CN108891589A - 一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构，本发明通过两个轴向布置的电机分别带动正反桨旋转产生升力。该电机通过万向节结构连接在基座上，通过两个固定在基座上的,在圆周方向成90°布置的舵机，带动电机定子沿万向节中心倾斜实现矢量驱动。其中基座采用了中空设计。本发明解决了传统共轴双桨飞行器容易打桨的问题，使两个螺旋桨可以更近距离布置，并在此基础上，实现电机轴向两端布置器件并相互连接的问题，该布局可使旋翼位于机身中间位置，提高机动性能；同时具有结构简单紧凑，重量轻，可靠性高的优点；机构采用的大直径电机配合高压电源和大直径螺旋桨可进一步提升飞行器效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种共轴双桨行器，具体涉及一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构。
背景技术
现在国际无人直升机发展方向趋于认同共轴式直升机，它在相同级别的发动机下，有效载荷较单桨直升机更大，更安全，体积相对较小，也便于更小的场地起降，适合更小的地面车辆进行运载。
方便的维护无尾桨结构。由于上下旋翼反向旋转，形成了直升机水平方向的力矩平衡，所以双桨共轴直升机不需要尾桨来平衡直升机水平方向上的力矩。气动特性对称，机动性好。在使用相同发动机的情况下，两副共轴式旋翼的升力比单旋翼/尾桨布局的旋翼升力大12%。共轴式旋翼气动力对称性显然优于单旋翼式，不存在各轴之间互相交连的影响，机动飞行时易于操纵。改变航向时，共轴式直升机很容易保持直升机的飞行高度，这在超低空飞行和飞越障碍物时尤其可贵，对飞行安全有重要意义。外廓尺寸紧凑。没有尾桨，可避免传统直升机发动机15%的尾桨功率损耗，减小周期距控制的负担。共轴双桨的机身短，受侧风影响较小。共轴双桨的振动也由于两副反转的旋翼而较好地对消了，平稳性和悬停性好。共轴双桨在同等升力下，旋翼直径可以较小，直升机总尺寸较紧凑，"占地面积"较小，特别适合海军上舰的需要。
但双桨共轴飞行器也存在固有缺陷，
传统共轴双桨设计结构复杂，生产成本高，固有的打桨风险使结构设计加工难度进一步增加。使得共轴双桨结构在应用上遇到瓶颈，优势难以充分发挥。共轴双桨一般用套筒轴驱动上下两副反转的旋翼，串列双桨的上下旋翼之间的间距小了，上下旋翼有可能打架;间距大了，不光阻力高，对驱动轴的刚度要求也高，机动性能下降。共轴式双旋翼直升机两副旋翼一上一下，平常飞行时不会相碰。但是在某些特殊的情况下，由于非对称升力的缘故，反向旋转的上下旋翼的旋转平面有在一侧"碰撞"的倾向，这进一步增加了对上下旋翼之间间距的要求，并且带来如果向有"碰撞"倾向一侧转弯时，必须比向另一侧转弯要轻柔。
因此设计结构简单，性能可靠，机动性强的共轴双桨飞行器成为亟待解决的问题。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明现提出一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构，以解决原有的共轴双桨结构复杂，生产成本高，打桨及机动性能差的综合问题。
本发明所公开的一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构，其包括：机座1，组合式电机2，万向轴3，反桨4，正桨5，连杆6，舵机7，曲柄8。其中，所述组合式电机2由电机架20和两组轴承21，转子22，定子23组成。所述电机架20通过所述万向轴3与所述机座1连接。所述电机架20通过所述连杆6与所述舵机7上的所述曲柄8连接。所述舵机7连同所述曲柄8、所述连杆6在圆周方向相差90°布置。所述反桨4和所述正桨5分别固定在所述组合式电机2的两个所述转子22上。所述组合式电机2的两组电机可按不同方向转动，带动所述反桨4，所述正桨5朝相反方向转动产生升力。所述舵机7带动所述曲柄8圆周摆动，带动所述组合式电机2倾转，从而实现矢量驱动。
进一步地，所述的机座1采用中空设计。
进一步地，所述的组合式电机2可由两个独立的中空轴电机组合实现
进一步地，所述的组合式电机2可由内燃机提供旋转动力或由内燃机和电机组合提供动力。
优选地，所述的万向轴3旋转中心位于所述组合式电机2轴向中点处。
优选地，所述的万向轴3可通过所述电机架20和所述机座1之间形成的球面副c和止转销轴b的形式，同样达到万向节的效果，从而取消所述的万向轴3。
进一步地，所述反桨4和所述正桨5桨叶的数量可以为不小于2的任意整数。
优选地，所述的电机架20外圆处可伸出若干翅片，在所述反桨4和所述正桨5的作用下实现风冷。
优选地，所述反桨4和所述正桨5为单独桨片分别固定再所述定子23上。
进一步地，所述的反桨4和所述正桨5为可变桨距结构。
进一步地，所述的反桨4和所述正桨5为可折叠结构。
基于本发明的构思，还提供一种矢量共轴双桨飞行器如图4，该飞行器包含上述任一技术方案所公开的动力及控制机构。
与现有技术相比，本发明所提供的一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构，通过舵机驱动连接在万向节上的电机，实现了螺旋桨升力方向的矢量调节，在调节过程中由于螺旋桨始终沿电机轴线向下推动气流，使得螺旋桨叶片总是受到足够的反作用力而维持紧绷的姿态，不存在传统共轴双桨直升机为获得偏转力矩导致一边桨距减小或为零的情况，避免了打桨的问题发生。由于螺旋桨直接固定在电机转子上，大直径电机使得桨叶长度相对减小，提高了桨叶的结构刚度，减小了桨叶因弹性变形造成的偏移量，进一步降低打桨的风险。因此，两个螺旋桨间的距离可实现最大程度压缩。
通过大直径电机直接驱动螺旋桨的方式，使机构最简化，重量更轻。大直径电机槽数和极数更高，运转更平稳，转速较小直径电机低从而降低了电机铁芯损耗。大直径电机可承受更大的电压并提供更大的扭力，其中高电压可有效降低I^2R铜损，大扭力可选择直径更大的桨，而大桨效率高于小桨。再加上共轴双旋翼固有的增升效果，使得整个飞行器拥有更高的飞行效率。
电机架向外伸出的翅片正好位于螺旋桨下方，起到很好的风冷效果，改善了电机的散热问题，使电机能承受更大的电流，从而提供更大的输出功率。
本发明独有的空心结构，使得沿电机轴向两端布置器件成为可能，可极大拓展飞行器的使用范围，通过两端布置器件可调节飞行器重心到电机中心的距离，距离加大则稳定性提高，距离缩短则机动能力更强。
附图说明
图1是本发明实施例所述的一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构的结构示意图。
图2是本发明实施例所述的一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构通过舵机改变电机倾角，从而实现矢量驱动的示意图。
图3是本发明实施例所述的一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构通过所述电机架20和所述机座1之间形成的球面副c和止转销轴b的形式，同样达到万向节的效果，从而取消所述的万向轴3的示意图；
图4是基于本发明实现的一种共轴双桨飞行器的示意图。
图中，附图标记如下：1-机座，2-组合式电机，3-万向轴，4-反桨，5-正桨，6-连杆，7-舵机，8-曲柄，20-电机架，21-轴承，22-转子，23-定子。其中，所述组合式电机2由电机架20和两组轴承21，转子22，定子23组成。a-球面压块，b-止转销轴，c-电机架20与机座1形成的球面副。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明实施例所公开的一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构的结构示意图。
如图1所示，包括：机座1，组合式电机2，万向轴3，反桨4，正桨5，连杆6，舵机7，曲柄8。其中，所述组合式电机2由电机架20和两组轴承21，转子22，定子23组成。所述电机架20通过所述万向轴3与所述机座1连接。所述电机架20通过所述连杆6与所述舵机7上的所述曲柄8连接。所述舵机7连同所述曲柄8、所述连杆6在圆周方向相差90°布置。所述反桨4和所述正桨5分别固定在所述组合式电机2的两个所述转子22上。所述组合式电机2的两组电机可按不同方向转动，带动所述反桨4，所述正桨5朝相反方向转动产生升力。所述舵机7带动所述曲柄8圆周摆动，带动所述组合式电机2倾转从而实现矢量驱动。如图2所示，即为舵机驱动电机实现矢量驱动的示意图。
当然，本发明中的机座1可采用中空设计，使得沿电机轴向两端布置器件成为可能，可极大拓展飞行器的使用范围，通过两端布置器件可调节飞行器重心到电机中心的距离，距离加大则稳定性提高，距离缩短则机动能力更强。
本发明中的组合式电机2可由两个独立的中空轴电机组合实现，此方案可以通过调节两个电机的间距，调节反桨4和正桨5之间的距离，使桨布局更合理。
所述的组合式电机2可由内燃机提供旋转动力或由内燃机和电机组合提供动力，该措施将驱动螺旋桨的电磁力改为内燃机提供的扭力，或者内燃机扭力与电磁力共存方式驱动螺旋桨，用来提高飞行器的续航时间。
具体来说，所述的万向轴3旋转中心位于所述组合式电机2轴向中点处。此设计位置使得组合式电机2拥有更大的倾斜角度，矢量调节的范围更大，机动更灵活。
进一步地，所述反桨4和所述正桨5桨叶的数量可以为不小于2的任意整数。即螺旋桨可以是多片桨叶，这可以使飞行器尺寸更小，更适宜空间狭小的地方起降。更进一步地，反桨4和正桨5也可以设计成分开的多片，使之更容易安装和维护。更进一步地，反桨4和正桨5也可以 设计成变桨距结构，使之适应不同的飞行速度或海拔高度。更进一步地，反桨4和正桨5也可以设计成可折叠结构，使飞行器利于停放，占用更小空间。
作为本发明的一个优选的实施方式，参照图3所示，在上所述的万向轴3可通过所述电机架20和所述机座1之间形成的球面副c和止转销轴b的形式，同样达到万向节的效果，从而取消所述的万向轴3。图3中止转销轴b固定在机座1的销孔内，另一端深入电机架20的槽形结构内，该槽形结构宽度和止转销轴b直径相当，可允许止转销轴b在槽内上下摆动，但不能水平转动，达到防止水平旋转的目的。球面压块a与电机架20通过螺钉固定，将机座1夹在中间，使其只能转动不能移动。此方法形成的球面副使得组合式电机2到机座1之间的承载面变大，从而提升了飞行器承载能力。
当然，本领域技术人员应当理解，实现组合式电机2与基座1之间万向连接的方式不限于上述所列举出的方式。
如图4所示，为基于本发明设计的一款飞行器，其独特的两端式布局使其拥有更强的机动性和独特应用场合。
当然，本领域技术人员应当理解，基于本发明设计的飞行器并不局限于上述所例举的方式。
与现有技术相比，本发明实施例所公开的一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构，不仅解决了传统共轴双桨飞行器容易打桨的问题，还实现了电机轴向两侧布置器件和连接。同时兼具结构简单紧凑，可靠性高，成本低，综合效率高，机动性更强等诸多优点。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
Claims (11)
1.一种共轴双桨飞行器的动力及矢量控制机构，其特征在于包括：机座1，组合式电机2，万向轴3，反桨4，正桨5，连杆6，舵机7，曲柄8，其中，所述组合式电机2由电机架20和两组轴承21，转子22，定子23组成，所述电机架20通过所述万向轴3与所述机座1连接，所述电机架20通过所述连杆6与所述舵机7上的所述曲柄8连接，所述舵机7连同所述曲柄8、所述连杆6在圆周方向相差90°布置，所述反桨4和所述正桨5分别固定在所述组合式电机2的两个所述转子22上，所述组合式电机2的两组电机可按不同方向转动，带动所述反桨4，所述正桨5朝相反方向转动产生升力，所述舵机7带动所述曲柄8圆周摆动，带动所述组合式电机2倾转从而实现矢量驱动。
2.如权利要求1所述的机座1，其特征在于，采用中空设计。
3.如权利要求1所述的组合式电机2，其特征在于，可由两个独立的中空轴电机组合实现。
4.如权利要求1所述的组合式电机2，其特征在于，可由内燃机提供旋转动力或由内燃机和电机组合提供动力。
5.如权利要求1所述的万向轴3，其特征在于，所述旋转中心位于所述组合式电机2轴向中点处。
6.如权利要求1所述的万向轴3，其特征在于，可通过所述电机架20和所述机座1之间形成的球面副c和止转销轴b的形式同样达到万向节的效果，从而取消所述的万向轴3。
7.如权利要求1所述反桨4和所述正桨5，其特征在于，桨叶的数量可以为不小于2的任意整数。
8.如权利要求1所述的电机架20，其特征在于，外圆处可伸出若干翅片，在所述反桨4和所述正桨5的作用下实现风冷。
9.如权利要求7所述反桨4和所述正桨5为单独桨片分别固定再所述定子23上。
10.如权利要求7所述的反桨4和所述正桨5为可变桨距结构。
11.如权利要求7所述的反桨4和所述正桨5为可折叠结构。
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