CN108791906B - 一种用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，涉及多旋翼飞行器技术领域，包括机身、机身上部的电机装置和机身下部的涡轮发动机装置，以及机身侧壁的电池装置和电调，且电机装置与电调之间、电调与电池装置之间均通过导线连接。本发明采用能量密度高的燃油，借鉴涡轮喷气发动机的结构构造，又充分发挥电池能量传递过程中响应迅速的特点，解决了单纯电池供电的能量不足的问题，消除了电机转动时引起的机身震动，克服了内燃机能量转化过程中反应迟钝的缺陷，解决了现有多旋翼飞行器的动力系统中能量供应与精准调速之间的矛盾，使多旋翼飞行器向大型化发展成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及多旋翼飞行器技术领域，具体涉及一种用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统。
背景技术
多旋翼飞行器(如直升机和无人机)是一种具有三个及以上旋翼的飞行器。其中多旋翼无人机包括机身、动力系统和控制系统，其通过动力系统中的电动机或发动机的转动带动机身上多个旋翼的旋转，旋翼在旋转过程中产生强大的气流从而产生克服自重的升力和向前运动的推进力，通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变升力和推进力的大小，进而控制飞行器的运行轨迹。多旋翼无人机的控制系统采用无线电遥控，即在无操作者驾驶的情况下仍然可自主垂直起降和悬停，适用于完成低空、低速、有垂直起降和悬停等要求的任务。近些年，多旋翼飞行器的发展攻破了诸多技术难题，取得了重要进展，但是目前多旋翼飞行器的发展却因受限于动力系统而进入了瓶颈期。
目前的多旋翼无人机体重轻，体积小，通常自重不会超过20千克，这种的小型多旋翼无人机都采用电池、无刷直流电机和电调作为动力系统，通过电池和无刷直流电机将电能转化为机械能，并通过电调调节和控制电机的转速，以实现多旋翼飞行器的精准调速。然而，由于目前的电池的续航时间短，且多旋翼飞行器的电力损耗量大，致使多旋翼飞行器在实际执行任务时，为了保证多旋翼飞行器的电池足够的动力供应，通常需要携带笨重的电池，过重的电池又增加了多旋翼飞行器的自重，进一步限制了多旋翼飞行器飞行时需要克服自重的升力的提高，因此降低了电池型的多旋翼飞行器向大体积、重型化等大型化发展的可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，用以解决现有能精准调速的多旋翼飞行器不能够大型化的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为，提供一种用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统包括机身、涡轮发动机装置、电机装置、电池装置和电调，所述机身为上端和下端均开口的中空圆柱体，所述电机装置和所述涡轮发动机装置分别设置于所述机身内的上部和下部，所述电池装置和所述电调均设置于所述机身的外侧壁上，且所述电机装置与所述电调之间、所述电调与所述电池装置之间均通过导线连接；其中，所述涡轮发动机装置用于产生稳定的气流；所述电机装置用于将稳定气流的内能转化为机械能，并作为动力输出端，用于带动大型多旋翼飞行器的旋翼转动；同时所述电机装置还为所述电池装置充电或接收所述电池装置的供电；所述电调用于调节所述电机装置的转速；所述电池装置用于当所述电机装置的转速需要改变时，及时地为所述电机装置供电而加快所述电机装置的转速，或及时地被所述电机装置充电而减慢所述电机装置的转速。
进一步地，所述涡轮发动机装置包括电机轴套、压气机和燃烧室，所述电机轴套纵向穿设于所述机身的中部，所述压气机和所述涡轮发动机涡轮分别固定于所述电机轴套的顶端和底端，所述燃烧室设置于所述电机轴套和所述机身之间的中部。
进一步地，所述电机装置包括电机轴、调速涡轮、转子端盖和线圈绕组，所述线圈绕组固定于所述机身的上端；所述电机轴套为一中空管，所述电机轴自上而下依次同心穿过所述线圈绕组和所述电机轴套并露出所述电机轴的顶端和底端，所述电机轴与所述电机轴套之间通过轴承连接；所述调速涡轮固定于所述电机轴的底端，且位于所述涡轮发动机涡轮的下方；所述转子端盖盖合于所述机身的顶端端口且所述转子端盖与所述电机轴固定连接。
进一步地，所述转子端盖侧壁的内侧固定有多个磁片，所述磁片为永磁体片，多个所述磁片间隔固定于所述转子端盖侧壁上。
进一步地，所述转子端盖的端面上开设有便于所述压气机进气的进气通道。
进一步地，所述电机装置还包括电机定子，所述电机定子固定于所述机身的顶端且位于所述压气机的上方，所述线圈绕组固定于所述电机定子上。
进一步地，所述电池装置包括电池和电池充电放电控制器，所述电池为充电电池，所述线圈绕组与所述电调之间、所述电调与所述电池充电放电控制器之间、所述电池充电放电控制器和所述电池之间均通过导线连接。
进一步地，所述机身的侧壁上设置有电池箱，所述电池和所述电池充电放电控制器均设置于电池箱内。
优选地，所述电池为电容型电池或锂离子充电电池。
进一步地，所述转子端盖的端面上间隔开设有多个用于与大型多旋翼飞行器的旋翼轴连接的螺栓孔，或所述电机轴的顶端固定有用于与大型多旋翼飞行器的旋翼轴连接的动力输出轴。
本发明具有如下优点：
(一)本发明公开的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，首先，较之目前的能精准调速的多旋翼飞行器受限于电池重量而不能大型化，本发明采用能量密度高的燃油作为燃料，通过由涡轮发动机将燃油的内能转化为电机装置的机械能并用于带动旋翼的转动，解决了单纯电池供电的能量不足的问题，使多旋翼飞行器中的动力系统的能量供应可以得到保证。其次，较之目前的能够实现移动设备(如汽车、摩托车)大型化而不能精准调速的动力装置——内燃机，本发明借鉴了民航和军用战斗机中广泛应用的涡轮喷气发动机的结构构造，消除了电机转动时引起的机身震动，从而保证了旋翼轴转动的平稳。最后，在涡轮发动机的基础上，结合目前现有的直流无刷电机的结构形式，本发明充分发挥了电池能量传递过程中响应迅速的特点，通过设置电池装置，进一步将机械能转化为电能并于充电电池储存，电池装置及时地为电机装置供电而瞬间加快电机转速，或电机装置及时为电池装置充电而瞬间减慢电机转速，克服了内燃机在能量转化过程中的响应速率慢、反应迟钝的缺陷，从而实现了旋翼轴的转动调节的及时性和转速调节的精准性。综上所述，本发明解决了现有多旋翼飞行器的动力系统中能量供应与精准调速之间的矛盾，即现有能精准调速的多旋翼飞行器不能够大型化或能大型化的动力设备(如内燃机)却不能精准调速的问题，使多旋翼飞行器向大体积、重型化等大型化发展成为可能。
(二)本发明将电机轴同心穿套于电机轴套内且两者之间通过轴承连接，电机轴的转动同时带动转子端盖的转动，进而带动磁片组围绕线圈绕组做相对转动，并且电机轴套上固定有涡轮发动机涡轮，电机轴上固定有调速涡轮，涡轮发动机涡轮与调速涡轮均通过气流推动而转动，使电机轴的转动和电机轴套的转动彼此分开，相互独立，互不影响。这种电机与发动机采用轴向同心运动和喷气反冲气流的结构构造克服了内燃机震动量大的缺陷，正常运作时，涡轮发动机涡轮用于使电机轴套的转速稳定在6万转以上，而调速涡轮的转速需要随旋翼轴的转速的变化而变化，设置涡轮发动机涡轮和调速涡轮这两个涡轮可以保证涡轮发动机的涡轮处于高速旋转状态的同时且调速涡轮的转速会随旋翼轴的转速的变化而变化，进一步提高旋翼轴转速控制的精准度。
(三)本发明采用现有的直流无刷电机的结构形式，将固定有磁片组的转子端盖盖合于机身的上端口，线圈绕组缠绕于电机定子上，电机定子与机身固定连接，该转子端盖不仅是电机装置的转子，而且还可以作为整个动力系统的动力输出点，直接将电机的机械能传递至旋翼的机械能。如此，不仅可以实现机械能转化为电能，还提高了电机的机械能向旋翼的机械能的能量转化效率。
附图说明
图1为实施例1提供的动力装置的整体结构图。
图2为实施例1提供的动力装置的内部结构示意图。
图3为实施例1提供的动力装置在图2状态下的俯视图。
图4为图3中A-A向的剖视图。
图5为实施例1提供的动力装置的透视图。
图6为动力装置在图5状态下的的左视图。
图7为实施例1提供的动力装置的能量转化的示意图
图8为实施例2提供的动力装置的整体结构图。
附图标记：100-机身，1-涡轮发动机装置，2-电机装置，3-电池装置，4-电调；10-电机轴套，11-压气机，12-燃烧室，13-涡轮发动机涡轮；20-电机轴，21-调速涡轮，22-转子端盖，23-磁片，24-电机定子，25-线圈绕组；220-进气通道；31-电池，32-电池充电放电控制器；5-动力输出轴。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例1提供一种用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，下面对本实施例1的结构进行详细描述。
参考图1至图6，该用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统包括机身100、涡轮发动机装置1、电机装置2、电池装置3和电调4，机身100为上端和下端均开口的中空圆柱体，电机装置2和涡轮发动机装置1分别设置于机身100内的上部和下部，机身100的外侧壁上设置有电池箱，电池装置3和电调4设置于电池箱内。
进一步地，涡轮发动机装置1包括电机轴套10、压气机11、燃烧室12和涡轮发动机涡轮13。
其中，电机轴套10为一中空管，电机轴套10纵向穿设于机身100内，压气机11和涡轮发动机涡轮13分别同轴固定于电机轴套10顶端和底端的外壁上，燃烧室12设置于电机轴套10和机身100之间的中部。
其中，压气机11用于引入并压缩空气；燃烧室12用于燃油与空气混合后爆燃产生气流；涡轮发动机涡轮13用于稳定燃烧室12产生的气流。
作为一种具体的实施方式，该涡轮发动机装置1的结构类似于现有的涡轮喷气发动机，还包括尾喷管、燃油喷嘴、火花塞和启动电机，该部分为现有技术，具体的结构连接关系参见由清华大学出版社出版、由张铁纯编写的《涡轮喷气发动机飞机结构与系统》。
进一步地，电机装置2包括电机轴20、调速涡轮21、转子端盖22、多个磁片23、电机定子24和线圈绕组25。
其中，电机定子24固定于机身100的顶端且位于压气机11的上方，线圈绕组25采用三相绕组结构，包括多组铜线圈，多组铜线圈采用三相对称星形接法，间隔缠绕并固定于电机定子24上；电机轴20自上而下依次穿过电机定子24和电机轴套10，并露出电机轴20的顶端和底端，其中电机轴20与电机轴套10同心设置并且两者之间通过轴承连接。
为了将稳定气流的内能转化为机械能，调速涡轮21固定于电机轴20的底端，且位于涡轮发动机涡轮13的下方，并与涡轮发动机涡轮13平行。
进一步地，转子端盖22固定于电机轴20的顶端且转子端盖22盖合于机身100的顶端端口。转子端盖22不仅是电机装置2的转子，而且还可以作为整个动力系统的动力输出点，直接将电机装置2的机械能传递至旋翼。
为了便于压气机11进气，转子端盖22的端面开设有进气通道220，进气通道220包括多个扇形孔，多个扇形孔的圆心端均于圆心处固定连接，多个扇形孔的圆弧端间断连接拼接成进气通道220的边缘，该进气通道220的边缘的形状为圆形，两个相邻的扇形孔之间有格栅杆，两个相邻的格栅杆形成扇形孔。
优选地，磁片23为永磁体片，多个磁片23沿转子端盖22侧壁的内缘间隔固定于转子端盖22侧壁的内侧。
为了实现能及时地为电机装置2供电，电池装置3包括电池31和电池充电放电控制器32，电池31为充电电池，可以为电容型电池或锂离子充电电池，电池31和电池充电放电控制器32均设置于电池箱内，线圈绕组25与电调4之间、电调4与电池充电放电控制器32之间、电池充电放电控制器32和电池31之间均通过导线连接。
进一步地，以转子端盖22作为动力输出端，转子端盖22的端面上间隔开设有用于与大型多旋翼飞行器的旋翼轴连接的多个螺栓孔。
下面对本实施例1涉及的动力系统的工作原理进行简要说明。
参考图7，结合图1至图6，本实施例1涉及的动力系统的工作原理为：先由涡轮发动机1将燃油爆燃产生内能；并由内能先后推动电机装置1的电机轴20和转子端盖22同轴转动；转子端盖22作为动力输出端，带动旋翼轴转动，进而使多旋翼转动。另一方面，转子端盖22在转动的同时，带动磁片23围绕线圈绕组25做相对转动，进一步将机械能转化为电能，在电调4的控制下，电能经由电池充电放电控制器32可进一步存储至电池31中。当大型多旋翼飞行器需要瞬间提速时，由于燃油爆燃产生的内能需要经空气在压气机11压缩、燃油在尾喷管传输、空气和燃油的火花塞点火及爆燃等多个步骤，因此燃油爆燃所需时间不足以满足电机装置1的时限要求，这时电池31在电调4的控制下放电，向电机装置1供电，进一步加速电机轴20的转动，进而实现了大型多旋翼飞行器的瞬间提速；反之，当大型多旋翼飞行器需要紧急降速时，电机装置1在电调4的控制下，线圈绕组25产生磁阻并吸收多余的动能使之转化为电能，为电池31充电，进而减缓电机轴20的转动，从而实现了大型多旋翼飞行器的紧急降速。因此，该动力系统能够精准调节旋翼轴的转速，进而使多旋翼飞行器向大体积、重型化等大型化发展成为可能。
实施例2
在实施例1的结构上，本实施例2针对动力输出方式进行了改进，改进结果如下：
参考图8，转子端盖22固定于电机轴20的上端，转子端盖22的端面中部设置有电机轴孔，电机轴20作为动力输出端，电机轴20穿出电机轴孔露出顶端，电机轴20与转子端盖22之间通过轴承连接，电机轴20的顶端固定有用于与大型多旋翼飞行器的旋翼轴连接的动力输出轴5。
实施例3
在实施例1的结构上，本实施例3针对动力输出方式进行了改进，改进结果如下：
转子端盖22上固定有直流无刷电机，直流无刷电机的转轴与大型多旋翼飞行器的旋翼轴连接。其中，线圈绕组25的三相电输出端与交流的转化为直流电的交流电转化器的输入端通过导线连接，交流电转化器的输出端与直流无刷电机的输入端由导线连接。
首先，将线圈绕组25的三相电转化为直流电；然后，将直流电输入至直流无刷电机；最后，由直流无刷电机的转轴带动大型多旋翼飞行器的旋翼轴旋转，实现动力输出。
实施例4
本实施例4提供一种动力系统的动力驱动方法，采用实施例1提供的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，该动力驱动方法包括以下步骤：
步骤1：空气经进气通道220进入到动力系统内，先经压气机11压缩，再进入燃烧室12；
步骤2：燃油通由尾喷管并从燃油喷嘴喷出，进入到燃烧室12；
步骤3：燃油和压缩空气的混合气体在燃烧室12内经点火后，爆燃，并瞬间产生巨大气流向下喷出；
步骤4：重复步骤1至步骤3，燃烧室12内产生持续的巨大气流；
步骤5：持续的巨大气流自上而下依次流经涡轮发动机涡轮13和调速涡轮21，推动涡轮发动机涡轮13和调速涡轮21持续旋转；
步骤6：调速涡轮21的持续旋转带动电机轴20的持续转动，电机轴20的持续转动进一步带动转子端盖22的持续转动；
步骤7：转子端盖22作为动力输出端，带动旋翼轴转动，进而将机械能传递至多个旋翼；转子端盖22在转动的同时，带动磁片23围绕线圈绕组25做相对转动，进一步将机械能转化为电能，在电调4的控制下，电能经由电池充电放电控制器32进一步存储至电池31中。
进一步地，当大型多旋翼飞行器需要瞬间提速时，电池31在电调4的控制下放电，向电机装置1供电，进一步加速电机轴20的转动，进而实现了大型多旋翼飞行器的瞬间提速。
进一步地，当大型多旋翼飞行器需要紧急降速时，电机装置1在电调4的控制下，线圈绕组25产生磁阻并吸收多余的动能使之转化为电能，为电池31充电，进而减缓电机轴20的转动，从而实现了大型多旋翼飞行器的紧急降速。
综上所述，步骤1至步骤7不仅实现了将由涡轮发动机1将燃油的内能转化为电机装置2的机械能并用于带动旋翼的转动，同时还为电池31充电储存了电能。该动力驱动方法还充分发挥电池能量传递过程中响应迅速的特点，电池31及时地为电机装置1供电而加快电机轴20转动的转速或电机装置1及时地为电池31充电而减慢电机轴20转动的转速而减缓电机轴20的转速，从而实现了旋翼轴的转速的精准调节，使多旋翼飞行器向大体积、重型化等大型化发展成为可能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，包括机身(100)、涡轮发动机装置(1)、电机装置(2)、电池装置(3)和电调(4)，
所述机身(100)为上端和下端均开口的中空圆柱体，所述电机装置(2)和所述涡轮发动机装置(1)分别设置于所述机身(100)内的上部和下部，所述电池装置(3)和所述电调(4)均设置于所述机身(100)的外侧壁上，且所述电机装置(2)与所述电调(4)之间、所述电调(4)与所述电池装置(3)之间均通过导线连接；
其中，所述涡轮发动机装置(1)用于产生稳定的气流；所述涡轮发动机装置(1)包括电机轴套(10)、压气机(11)和燃烧室(12)，所述电机轴套(10)纵向穿设于所述机身(100)的中部，所述压气机(11)和所述涡轮发动机涡轮(13)分别固定于所述电机轴套(10)的顶端和底端，所述燃烧室(12)设置于所述电机轴套(10)和所述机身(100)之间的中部；
所述电机装置(2)包括电机轴(20)、调速涡轮(21)、转子端盖(22)和线圈绕组(25)，所述线圈绕组(25)固定于所述机身(100)的上端；所述电机轴套(10)为一中空管，所述电机轴(20)自上而下依次同心穿过所述线圈绕组(25)和所述电机轴套(10)并露出所述电机轴(20)的顶端和底端，所述电机轴(20)与所述电机轴套(10)之间通过轴承连接；所述调速涡轮(21)固定于所述电机轴(20)的底端，且位于所述涡轮发动机涡轮(13)的下方；所述转子端盖(22)盖合于所述机身(100)的顶端端口且所述转子端盖(22)与所述电机轴(20)固定连接；
所述电机装置(2)用于将稳定气流的内能转化为机械能，并作为动力输出端，用于带动大型多旋翼飞行器的旋翼转动；同时所述电机装置(2)还为所述电池装置(3)充电或接收所述电池装置(3)的供电；
所述电调(4)用于调节所述电机装置(2)的转速；
所述电池装置(3)用于当所述电机装置(2)的转速需要改变时，及时地为所述电机装置(2)供电而加快所述电机装置(2)的转速，或及时地被所述电机装置(2)充电而减慢所述电机装置(2)的转速。
2.根据权利要求1所述的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述转子端盖(22)侧壁的内侧固定有多个磁片(23)，所述磁片(23)为永磁体片，多个所述磁片(23)间隔固定于所述转子端盖(22)侧壁上。
3.根据权利要求2所述的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述转子端盖(22)的端面上开设有便于所述压气机(11)进气的进气通道(220)。
4.根据权利要求1所述的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述电机装置(2)还包括电机定子(24)，所述电机定子(24)固定于所述机身(100)的顶端且位于所述压气机(11)的上方，所述线圈绕组(25)固定于所述电机定子(24)上。
5.根据权利要求1所述的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述电池装置(3)包括电池(31)和电池充电放电控制器(32)，所述电池(31)为充电电池，所述线圈绕组(25)与所述电调(4)之间、所述电调(4)与所述电池充电放电控制器(32)之间、所述电池充电放电控制器(32)和所述电池(31)之间均通过导线连接。
6.根据权利要求5所述的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述机身(100)的侧壁上设置有电池箱，所述电池(31)和所述电池充电放电控制器(32)均设置于电池箱内。
7.根据权利要求6所述的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述电池(31)为电容型电池或锂离子充电电池。
8.根据权利要求1所述的用于能精准调速的大型多旋翼飞行器中的动力系统，其特征在于，所述转子端盖(22)的端面上间隔开设有多个用于与大型多旋翼飞行器的旋翼轴连接的螺栓孔，或所述电机轴(20)的顶端固定有用于与大型多旋翼飞行器的旋翼轴连接的动力输出轴(5)。
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