意性地呈现了根据本发明的实施例的使用电动机为多转子系统供电的各种机械布置；
图9A和图9B分别是根据本发明的实施例的多转子系统的截面的等轴视图和正视图的示意性截面；以及
图9C是根据本发明的实施例的图9B中的某些细节的放大视图。
将认识到，为了说明简化和清楚起见，图中所示的元件不一定是按比例绘制。例如，一些元件的尺寸可能为了清楚而相对于其它元件夸大。此外，在认为合适的地方，附图标记可以在附图中重复以指示对应或类似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，众所周知的方法、程序和部件未被详细描述以免混淆本发明。
根据本发明的实施例，两个或更多个同心转子或螺旋桨可以被组装，以围绕共同轴线基本上在共同的平面中操作，以均在相同方向上提供推力。参考图2A和图2B，分别示意性地描绘了根据本发明的实施例的同轴多转子系统和这种系统的转子叶片速度的曲线图。同轴多转子系统200可以包括布置成围绕共同轴线210旋转的多个转子202、204、206和208。各个转子被组装成以如下方式基本上在共同平面内操作；穿过多转子系统的流将不会穿过多于一个转子且转子之间的间隙将是最小的，例如，每个转子的叶片的外半径被设计为仅略短于具有较长半径的相邻转子的叶片的内半径。例如，转子204的外半径R2可以被设计成略短于转子202的内半径(未标号)。这样，由位于最长半径Rl与最内侧半径R5之间的多个转子提供对系统200的转盘的基本上连续的覆盖。多个转子可以按不同的角速度旋转。根据本发明的实施例，每个转子的角速度可以是将使相应的转子叶片尖端以切向速度VTANG MAX旋转的速度，该切向速度速度可以是转子系统的操作曲线的最大实际切向速度，例如声速的0.85。如图2B的曲线图所示，当转子202、204等中的每一个被设定为VTANG MAX时，转子的叶片的内端的切向速度VTANG INNER(i)是不同的，且较慢，这是因为半径Ri(l<i<5)较短。显而易见的是，根据本发明的实施例，系统200的转子的特定转速可以以其他方式设定，例如以便引起转子的叶片尖端切向速度在转子之间变化，如转子的功能性可以指示的。
转子202、204等中每一个的叶片的长度可以被设计成实现期望的总体结果。例如，转子叶片的长度对于系统200的所有转子可以是相同的，例如以提供较低的叶片生产成本。根据其它实施例，每个转子的叶片的特定长度可以被设计成实现来自转子系统200的最佳空气动力学效率。与单转子系统(其中转子的大部分区域在空气动力学上是低效的，如图1A到1C所示)相反，转子系统200表现出由转子占据的区域的更高利用率。例如，如果在系统200中R5＝0.2R1，则转子区域效率比REs将是：
l-(0.2)2＝0.96
现参考图3，其示意性地呈现了根据本发明的实施例的同轴多转子系统300的截面，仅示出了关于对称线300A对称的截面的左侧。转子302、304、306、308和310可基本上布置在垂直于与线300A重合的旋转轴线的共同平面中。转子的叶片中的每个可围绕叶片的外端分别布置转子端环302A到310A，其可以提供结构支撑以及空气动力学空气引导装置，以最小化转子的叶片端部湍流且提供来自系统300的特定转子的改进的层流。提供定子流动引导，定子结构302B到310B也可以通过减少湍流和其它噪声产生源(例如减少不同速度和/或不同压力的空气流相互接触的区域)来降低由多转子系统产生的噪声。
现参考图4，其示意性地呈现了根据本发明的实施例的同轴多转子系统400。转子系统400包括三个同轴转子402、404和406，每个同轴转子布置在限定的平面中，所限定的平面垂直于转子的旋转轴线。驱动轴410A、410B和410C分别机械地附接到转子402、404和406，且布置在彼此内部。轴是管410C，除了最内部的管之外，其可选地可以是实心杆。每个轴在一侧附接到转子，且在另一侧附接到电机或发电机。
如上所讨论的，由转子或螺旋桨的旋转引起的噪声主要归因于具有不同的空气流速的相邻/邻近气流引起的空气剪切。因此，在多转子系统(例如系统300和系统400)中，获得给定的总推力，使得相邻气流的空速差异与提供相同推力的单个转子/螺旋桨相比较低，并因此，由此引起的噪声较低。
根据本发明的实施例，且如上所述，由于转子转盘总体区域的改进利用，为了转子所需的给定性能(其中性能由可由转子提供的升力表示)，可以使用具有明显小于具有类似性能的单个转子的转子系统的外半径的转子系统。这提供了进一步的益处，例如由于对控制命令的较快响应(较低惯性)以及由于更好的靠近障碍物操作的能力而改进的操纵能力；以及操作益处，例如由其它运载工具改进相应飞行器的移动可能性。据本发明的一些实施例，升力提供系统可包括两个或更多个同轴多转子系统。参考图5，其示意性地呈现了根据本发明的实施例的包括四个同轴多转子系统502A到502D的升降系统500，每个多转子系统包括多个同轴转子，在图5的实例中为三个。多转子系统502A到502D可以例如围绕升降系统500的中心点500A对称地布置。多个多转子系统502A到502D的外半径502AR与升降系统500的外尺寸A和B(在一些实施例中，A＝B)之间的比率可以被设计成满足特定要求。例如，多转子系统502A到502D可以布置得彼此更靠近，以使用升降系统500提供飞行器的更小的总体尺寸。在其它实施例中，多转子系统502A到502D可以彼此更远离地布置以提供更高的操纵力矩。具有多个多转子系统的升降系统(例如系统500)也可以提供较高的冗余系数，这是所期望的益处，因为每个转子将能够独立工作。
多转子系统(例如系统200或300)可布置在空气引导系统内或配备有空气引导系统，该空气引导系统可包括一个或多个空气管道和/或一个或多个空气引导翼片，其可以是静止的或可移动以提供可变的引导角度。现参考图6，其为根据本发明的实施例的同轴多转子系统600的示意性截面。系统600可包括包括多个同轴转子610的管道602。图6中绘出了三个转子，但是显然可以使用其它数目的同轴转子。多转子系统610布置在管道602内，该管道适于引导流入和流出转子系统610的空气，例如以便改进系统600的空气动力学效率、减少系统600操作期间产生的噪声，等等。多转子系统610可以被构造成提供不平行于轴线的流动(非轴向流动)，且还可以包括沿着系统600的中心线600A的至少一部分布置的芯元件604。芯604可以包括例如旋转驱动装置(电机、变速箱等)、传感器等的设施。根据一些实施例，系统600还可以包括布置成邻近于多转子系统610的空气引导翼片612(在所绘制的实例中来自多转子系统的空气流)。空气引导翼片612可以是静止的，或者可以适于改变其相对于空气流动方向的角度，从而适应性地处理变化的条件，例如通过翼片的空气速度的变化、转子下游的湍流的变化等。流线620指示沿着管道602的从入口朝向其出口的假想线。内部流动引导元件可以布置在管道602内，以诱发或迫使通过管道602的层流改进。这种流动引导装置可以例如沿假想流线或平行于假想流线布置。
现参考图7A到图7C，其为根据本发明的实施例的分别以俯视图、第一截面图和第二截面图示出的同轴多转子系统700的示意图。同轴多转子系统700包括基本上布置在共同平面中的两个同轴转子701和703，其中，内转子703的外半径稍短于外转子701的内半径。转子701包括多个旋转叶片702和定子翼片702A。转子703包括多个旋转叶片704和定子引导翼片704A。由于每个转子的旋转而通过转子叶片702或704引起的气流分别越过相应的引导翼片702A和704A。叶片702和704中的每一个可以结构上分别经由一个或多个结构装置706和706A连接到转子的周向支撑环。在可以控制转子叶片的迎角的本发明的实施例中，支撑装置706和706A可以提供用于改变迎角的结构支撑装置。可能需要改变转子叶片的迎角，以便在改变操作条件时优化转子的性能。在本发明的一些实施例中，每个转子叶片的迎角可以在例如以角度表达的α的范围内。以类似的方式，空气引导翼片702A和704A可以分别在结构上由至少一个支撑装置708和708A支撑。在迎角(或气流引导角)是可控的实施例中，支撑装置708和708A也可以用于改变定子空气引导翼片702A和704A的迎角。在本发明的一些实施例中，每个定子引导翼片的迎角可以在β度的范围内。
作为布置在转子下游的定子的定子702A和704A可以适于拉直从转子出来的螺旋流并使其更加线性，且因此能够从所述流中提取延伸的推力。另外或可替代地，引导翼片(例如翼片702A和/或704A)可以用于偏离流动方向且由此改变推力的方向。
多转子系统中的每个转子或螺旋桨可以通过任何已知的能够提供旋转动力的装置(例如电动机或电机、内燃机和对应的齿轮箱、涡轮喷气发动机和对应的齿轮箱等)来供电或旋转。当静音操作是必不可少的时，将选择电动机，前提是电源组(电源和电动机)的性能将足够。电源组的充足性可以通过使用此电源组的装置的自重与总操作重量的比率和/或电源组在连续再充电循环之间的服务时间等来加以评估。
由于电源组的总操作重量与自重之间的高比例本质上是重要的，因此可以使用哈巴克阵列电动机(Halbach-Array Electrical Motor，HAEM)布置来获得较高功率和较小的自重。现参考图8A到图8D，其示意性地呈现出根据本发明的实施例的使用电动机(例如HAEM布置)为多转子系统供电的各种机械布置800A到800D。对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以使用其它供电布置来为类似或相同的转子组件供电。用于向同轴的不同转子组件提供旋转驱动的各种供电解决方案例如被设计为使得电力将被独立地提供给每个转子以提供最大的冗余度且使得提供给一个转子的电力对所述转子和其它转子的操作引起的干扰最小(例如干涉进出转子的空气流等)。每个供电单元均被设计成提供所需的功率、所需的转速、所需的扭矩以及这些参数所需的可控性。
现参考图8A，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的以示意性半对称截面示出的多转子系统800A。系统800A包括用于向共同轴线不同转子长度的转子系统810A中的每一个提供电力的供电系统820A。多转子系统800A可以包括两个或更多个共同轴线不同转子长度的转子810A1、810A2和810A3，其被布置成沿通过它们的空气流动方向向下一个在另一个之下，可围绕共同轴线802A在空气管道804A内旋转。第一转子810A1可以由轴840A1悬挂，该轴可以是最内部轴。轴840A1可以由电机820A1驱动，该电机可以定位在共同轴线802A附近，且如下文所述的那样定位在电机820A2和820A3的下部。第二转子810A2可以通过悬挂组件812A1悬挂到第二驱动轴840A2。悬挂组件812A1可以形成为用于来自第一转子810A1的空气流的定子，或者可以形成为具有最小阻力且将第二转子810A2连接到其相应的驱动轴840A2的简单悬架。轴840A2可形成为在最内部轴840A1外部且围绕该最内部轴旋转。第二驱动轴840A2可以由第二电机820A2驱动，该第二电机可以定位在共同轴线802A附近且在电机820A1的上部和电机820A3的下部。类似地，第三转子810A3可以通过悬挂组件812A2悬挂到第三驱动轴840A3。悬挂组件812A2可以形成为用于来自第一转子810A和第二转子810A2的空气流的定子，或者可以形成为将第三转子810A3连接到其相应的驱动轴840A3的简单悬架。轴840A3可形成为在最内部轴840A2外部且围绕该最内部轴旋转。第三驱动轴840A3可以由第三电机820A3驱动，该第三电机可以定位在共同轴线802A附近和电机820A1、820A2相对于气流方向的上部。如图8A所示，所有三个电机820A1到820A3可以定位在共同轴线802A附近，且可以通过附接到空气管道804A的单个悬挂组件812A3悬挂。根据本发明的实施例，悬挂组件812A3可以形成为定子以调节转子810A1到810A3下游的气流。根据本发明的实施例，两个或全部三个电机820A1到820A3可以是相同的，由此提供更便宜且更简单的驱动解决方案。此外，图8A的驱动解决方案使得能够使用小直径轴承，其通常更便宜且相对于大直径轴承具有更长的使用寿命。图8A的电机结构允许电机和轴的更简单的密封，以保护免受例如灰尘和湿气的影响。
在一些实施例中，可以布置多于一个的管道。例如，对于转子810A1和/或转子810A2和/或转子810A3，可以提供单独的管道(图8A中未示出)，从而可以改进转子810A1、810A2和810A3下游的气流的调节。在另外的实施例中，每个这样的管道的截面面积可以沿着轴向方向改变，例如，每个管道的截面面积可以在流动的下游减小，或者在另一个实施例中，其可以增大，如特定预期用途可能所指示。
现参考图8B，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的以示意性半对称截面示出的多转子系统800B。系统800B包括向共同轴线不同转子长度的转子系统810B中的每个转子提供电力的供电系统820B。多转子系统800B可包括两个或更多个共同轴线不同转子长度的转子810B1、810B2和810B3，其基本上布置在与通过它们的空气流动方向垂直的共同平面中，且可围绕共同假想轴线802B在空气管道804B内旋转。第一且最内部的转子810B1可以由安装在空气管道804B的内部部分中的第一轴承830B1悬挂。转子810B1可以直接由电机820B1驱动，该电机可以是例如围绕第一转子810I的外周界布置的哈尔巴赫(Halbach)型电动机。通常含有电线圈的第一电机820B1的定子部分可以通过悬挂桥812B悬挂，该悬挂桥也可以悬挂位于第一电机820B1的外周界处的第二轴承830B2。第二转子810B2可以由第二轴承830B2悬挂，且可以由第二电机820B2驱动。第二电机820B2也可以是例如无刷电机，例如围绕第二转子810B2的外周界布置的哈尔巴赫型电动机。第二电机820B2的定子部分可以通过悬挂桥812B悬挂，悬挂桥812B也可以悬挂位于第二电机820B1的外周界处的第三轴承830B3。第三转子810B3可以由第三轴承830B3悬挂，且可以由第三电机820B3驱动。第三电机820B3也可以是例如围绕第三转子810B3的外周界设置的哈尔巴赫型电动机。第三电机820B3的定子部分可以由空气管道804B的外部部分悬挂。根据图8B所描绘的实施例，每个转子的轴承位于所述转子的较小维度处，而相应的电机位于所述转子的外周界处，因此能够为其转子提供更高的驱动力矩。此外，需要单个且因此更简单的悬挂布置，其中，电机对气流的中断最少，且如果需要的话，在转子下游(未示出)留下用于设置定子的大空间。图8B的布置另外提供了转子、电机和轴承的紧凑定位，因此允许安装在小的可用空间中。
现参考图8C，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的以示意性半对称截面示出的多转子系统800C。系统800C包括用于向共同轴线不同转子长度的转子系统810C中的每一个转子提供电力的供电系统820C。多转子系统800C可包括两个或更多个共同轴线不同转子长度的转子810C1、810C2和810C3，其基本上布置在与通过它们的空气流动方向垂直的共同平面中，且可围绕共同假想轴线802C在空气管道804C内旋转。第一且最内部的转子810C1可以由可安装在空气管道804C的内部部分中的第一轴承830C1悬挂。转子810C1可以直接由电机820C1驱动，该电机可以是例如旋转部分围绕第一转子810C1的外周界设置的哈尔巴赫型电动机。第一电机820C1的定子部分由悬挂桥812C悬挂。悬挂桥812C可以在包括两个或更多个径向元件的空气管道804C的内部部分与外部部分之间延伸。第二轴承830C2可以围绕第一转子810C1的外周界而布置。第二转子810C2可以由第二轴承830C2悬挂，且可以由第二电机820C2驱动。第二电机820C2也可以是例如旋转部分可以布置在第一转子810C2的外周界附近的哈尔巴赫型电动机。第二电机820C2的定子部分可以由悬挂桥812C悬挂。第三转子810C3可以由第三轴承830C3悬挂，且可以由第三电机820C3驱动。第三轴承830C3的内部部分可以围绕第二转子810C2的外周界而布置。第三电机820C3也可以是例如旋转部分布置在第三转子810C3的外周界附近的哈尔巴赫型电动机。第三电机820C3的定子部分可以由空气管道804C的外部部分悬挂。根据图8C所描绘的实施例，每个转子的轴承位于所述转子的较小可能维度处，而相应的电机位于所述转子的外周界处，因此能够为其转子提供更高的驱动力矩。此外，需要单个且因此更简单的悬挂布置，其中，电机对气流的中断最少，且如果需要的话，在转子下游(未示出)留下用于设置定子的大空间。图8C的布置另外提供了转子、电机和轴承的紧凑定位，因此允许安装在小的可用空间中。此外，由于轴承830C2与830C3分别在转子810C和810C2的外周界上安装在其内环处，因此这些轴承中的每一个的内环与外环的转速之间的实际差异仅是各对转子810C1-810C2和810C2-810C3的转速差异且由此受到减少磨损且增长寿命。
现参考图8D，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的以示意性半对称截面示出的多转子系统800D。系统800D包括用于向共同轴线不同转子长度的转子系统810D中的每一个转子提供电力的供电系统820D。多转子系统800D可包括两个或更多个共同轴线不同转子长度的转子810D1、810D2和810D3，其基本上布置在与通过它们的空气流动方向垂直的共同平面中，且可围绕共同假想轴线802D在空气管道804C内旋转。共同轴线不同转子长度的转子系统810D可布置在空气管道804D内。第一且最内部的转子810D1可以经由轴承830D1直接由空气管道804D的内部部分悬挂。第二转子810D2可以经由两个或更多个悬臂815D2悬挂到轴承830D2上，且轴承830D2可以类似地且邻近于轴承830D1而布置在空气管道804D的内部部分上。第三转子810D3可以经由两个或更多个悬臂815D3悬挂到轴承830D3上，且轴承830D3可以类似地且邻近于轴承830D1而布置在空气管道804D的内部部分上。第一转子810D1可以由电机820D1直接驱动，该电机例如可以是哈尔巴赫型电动机，其内部旋转部分可以布置在第一转子810D1的外周界附近。电机820D1的外部旋转部分可以布置在第二转子810D2的内周界上。第二转子810D2可以由电机820D2直接驱动，该电机例如可以是哈尔巴赫型电动机，其内部旋转部分可以布置在第二转子810D2的外周界附近。电机820D2的外部旋转部分可以布置在第三转子810D3的内周界上。第三转子810D3可以由电机820D3直接驱动，该电机例如可以是哈尔巴赫型电动机，其内部旋转部分可以布置在第三转子810D3的外周界附近。电机820D3的外部部分可以布置在空气管道804D的外部部分的内表面上。根据图8D所示的实施例，所有转子的轴承都位于中心旋转轴线附近，因此使得能够使用具有小直径的轴承，这进而具有技术优势(易于安装、保护和密封以及减少磨损)以及商业优势(降低成本)。至少一些旋转元件(例如转子)和悬臂可以由例如碳增强聚醚醚酮(PEEK)或基于环氧树脂的复合材料的轻质且强复合材料制成。这些非金属材料还具有不会对电动机的磁场造成干扰的益处。
根据本发明的实施例，当由多转子系统产生的低噪声很重要时，可以使用电动机，如上面关于图8A到图8D所示的实施例所述。此外，定子和其它空气引导装置可用于平滑去往和来自转子的气流并使湍流和其它气流引起的噪声最小化。在其它实施例中，可以使用其它驱动装置，例如内燃机、涡轮风扇喷气发动机等。可以进行驱动装置的选择以满足多转子系统的特定要求。例如，涡轮风扇喷气发动机驱动装置可以提供与时间/服务范围比例、与相对较高的噪声比例组合的推力与重量比例的改进组合，而电动机可以提供具有较低推力与净服务重量比例和较低的时间和范围服务比例的静音驱动装置。
根据本发明的一些实施例，多转子系统可以包括布置在多于一个平面或层中的多个同心转子。参考图9A和图9B，其分别是根据本发明的实施例的多转子系统900的截面的等轴视图和正视图的示意性截面。多转子多层系统900包括围绕共同旋转轴线900A布置的至少两个彼此轴向布置的同心多转子单元(CMRU)：下部CMRU902和上部CMRU904。CMRU902和904中的每一个都包括相对于彼此径向布置的多个基本上共面且同轴的转子，在图9A和图9B的实例中为三个：下部CMRU中的转子902A到902C和上部CMRU中的转子904A到904C。在每个转子的叶片的外边缘与在其外部的转子的叶片的内边缘之间可以布置有管道，例如分别在转子902A/902B和转子904A/904B之间的管道903A等。管道903A到903C可以在结构上由径向结构支撑件905支撑。转子902A到902C和904A到904C可以经由周向轴承可枢转地连接到多转子系统900的结构，且可以由例如哈尔巴赫阵列电动机(HAEM)的电动机驱动旋转，如上文详细解释的那样。每个转子可以通过不同的电机旋转。每个电机的每个定子可以附接到非旋转结构，例如管道或轮毂901。因此，管道可以在其内表面上为HAEM的定子提供支撑，且在其外表面上为轴承提供支撑，如上所述，例如关于图9B中标记为950的管道903B的区域。
参考图9C，其示意性地示出了根据本发明的实施例的图9B的细节950的放大图。在管道903B的右侧(即内侧)，HAEM的定子可以布置在区域942中，以用于为转子902B上的一组旋转磁体供电，并且HAEM的定子可以布置在区域944中，以用于为转子904B上的一组旋转磁体组供电。在管道903B的左侧(即外侧)，轴承的第一(内部)部分可布置在区域932中，以用于为转子902C提供枢转支撑，且轴承的第一(内部)部分可布置在区域934中，以用于为转子904C提供枢转支撑。
根据一些实施例，每个平面中的每个转子的旋转方向可以交替地为CW和CCW，如图9A中的箭头所示。此外，成对的下部转子和上部转子的旋转方向可以彼此相反，以用于使系统的效率最大化。
与具有相同转子区域的单个转子相比，发现关于图9A到图9C所描述的布置从转子的给定区域提供了高得多的空气动力学推力。
每个转子的内半径和外半径的选择可以基于由以下中的一个或多个引出的计算来完成：对每个转子提供的基本相同的电力、对于所有转子的共同区域、从转子接收的相同推力以及为每个转子提供的基本相同的驱动力矩。
根据本发明的实施例，可以利用用于每个转子的单独的旋转动力源/驱动装置和用于每个转子的单独的动力控制装置来实现改进的冗余。可替代地，一个控制单元和一个驱动装置可用于驱动运载工具中的每个多转子系统中的单个转子。
根据本发明的实施例，可以为多转子系统设置并布置多个传感器。这些传感器可以适于提供以下参数中的一个或多个的指示：转子的转速、提供给转子的力矩、由每个转子产生的推力、电机温度、进入每个电机的电功率、经由转子的空气流速、在至少一个维度(且优选三个线性维度和三个旋转维度)中的转子系统振动(幅度和频率)和噪声传感器。这些物理参数可以被测量或以其它方式被取样或呈现给控制单元或由用户通过任何已知的手段或方法观察。例如，可以使用依赖于反EMF现象的测量装置来测量转子的转速和旋转方向。提供给转子的力矩可以例如通过测量用于提供此力矩的轴的轴向扭矩的大小来测量。这种传感器的部署可以是最大的，即用于测量或反映每个多转子系统中的每个转子的所有可测量参数的传感器，或者可以小于此传感器，如可以由计划使用所指示的那样。
噪声传感器可以用于评估机械力矩到空气推力转换状态的空气动力学有限效率。众所周知，源于流动紊流的噪声尤其表示投入以导致流体(例如空气)中的湍流的能量。形成湍流表示投入非层流的能量，这是用于在流体环境中产生的推力的起源。因此，表示流动湍流的噪声的减少预期会增大机械力矩到空气推力转换效率比例。为了减少流动噪声，可以控制下列变量中的一个或多个：转子转速、转子叶片迎角、定子翼片迎角、流(例如空气)管道的形状，以防其可能在喷气发动机的空气入口中(例如，半锥形“鼠区”)被控制，例如在法国幻影型飞机的各种型号中，其用于通过使空气流朝向发动机的压缩机级移动或在进气段内离开它们来控制进入喷气发动机的空气流。
如图8A到图8D和图9A到图9B的示例性实施例所示，多转子系统中的转子安装、悬挂、由轴承支撑并最终通过旋转动力源旋转的各种配置是可能的。转子的所有轴承直接布置在具有相对小半径的中心轴上的实施例在轴承悬挂组件简单且相对便宜但仍需要用于外转子的悬挂解决方案(其提供了总体重量和惯性矩以及对多转子总体气流的预期干扰的不期望的增大)的意义上是有益的。
布置成直接驱动转子的相应外周的电动机具有能够用更小的电机(例如哈尔巴赫型电机)提供更高旋转力矩的益处，然而，这种驱动解决方案可能导致周向电机的机械安装的复杂化，其通常对工作条件(例如电机的磁气隙的精度)的变化非常敏感，其在这种布置中可能会受到转子振动的影响。哈尔巴赫型电机可以布置成使得磁体阵列布置在旋转转子上，且电绕组可以布置在多转子静态结构上。根据本发明的实施例，电机气隙可以是径向的或轴向的，以适配具体的需要和设计。用于驱动多转子系统中的转子的电动机，无论是哈尔巴赫型电动机还是任何其它类型的电动机，都可以配备有使用绞合线执行的电绕组，以便增大电效率并且减少向电机提供电力所需的铜(或其它导电材料)的总重量。此外，为了使得能够在扩大的所提供动力范围内操作电动机，可以通过以下方法中的一个或多个来冷却电动机：使液氮在电机绕组之间和/或围绕磁体流动；以及使过滤后的冷却流体在绕组之间和/或围绕磁体流动。当使用哈尔巴赫型电动机时或当对污染物(例如灰尘或雪等)渗透到电机气隙中具有高敏感度的任何其它电机时，可以使用用于防止这种渗透的装置，例如增强的机械保护密封或使用用于在积聚的情况下或积聚时除去这些污染物的刮动器。此外，为了使转子轴承处的机械摩擦最小化，可以用磁性轴承代替普通的机械轴承。
可用于根据本发明实施例的多转子系统的电动机可以是各种类型，如可以由转子系统的所选配置所指示的。作为提供最大机械力矩的一般规则，这种电动机可以使用或可以包括用于减少低效率的解决方案，例如，使用由非常低内部电阻材料制成的高导电率导管(超导体)减少电机的电导管、在超冷环境中操作等。本领域技术人员将显而易见的是，对多转子系统施加的一组某些设计约束和要求通常会损害考虑并满足各种设计要求的总体解决方案，这是因为通常没有任何要求得到完全解答，但总体性能预期相对于一组要求是最佳的。
根据本发明的实施例，由多转子系统产生的推力可以设计成使得一些转子在一个方向上(例如，顺时针)旋转，并且一些转子在另一方向上(例如，逆时针)旋转，因此可简单地通过控制由转子在一个方向上转动产生的总推力和由转子在另一转动方向上的转动产生的总推力来将作用在运载工具主体上的总旋转力矩减小到最小或甚至为零。当例如一个或多个多转子系统中的一个或多个转子未能适当地操作(例如，发生故障或其驱动器损坏)时，单独地控制多转子系统中的每个转子的旋转方向和由转子提供的推力(例如，通过改变其迎角)的能力可能是有用的。在这种情况下，可以将故障转子与其驱动器断开连接，并通过重新平衡旋转方向与每个其余转子的所获得的推力来补偿其缺失。
根据本发明的实施例，可以减小由多转子系统产生的推力，以便降低由多转子系统产生的噪声，例如以便降低在市区中的此噪声的不期望的影响。可以通过以下一个或多个方式来实现推力的减小：减小一个或多个转子的转速、天界转子的迎角以降低所产生的噪声、调节定子的角度，等。
根据本发明的实施例，本发明的多转子系统在用于提供水平推力时可被操纵以提供反向推力，例如以用于停止向前运动或用于提供相对于前向参考运动的反向运动。
根据本发明的实施例，本发明的一个或多个多转子系统可以用在能够在陆地上、海/水池上和/或空中或在这些环境的任何组合中移动的运载工具中。本发明的多转子系统也可用于有人驾驶或无人驾驶的运载工具。
根据本发明的实施例，本发明的多转子系统可以用于使流体(例如，空气、气体和/或液体，以及其中包括固体颗粒的这种流体)流动，例如风扇、鼓风机或泵。
根据本发明的实施例，本发明的多转子系统中的转子可围绕共同轴线布置，以在共同轴向方向上提供推力，且转子可布置成相对于彼此轴向地移位。
根据本发明的实施例，多转子系统可以通过电动机旋转，该电动机经由转子的外半径或经由转子的内半径接合其相应的转子。经由其外半径接合转子的电动机可以以较少电流提供较高力矩。
根据本发明的实施例，可以从以下电源中的一个或多个提供用于为电动机供能的电力：电池；燃料电池单元；为发电机、太阳能电池和核反应堆供能的燃料。
虽然本文已经说明和描述了本发明的某些特征，但本领域普通技术人员现将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (13)

1.一种用于提供空气推力的多转子系统，包括：
至少一个多转子组件，包括：
至少两个转子，能围绕共同轴线旋转；
其中，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径。
2.根据权利要求1所述的多转子系统，还包括驱动装置，所述驱动装置适于使每个转子以独立于其它转子的转速的转速旋转。
3.根据权利要求1所述的多转子系统，其中，至少两个转子布置在共同平面中且能在共同平面中旋转。
4.根据权利要求1所述的多转子系统，还包括管道，所述管道布置成紧密地围绕最外转子的外半径，并且所述管道被定向为使所述管道的空气流动方向与所述多转子系统的所述共同轴线同轴。
5.根据权利要求4所述的多转子系统，还包括至少一个额外空气管道，所述额外空气管道布置成紧密地围绕另一个转子的外半径。
6.根据权利要求1所述的多转子系统，其中，每个转子包括围绕所述共同轴线均匀地间隔开的两个或更多个转子叶片。
7.根据权利要求1所述的多转子系统，还包括：
至少一个定子，布置成邻近于至少一个转子并且适于调节通过该转子的气流。
8.一种适于执行垂直起降(VTOL)的空中运载工具，包括
至少两个多转子系统，布置成围绕所述运载工具的重心基本上对称，每个所述多转子系统包括：
至少两个转子，能围绕共同轴线旋转，其中，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径；以及
驱动装置，适于使每个转子以独立于其它转子的转速的转速旋转。
9.根据权利要求8所述的空中VTOL运载工具，适于在起降操纵时提供垂直推力。
10.根据权利要求9所述的空中VTOL运载工具，还适于在飞行操纵时提供水平推力。
11.一种适于执行垂直起降(VTOL)的空中运载工具，包括：
至少一个多转子系统，所述多转子系统基本上定中心在所述运载工具的重心上方，每个所述多转子系统包括：
至少两个转子，能围绕共同轴线旋转；
第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径；
驱动装置，适于使每个转子以独立于其它转子的转速的转速旋转。
12.一种适于执行垂直起降(VTOL)的空中运载工具，包括：
基本上定中心在所述运载工具的重心上方并且定向成提供垂直升力的至少一个多转子系统，每个该多转子系统包括：
至少两个转子，能围绕共同轴线旋转，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径；及
驱动装置，适于使每个转子以独立于其它转子的转速的转速旋转；
以及
基本上定中心在所述运载工具的纵向中心线上方且定向成提供水平推力的至少一个多转子系统，每个该多转子系统包括：
基本上定中心在所述运载工具的重心上方且定向成提供垂直升力的至少一个多转子系统，每个该多转子系统包括：
至少两个转子，能围绕共同轴线旋转，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径；及
驱动装置，适于使每个转子以独立于其它转子的转速的转速旋转。
13.一种用于提供空气推力的多转子系统，包括：
至少两个多转子组件，相对于彼此轴向地布置，每个所述多转子组件包括：
至少两个转子，能围绕共同轴线旋转；
其中，第一转子的外半径基本上等于第二转子的内半径，并且
其中，所述转子均由电动机供电。
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