CN110636971A - 用于包括具有安装在两个轴上的可逆电机的马达的飞行器的混合式推进结构 - Google Patents

Abstract

一种飞行器马达结构，包括两个可逆电机(3，4)，这两个可逆电机的转子(10)通过传输装置(11，12，13，14)连结到低压轴(1)和高压轴(2)，该传输装置根据转子(10)的旋转方向交替地分离，该传输装置包括被动式单向离合器(15，16，17，18)，该被动式单向离合器的接合方向是相反的。因此，提供了机器的独立运行模式，该机器作为启动器或作为轴中的每个轴的发电机。

Description

用于包括具有安装在两个轴上的可逆电机的马达的飞行器的 混合式推进结构

技术领域

本发明涉及用于飞行器的混合式推进结构，该飞行器包括与可逆电机联接的发动机，该可逆电机被安装在发动机的轴上。

背景技术

用于现代飞行器的混合式推进结构包括与电机相关联的发动机，该电机通过配电网连接到电力存储装置或其他电力存储设备。除了用于推进的必需能量之外，发动机还可供应在飞行器的其他地方使用或存储的电能；该电机也可以互惠地为发动机供应支持能量，该支持能量用于地面和飞行任务的某些阶段。

然而，由于常用的涡轮机包括以不同速度旋转的低压轴BP和高压轴HP，并且可逆动力传输可有利地涉及这些轴中的任一轴，因此我们被引导将涡轮机中的每个涡轮机与特定电机关联起来，这会导致拥挤的布置并且这将证明难以以可靠的方式进行控制。

被认定的现有技术包括许多混合式推进结构，其中，飞行器发动机的轴和转子与可逆电机相关联：首先将提及EP 2 192 291 A2，该文献可能是最接近本发明的文献并且包括单个电机，该单个电机通过相应的单向离合器连接到发动机的两个轴(在此为低压轴和与发动机的端部涡轮相关联并负责驱动推进器的轴)，其中，离合器被设置成能够启用启动模式以及接着启动模式的正常模式，在启动模式中，电机作为马达运行并且驱动最初空转的低压轴，在正常模式中，用于驱动推进器的轴已达到足够的速度以联接另一单向离合器，从而使机器作为发电机来运行，并且松开将机器连结到低压轴的第一离合器。将看出，本发明除此之外还使用了一种可逆电机，该可逆电机通过单向离合器与飞行器发动机的两个独立的同轴的轴联接；但该可逆电机的结构包括能够实现完全不同的运行模式的其他元件。

其他值得一提的文献是WO 95/02120 A1，该文献描述了三种可逆电机，这三种可逆电机分别通过传输装置与低压轴、高压轴和风扇轴相关联，在传输装置中，一些传输装置包括离合器，该离合器相互作用以将功率从轴中的一个轴传递到另一个轴，然而这肯定需要复杂的控制装置，尤其是用于离合器的复杂的控制装置；US 2013/0038057 A1，该文献描述了一种可逆电机，该可逆电机可以通过相应的离合器连接到推进器轴或低压轴；US2011/154827 A1描述了如下一种装置，在该装置中，飞行器发动机的两个同心轴通过齿轮传动装置连接到可逆电机；EP1731735 A2，该文献描述了如下一种装置，在该装置中，高压轴进一步连接到可逆电机并且还与低压轴一样连接到包括液压泵和液压马达以及离合器的组件，以便将无限的功率从低压轴传输到高压轴，然而，这种装置在功率传输方向上是不可逆的并且不同于用于能量性质的可逆转换的电机；EP 1785614 A2，该文献描述了一种在包括两个具有相反旋转方向的轴的发动机中的装置，该装置具有电动马达以分别驱动轴和风扇，从而进行滑行运动；以及US 5867979 A，该文献进一步描述了一种具有三个轴的装置，每个轴与相应的可逆电机相关联，以实现从一个轴到另一个轴的能量传递。

因此，这种推进结构能够通过可逆电机对具有两到三个轴的飞行器发动机的运行模式进行多种改进，该可逆电机能够从轴中输出功率或将功率供应给轴。然而，对发动机的一般运行所必需的不同模式(包括多种不同模式)进行控制意味着要在将电机连接到轴或将机器彼此连接的传输装置上增加离合器，结果由于控制系统的存在，使装置的重量和不可靠性的风险大幅度增加。

发明内容

因此，本发明的初始目的是通过使与发动机的两个同轴的轴相关联的可逆电机一起工作，但是通过使用尽可能简单和轻便的装置(该装置在离合器的控制方面非常可靠)来寻找用于飞行器发动机的大量的不同的混合式运行模式。用于实现该目的的主要手段包括对用于传输装置的单向离合器的广泛使用、将电机的转子连接到两个轴中的每个轴以及开发根据四个象限(即在沿两个旋转方向的马达模式和发电机模式下)控制电机的可能性。

总体上，本发明涉及一种用于飞行器的混合式推进系统的结构，该结构包括发动机，该发动机包括彼此独立旋转的至少两个轴，这种布置进一步包括连接到配电网的两个可逆电机，其特征在于，每个电机的转子通过相应的传输装置连接到发动机轴中的每个发动机轴，该传输装置中的每个传输装置包括分离联接器，该分离联接器是被动式单向离合器，并且每个电机的单向离合器具有相反的旋转分离方向，轴具有相反的旋转方向或相同的旋转方向，于是传输装置中的一个传输装置包括相反的旋转方向，并且这种布置包括用于控制电机的系统，该系统使得轴中的至少一个轴能够由两个电机驱动，并且还能够通过第一电机从两个轴中的一个轴中产生电力，同时通过第二电机驱动两个轴中的第二轴。

此外，根据本发明的能够保持轻便且可靠的系统的重要方面，分离联接器是单向离合器，尤其是被动式单向离合器，例如超越离合器。

如果单向离合器在转子的相反旋转方向上分离，则通过根据四个运行象限来开发电机的可能的运行可获得两个轴中的仅一个轴沿电机的转子的旋转方向进行的传输，原因是传输装置中的一个传输装置的联接意味着另一传输装置的断开联接。因此，不必担心由运行事故引起的损坏。这种结果通过不沿相同旋转方向旋转的发动机轴(例如反向旋转轴)而立即获得。否则，将旋转换向器(例如齿轮或任何常用的装置)增加到传输装置中的一个传输装置上将是有必要的。由于单向离合器是被动式装置，因此不需要用于控制离合器的装置。

由于本发明的实施方式意味着每个发动机有一对电机，因此感兴趣的是能够实现原始的运行模式，特别是能够将功率从一个轴传递到另一个轴，即通过电机中的第一电机从轴中的一个轴中输出功率，同时由另一电机将功率供应给另一轴。

有可能存在本发明的布置的其他运行模式，并且其他运行模式的优点和使用条件将在后文详述。根据可以对本发明的总体设计进行的一些改进，该控制系统使得能够通过一个或两个电机从轴中的一个轴中产生电力；传输装置包括电机中的至少一个电机的转子与发动机的轴之间的不相等的转速降低比率；所有发动机的电机都连接到能量供应装置。

因此，本发明的包括连接到发动机的两个轴的两个电机的不同实施方式提供了各种优点。这可以以极大的自由度并且以更适应于在整个飞行和地面任务期间所遇到的不同情况的方式调整机械功率输出，或者相反地调整供应给发动机的额外功率，以提高发动机在不同载荷下的性能，或者相反地，可以输出更多的机械功率，而不会损害发动机的整体性能和发动机的可操作性。将特别提及在飞行和地面启动阶段期间增加瞬时性能或辅助发动机的可能性。考虑到将始终以肯定的方式存在来自另一能量供应装置的可用功率补充(由于电机处于发动机模式，该可用功率补充被分配到需要可用功率补充的轴)，对于飞行器的整体性能而言，另一有利的结果将是在涡轮机尺寸方面具有更大的自由度。电机在两个轴上的独立联接使得能够进一步对用于现代飞行器的运行模式进行创新，其中，通过在发动机关闭或在运行状态下通过对BP和/或HP轴进行加速或制动来实现电加速或功率辅助。供应给发动机的电机的电功率可来自另一发动机或能量存储装置，该另一发动机或能量存储装置被设置成供应电功率或例如与涡轮发电机相关联。

由于选择了不需要控制装置的单向联接器，本发明的特征结构在其他方面是简单、可靠且轻便的。

并且本发明可以在同一飞行器的发动机中的每个发动机上实施，每个发动机具有用于不同电机的通用能量供应装置，该能量供应装置也能够向飞行器的设备部件和服务部件供应功率。

附图说明

现在将通过以下附图描述本发明的不同方面、特征和优点，以下附图以详细的方式描绘了本发明的纯粹说明性的实施方式：

-图1至图6示出了本发明的实施方式以及本发明的不同运行模式，和

-图7示出了设置在飞行器上的完整布置。

具体实施方式

首先是对图1和图7的描述。飞行器发动机如通常一样包括同轴且同心的低压轴1和高压轴2。飞行器发动机与两个可逆电机3和4相关联，这两个可逆电机中的每一个包括定子5，该定子通过电缆从配电网6连接到控制系统7，并通过控制系统连接到电池或其他电能存储装置8。图7示出了控制系统7连接到表征本发明的所有电机，本发明在此有利地适用于飞行器的发动机21和22两者中的每一个。控制系统7与控制电机3和4所必需的功率电子设备相互作用。该结构也可具有涡轮发电机9，该涡轮发电机除其他外还供应配电网6和/或作为电池系统的能量存储装置。

电机3和4各自包括转子10，该转子通过相应的传输装置(对电机3来说为传输装置11和12，对电机4来说为传输装置13和14)连接到低压轴1和高压轴2中的每一个。传输装置11、12、13和14中的每个传输装置包括任何类型的实际传输元件(诸如转子元件、中间轴、齿轮等)并且还包括分别为15、16、17和18的单向联接器，该单向联接器可有利地是作为与超越离合器联接的被动元件。单向联接器15至18可直接被安装在转子10上(如在本文中所示)或被直接安装在传输装置11至14上的其他地方。

必须注意的是，超越离合器15和16的联接方向是相反的，超越离合器17和18的联接方向也是如此，这导致转子10中的每个转子根据每个转子的旋转方向通过传输装置11和12或者传输装置13和14中的任一传输装置与低压轴1和高压轴2中的任一轴联接。

现在将详细介绍由控制系统7控制的不同可能的运行模式。这些运行模式由控制系统7选择和设定，该控制系统作用于电机3和4的控制以及发动机的检查；如果单向联接器15至18是被动式的，则单向联接器15至18不需要任何控制机构，这对提高结构的可靠性是相当有利的。

图1的实施例是如下实施例，在该实施例中，电机3和4两者的转子10均沿着将被表示为正(R3+和R4+)的旋转方向旋转，从而使得超越离合器15和17联接。转子10和低压轴1两者通过传输装置11和13进行接合。此外，能量存储装置8向电机3和4供应必需的电功率。这种情况可对应于关闭的发动机21或22并且对应于低压轴1的端部处的推进器或风扇23(图7)的滑行模式或地面驱动模式，或者对应于仅在低压轴1上的瞬时或连续的附加电源，这种情况可在不同的飞行阶段建立起来。在该运行模式下，如同其中电机3和4(或者电机3和4中的一个)在发动机模式下工作的所有运行模式一样，供应给电机3和4的电能也可来自通过配电网6连接到电机3和4的其他设备，如同通过发动机的电机3和4来自涡轮发电机9或者发动机22或21中的另一个。因此，本发明可允许如下的运行模式，在该运行模式中，发动机中的一个发动机使另一发动机启动或加速，这在出现故障的情况下特别重要，关闭的发动机随后通过该发动机的低压轴1继续运行，该低压轴在此进一步驱动推进器或风扇23。

除了电机3和4由于它们的动力电子设备而都作为发电机工作之外，图2的实施例类似于图1的实施例，并且尤其是都基于两个转子10沿正方向R3+和R4+旋转。这种模式使得能够从低压轴1中输出机械动力以供应非推进式能量，给能量存储装置8供电或制动低压轴1。

图3的实施例可通过使转子10的旋转方向逆转而区别于先前的实施例，即转子10沿着所谓的负方向R3-和R4-旋转。通向低压轴1的传输装置11和13随后变为非活动状态，互惠地，通向高压轴2的传输装置12和14传输功率。在该实施例中，功率由能量存储装置8、涡轮发电机9或第二发动机22或21通过电机3和4两者供应给高压轴2。功率可用于启动发动机21或22或高压轴2的瞬时或连续动力辅助，高压轴2的瞬时或连续动力辅助可以在不同的飞行阶段建立。在本文中，可被独立控制的电机3和电机4二者的存在还提供了更大的设计自由度。

在图4的实施例中，转子10再次具有相同的负旋转方向R3-和R4-，但是功率传输方向相反，即电机3和电机4在发电机模式下工作。这种运行模式通常可供应非推进式能量、给能量存储装置8充电或制动高压轴2。

在图5的运行模式下，第一电机3沿正方向R3+的旋转与第二电机4沿负方向R4-的旋转相关联。然后可以从轴中的一个轴上输出机械功率，并向另一轴供应机械功率，其中，配电网6上的电功率供应或耗电平衡可以为零。在此，第一电机3通过传输装置11帮助驱动低压轴1，并且高压轴2使第二电机4在发电机模式下运行。通过使低压轴1加速并使高压轴2减速，这种运行模式例如在发动机21或22的瞬时阶段中可以是感兴趣的。

图6示出了相反的运行是可能的，第一电机3以负旋转方向R3-向高压轴2供应能量，而低压轴1通过使低压轴1的转子10沿正方向R4+旋转而使第二电机4作为发电机运行。这种运行模式可例如在发动机21或22的瞬时阶段中通过使高压轴2加速并使低压轴1减速而令人产生兴趣。

如果通向转子10中的每个转子的传输装置11和12以及13和14的降低比率不相等，则可以使不同运行模式之间的切换以及电机3和4的尺寸确定变得更容易，使得低压轴1和高压轴2的载荷间隔对应于转子10上靠近电机3和电机4中的每个电机的转速间隔，该转速间隔可以通过电机3和电机4中的每个电机的传输装置11至14上的旋转放大器或减速器(未示出，该旋转放大器或减速器可以由齿轮组成)获得。

Claims (6)

1.一种用于飞行器的混合式推进系统的结构，所述结构包括发动机(21，22)，所述发动机包括彼此独立旋转的至少两个轴(1，2)，这种布置进一步包括连接到配电网(6)的两个可逆电机(3，4)，其特征在于，每个电机的转子(10)通过相应的传输装置(11，12，13，14)连接到发动机轴(1，2)中的每个发动机轴，所述传输装置中的每个传输装置包括分离联接器(15，16，17，18)，所述分离联接器是被动式单向离合器，并且每个电机的单向离合器具有相反的旋转分离方向，所述轴具有相反的旋转方向或相同的旋转方向，于是所述传输装置中的一个传输装置包括相反的旋转方向，并且所述布置包括用于控制所述电机的系统(7)，所述系统使得所述轴中的至少一个轴能够由两个电机(3，4)驱动，并且还能够通过所述第一电机从两个轴中的一个轴中产生电力，同时通过所述第二电机驱动所述轴中的第二轴。

2.根据权利要求1所述的用于飞行器的混合式推进系统的结构，其特征在于，控制系统(7)使得能够通过一个或两个电机(3，4)从所述轴中的一个轴中产生电力。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的用于飞行器的混合式推进系统的结构，其特征在于，所述传输装置包括机器中的至少一个机器的转子与所述发动机的轴之间的不相等的转速降低比率。

4.飞行器，所述飞行器包括多个发动机(21，22)，每个发动机设置有根据前述权利要求中任一项所述的结构，其特征在于，所有发动机的所述电机连接到能量供应装置(8，9)。

5.根据权利要求4所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器包括控制系统(7)，所述控制系统使所述发动机中的第一发动机能够通过所述电机由所述发动机中的另一发动机驱动，所述发动机中的第一发动机的电机以发动机模式运行，并且所述发动机中的第二发动机的电机以发电机模式运行。

6.根据权利要求4和5中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器包括能量供应装置，所述能量供应装置连接到所述电机并且包括涡轮发电机(9)和/或能量存储装置(8)。