CN110914150A - 通过机电致动器直接控制叶片的装置 - Google Patents

Abstract

用于直接控制叶片的装置技术领域本发明涉及一种用于直接控制叶片的装置，该装置包括定子(1)，至少一个由至少一个弯曲磁体(6)构成的叶片载体(7)，该叶片载体(7)固定有至少一个叶片(3)并枢转地连接到转子(8)，用于在定子(1)的激励下改变所述叶片的α角。定子(1)是部分球形的定子，定子铁芯(1)是叶片轴线(22)和转子轴线(20)的交点，所述定子径向靠近磁体(3)以控制叶片(3)绕叶片轴(22)旋转的角度。磁环(5)将叶片(3)保持在中立位置，该系统可以与周期操纵的机械振荡器进行比较，振荡的频率、相位和幅度由所述定子控制。提供用于控制飞机方向的紧凑、轻巧和坚固的解决方案的设备。

Description

通过机电致动器直接控制叶片的装置

技术领域

本发明涉及一种直接叶片操纵装置和具有该系统的飞行器，更具体但非排他性地涉及一种小型飞行器主旋翼，尤其是一种小型无人机垂直起降飞行器。

背景技术

在现有技术中，通过由致动器驱动的斜盘来执行直升机旋翼叶片的周期变距和总距操纵。连杆和机械零件组件被驱动，以对叶片进行周期操纵，以产生允许飞行器定向的扭矩。

这样的系统需要至少两个致动器，它们使斜盘的非旋转部分定向，通过链节的旋转部分根据正弦函数根据其位置控制叶片角度。

这些机械系统的复杂性，其重量限制了它们在某些飞机上的应用，尤其是在小型飞机上，这主要是因为至少需要两个斜盘致动器。

部分系统通过联接到叶片的致动器直接控制叶片，这些转子的动力供应和控制与转子一起旋转是有问题的，它们需要附加重量的发电机或作为电触点的电刷。一些系统通过机电系统，特别是周期变距操纵，通过多个电磁体的复杂切换来直接控制叶片。一些直接叶片控制系统提供一个或多个线圈来控制叶片的周期变距，但是所提出的系统不稳定或没有提供足够的机电相互作用以提供直接叶片控制。

WO2005/100154A1(WAVE FRONT TECHNOLOGY PTY LTD)通过步进电动机提供叶片的单独控制，电动机的动力由与转子同心布置的一个或多个交流发电机执行。

US2015/0028597A1(Sikorsky)利用叶片致动器提供了对叶片的单独控制，叶片致动器的电源需要至少一个电刷来为致动器供电和控制。

EP2821344A1(AIRBUS)提供对叶片的单独控制，叶片与由多个电独立电磁体组成的磁盘相互作用，这些电磁体可以用作电动机或发电机，一个磁盘相对于另一个磁盘的切换作用于叶片的旋转，从而允许总距操纵或周期变距操纵。

WO02/096752A1(Vogel HERIBERT)提供了具有线圈的叶片单独控制，所述线圈要么与转子一起旋转并且被提供有电刷，要么与转子同轴但不会旋转并通过转子轴内部的连杆来致动叶片。

FR2851932(Jean Marie PIEDNOIR)提供了一种直接叶片控制系统，该系统具有两个叶片，从而允许使用至少一个线圈进行周期命令。

发明内容

具有机电系统的直接叶片控制系统的主要挑战之一是对于叶片和叶片载体的给定惯性和气动扭矩，产生足够的转矩来命令和操纵桨距。特别是周期性命令，需要数十到数百赫兹的高频振荡。振动是围绕中性桨距(neutral pitch)的变桨叶片(pitch blade)的角度加上负α的变化，它产生与惯性和叶片轴旋转周围的振荡频率相关的转矩。对于给定的翼型，还存在空气动力桨距力矩，并且可以随叶片的入射角而变化。因此，需要使运动的机电部件具有较低的惯性，并且必须具有提供高转矩的系统，以控制频率，幅度和相位的这种振荡。在这种系统中，变桨叶片的测量非常复杂，控制回路，尤其是中性变桨叶片控制回路也是如此。一个理想的系统，允许稳定的中性叶片桨距(neutral blade pitch)而无需机电致动，是一种理想的系统，耗能少。

本发明涉及一种通过位于系统枢轴重合位置的中央机电致动器、部分球形定子来直接控制叶片以提供周期指令和桨距指令的装置，允许小而恒定的气隙，从而产生高专据并允许围绕中性变桨叶片的高效振动，同时兼顾了简单性、轻便性于坚固性。

该装置用于直接控制叶片，尤其是飞行器的叶片，该旋转装置包括：

-围绕转轴转动的转子

-绕叶片轴线枢转地耦接到所述转子的至少一个叶片载体，叶片平面由所述转子轴线和叶片轴线限定；

-附接到所述叶片载体的至少一个叶片；

-定子。

所述定子为部分球形定子，其由至少一个线圈组成，定子中心是叶片轴线和转子轴线的交点。叶片载体包括至少一个弯曲磁体，该弯曲磁体从与叶片平面垂直的叶片轴线偏移，径向靠近定子以允许电磁相互作用，进而控制叶片绕叶片轴线的旋转。

转子平面被限定为垂直于转子轴线并且与叶片轴线重合。

在优选的实施例中，磁体在转子平面中径向上靠近定子。

所述磁体可以是被至少一个永磁体磁饱和的铁磁部件。

所述磁体可以是多个非弯曲磁体，但是一旦组装就形成弯曲。

所述磁体的外表面在径向上靠近通常在转子平面中的磁环，该磁环固定在转子上以将叶片保持在中性位置。起弹簧之作用，该装置可以与周期性控制的机械振荡器进行比较，其频率、相位和振幅由所述定子控制，控制该振动所需的能量在装置的自然振动附近非常低。磁环关闭了磁通量，避免了对于磁力计有问题的磁扰动。

在周期指令中，所述定子在频率、相位和振幅上控制该振动。频率控制与转子转速同步，相位控制转矩方向，幅度控制转矩强度。

磁环可以是铁磁的，它可以由永磁体组成，所述转子磁体将叶片保持在中性桨距。根据磁环形状，保持可以是线性的或不是线性的，它提供了非接触，无疲劳的保持系统，并减小了所述叶片载体围绕所述叶片轴线的惯性。这种中性保持功能提供了设备稳定性并提高了循环命令的效率，还允许开环控制。具有承载叶片的叶片具有适当的频率振动，这取决于它们的惯性以及由磁环吸引产生的转矩。

所述定子具有或不层叠的铁磁芯，其根据定子的励磁来控制叶片的旋转。定子的中心是叶片轴线和转子轴线的交点，这允许磁体绕转子轴线旋转，但也绕叶片轴线旋转，因此磁体相对于定子具有固定半径的球坐标。球形定子和弯曲磁体允许磁体和定子之间的最小气隙，典型地为0.1至1mm，而与磁体位置无关，从而允许围绕所述叶片轴线以大振幅进行强而有效的磁相互作用。所述定子可以开槽以包含线圈，这简化了绕组和定子的制造过程。定子可由与所述转子轴线同轴的一个或多个线圈组成，在这种情况下，定子是双极的。磁通量还可以通过围绕定子外围分布的几个线圈来控制，然后定子可以是多极的，这允许每个线圈具有不同的磁分布，然后可以同时进行周期变距和总距操纵。

磁体可以以不同的方式布置，其可以是偶极子，其极在扇形环的内表面和外表面上，或者是双极环，在单叶片支撑的情况下被径向磁化。

在具有同轴线圈的定子(因此是双极)的情况下，如果所有与转子枢轴连接的叶片均具有相似极性的磁体，则它们都将具有相同的桨距，从而可以将总距操纵用作可变桨距螺旋桨。如果叶片具有相反极性的磁体，则它们将根据定子励磁而具有相反的入射角变化，从而根据它们围绕所述转子轴线的位置产生周期变距指令。在单个叶片的情况下，不仅要操纵周期变距，而且要操纵总距，在这种情况下，这要结合两个操作。

该装置大大减少了桨距操纵所需的零件数量，这在运动学上很简单，可以通过滚动轴承提供桨叶和主转子之间的枢轴连接，因此没有摩擦，没有连杆，没有斜盘。

定子的励磁将导致叶片沿电流方向沿任一方向旋转，电流强度将改变旋转幅度。该装置允许以正弦方式对叶片进行简单且非常快速的控制，但是还允许所有其他复杂功能，从而允许对现有技术进行不同的控制。

围绕叶片螺距的中性位置的振荡允许在频率、幅度和相位上简化叶片桨距的操纵，叶片的角速度的唯一数据足以进行该环路控制。使用电动势(EMF)的测量进行的回路控制可控制叶片的角速度。可以在允许激励定子的一个或多个线圈上测量EMF，但是一个或多个专用于测量的线圈可以实现更有效的控制。

定子可以由至少一个同轴测量线圈组成，从而可以对EMF进行最佳测量，从而确定叶片的角度。定子可以由位于定子的球形部分上的至少一个测量线圈组成，以便通过电动势或通过感应来确定叶片的位置。用于测量叶片的位置或叶片的角度的至少一个测量线圈位于球形部分上的事实减少了由于定子励磁引起的磁干扰。理想情况下，这些测量线圈是表面线圈，漆包线或柔性印刷电路。该系统还可以在开环控制中运行。

在周期变距操纵中，所述定子的恒定供应将能够消除通常被称为跟踪的两个叶片之间的静态变桨现象，对于单个叶片，其操纵总距。

叶片和转子之间的枢轴连接以及由磁体提供的叶片旋转的″磁刚度″，允许通过适当的气动叶片力矩对横向气流产生反作用，类似于所谓的″K连杆″，以减小相对于叶片前进进入横向空气流，叶片前进的入射角，在大横向风的情况下，该特性有助于装置的稳定性及其坚固性。

根据本发明的装置允许周期变距操纵、总距操纵。此装置显示出高反应性，低功耗，操作简单，高度紧凑，机构轻巧以及良好的可靠性。

该系统理想地直接耦合至发动机，从而为紧凑、轻巧和坚固的解决方案提供了一种适用于飞行器定向的解决方案，尤其是用于小型无人机。该装置可用于飞行器，特别是垂直起落的飞行器。当两个装置用于固定翼时，尤其是当它们同轴布置并且反向旋转时，可以控制包括固定翼的飞行器，从而能够减去表面操纵。

附图说明

附图说明了本发明：

图1以截面图示出了在叶片轴线上的本发明的装置、具有同轴线圈的部分球形定子、具有固定到两个叶片上的两个磁体、具有中性α角的单个叶片载体以及耦合到设备电动机的示意图。

图2在BB截面中示出了本发明的装置，其具有单个叶片载体，其中两个磁体固定至两个叶片。

图3在截面BB中示出了具有角度α的本发明的装置。

图4在截面BB中示出了本发明的装置，其具有与图3相反的角度α。

图5在BB截面中示出了第二实施例，本发明的装置具有两个叶片载体，每个叶片载体具有相同极性的磁体并且具有叶片，所有叶片具有正角α。在这些附图上，轴线(9)是固定的，轴承(10)使转子(8)与至少一个叶片载体(7)和叶片(3)一起绕轴线(9)旋转。

具体实施方式

叶片载体(7)和叶片(3)通过轴承(4)可枢转地连接到转子(8)，其角旋转受+或-α角度限制，该+或-α角度对应于叶片相对于其中性桨距变化的角度。在具有两个固定在一起的叶片的周期变距操纵的情况下(图1、2、3、4)，当一个叶片从α角度增加时，相对的叶片减小相同的角度，从而可以进行周期变距操纵。

定子(1)是铁磁性的球形，并由线圈(2)组成，根据电流的方向，在电流的一个方向上，上部为北极，下部为南极。反之亦然。

根据图1、2、3和4，叶片载体(7)由相反极的两个磁体(6)组成，即北极和南极，使得当定子(1)通电时，其中一个磁体为定子(1)的上部吸引了另一个磁铁，而定子的下部吸引了另一个磁铁，从而使叶片载体(7)和叶片(3)旋转角度为-α(图3和图4)。

如图5所示，磁极是相似的，因此当定子(1)通电时，取决于电流的方向，所有磁体都被该定子的上部或下部吸引，从而导致叶片载体(7)和叶片(3)旋转α角度(图5)，实现总距操纵的效果。

磁环(5)是铁磁的，可以使磁体(6)的磁通量成环，从而避免磁干扰。磁环(5)还确保了叶片载体(7)的中性位置，磁体(6)被磁环(5)吸引，所述磁环的形状在旋转时提供了″磁刚度″叶片载体(7)，起弹簧之作用。

图6示出了由转子磁体(61)构成的磁环，以便在磁体(6)上产生磁引力。

图7示出了被优化以产生最大扭矩的双极定子，测量线圈(24)允许通过电动势来测量叶片(3)绕叶片轴线的角速度。

图8、9、10、11示出了具有围绕所述定子(1)的外围分布的多个线圈的定子，这允许独立地控制多个叶片，并且可选地与磁体(6)转子磁铁(61)相互作用而产生绕轴线(9)的电动机转矩。

图12、13示出了不具有定子的装置，其中转子磁体(61)允许围绕轴线(9)的电动机转矩，磁体(6)使得能够控制叶片载体(7)。

理想地，根据本发明的装置联接至电动机，转子(8)联接至电动机转子(12)，并且轴线(9)联接至电动机定子(11)。

根据本发明的装置特别地用于具有垂直和起飞能力的小型垂直起降的飞行器，具有垂直起落能力的直升机型或固定翼。该设备还可以用于多旋翼飞机或直升机的尾旋翼。

Claims (13)

1.一种用于直接控制叶片，特别是用于飞行器的叶片的装置(100)，所述旋转装置(100)包括：

-绕转子轴线(20)旋转的转子(8)；

-至少一个由至少一个永磁体(6)组成的叶片载体(7)，所述叶片载体(7)与转子(8)绕叶片轴(22)枢转地联接；

由所述转子轴线(20)和所述叶片轴线(22)限定叶片平面(23)；

-至少一个叶片(3)固定在叶片载体(7)上；

-定子(1)；

其特征在于，所述定子(1)是部分球形的定子，它由至少一个线圈(2)组成，所述定子(1)的中心是所述叶片轴线(22)和所述转子轴线(20)的交点；所述磁铁(6)的内表面是弯曲的，从与所述叶片平面(23)垂直的所述叶片轴线(22)偏移，并沿径向靠近所述定子(1)，以允许电磁相互作用来控制所述叶片(3)绕所述叶片轴线(22)的转动。

2.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于，所述磁体(6)的外表面径向靠近固定在转子(8)上的磁环(5)，以将叶片(3)保持在中性位置。

3.根据权利要求2所述的装置(100)，其特征在于，所述磁环(5)由至少一个转子磁体(61)组成。

4.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于，所述磁体(6)是被至少一个永磁体磁饱和的铁磁部件。

5.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于，测量用于定子励磁的所述线圈(2)的电动势(EMF)，以便确定所述叶片(3)的位置。

6.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于，所述定子(1)具有至少一个与所述转子轴线(20)同轴的测量线圈(24)，用于测量电动势以确定所述叶片(3)的角度。

7.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于，至少一个测量线圈(24)位于所述定子(1)的球形部分上，以便通过电动势或通过感应来确定所述叶片(1)的位置。

8.根据权利要求7所述的装置(100)，其特征在于，所述测量线圈(24)是表面线圈，漆包线或柔性印刷电路。

9.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于，所述定子(1)由分布在所述定子(1)的外围上的多个线圈(2)组成。

10.根据权利要求9所述的装置(100)，其特征在于，所述定子(1)的线圈(2)被切换以便与所述磁体(6)以及与所述磁体(6)和所述转子此贴(61)相互作用而围绕所述转子轴线(20)产生转矩。

11.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，电动机直接联接到所述设备。

12.一种具有至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的装置(100)的垂直起降飞行器。

13.根据权利要求12所述的飞行器，其特征在于，其包括固定机翼。

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