CN110963050B - 一种用于无人机的多能量混合推进动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，该技术方案采用油动机构与电动机构相配合的模式实现驱动作用。其中，油动发动机轮轴加装发电机，有利于充分利用发动机的能量；采用了离合控制，可以随时方便的启用任意系统，增强了系统间的可转换性；油电混用，双动力同时供给，并可以自由切换，提高能量利用效率，提高航时和航程。在无人机同时搭载双模式动力的情况下，可以比单一动力模式对飞行的续航时间有一定程度的提高。另一方面，基于多能量的混合模式，可针对不同工况为无人机匹配最为经济的动力供给方案。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种用于无人机的多能量混合推进动力系统。
背景技术
动力系统是无人机的核心组成部分。目前无人机普遍由纯油动机构或纯电动机构提供飞行动力；尽管在少数无人机中存在油动和电动共同使用的情况，但基本上都为分阶段分离使用(如垂直起降无人机等)，均不是严格意义上的混合动力使用。
现有技术的油电分离工作系统成本较高：一方面，其协同工作效率低，不能很好地根据不同工况进行设计选择动力方案，续航时间和航行里程有待提高；另一方面，由于必须仅仅由燃动发动机全部提供飞行动力所需，因此可能需要更大的发动机或者更多的油耗，从而增加飞机飞行重量等因素，也会影响飞机航行质量。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，以解决现有技术中，用于无人机的油动系统和电动系统只能各自分阶段独立工作，无法协同配合输出能量的技术问题。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，包括油动发动机，发动机螺旋桨，电机，电机螺旋桨，其中油动发动机与发动机螺旋桨传动连接，电机与电机螺旋桨传动连接。
作为优选，还包括电子调速器，所述电子调速器调节所述电机的转速。
作为优选，还包括油箱和电池，其中，所述油箱通过油路连接至油动发动机，所述电池通过电路为电机供电。
作为优选，还包括发电机，所述发电机连接在油动发动机的曲轴上，所述发电机分别通过电路为电机及电池供电。
作为优选，还包括电源管理器，油门Y线，离合器，其中所述电源管理器控制对电机的供电，油门Y线分别控制发动机油门和电机油门，离合器控制油动发动机的主轴与发动机螺旋桨的结合或分离。
作为优选，对电机的供电模式为：蓄电池供给或磁电机发电稳压后供给；所述电源管理器的控制逻辑包括：蓄电池设定保护电量Q1和工作电量Q2；首选为蓄电池供电模式，蓄电池电量低于Q1时，转换为磁电机发电供电；磁电机发电供电模式，经电源管理器，一部分给蓄电池充电，一部分给电机供电；蓄电池电量高于Q2时，转换为蓄电池供电；磁电机始终保持给供电池充电状态。
作为优选，油门Y线为油门通道输出的PWM格式信号总线和两条控制信号线。
作为优选，控制离合器的信号由飞控计算机的输出开关信号控制，采用地面控制，通过飞控计算机输出。
作为优选，所述无人机处于起飞阶段或爬升阶段时：由电池为电机供电，油动发动机处于运行状态，油动发动机带动发电机转动，离合器为闭合状态，发动机螺旋桨旋转。
作为优选，所述无人机处于巡航阶段时：当所述电池电量充足时，由电池为电机供电，油动发动机停止，离合器为断开状态，发动机螺旋桨不工作；当所述电池电量不足时，由发电机为电机供电，同时发电机为所述电池充电，油动发动机处于运行状态，油动发动机带动发电机转动，离合器为断开状态，发动机螺旋桨不工作。
本发明提供了一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，该技术方案采用油动机构与电动机构相配合的模式实现驱动作用。其中，油动发动机轮轴加装发电机，有利于充分利用发动机的能量；采用了离合控制，可以随时方便的启用任意系统，增强了系统间的可转换性；油电混用，双动力同时供给，并可以自由切换，提高能量利用效率，提高航时和航程。在无人机同时搭载双模式动力的情况下，可以比单一动力模式对飞行的续航时间有一定程度的提高。另一方面，基于多能量的混合模式，可针对不同工况为无人机匹配最为经济的动力供给方案。
本发明在无人机飞行阶段同时使用油动发动机和无刷电动机双动力同时作为动力系统，参与推进无人机前进，一方面通过油电混合动力模式的实验，可以证明在无人机同时搭载双模式动力的情况下，可以对飞行的续航时间有一定程度的提高。另一方面，可以在多能量混合模式下，对不同工况下匹配无人机动力需求的最经济情况。
本发明具有协同高效的特点，对航行时间和航程有所提高，另一方面，也可以使飞机在最佳的动力方案状态飞行。本方案主要解决了油动和电动系统的共同使用方案及其之间的转换、协同等方面。无人机混合动力通过离合装置相互切换，即可单一模式工作，又可相互配合工作，实现了多能量混合动力的转换控制，以及对动力切换的无缝衔接。增加了发电机装置，减小在机身装载的可用电源，大大减轻了机身负载，并对能量转换进行了对应控制，使消耗与发电达到平衡状态。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中发电机的安装结构图；
图2是本发明具体实施方式中发电机性能曲线图；
图3是本发明具体实施方式中离合器的结构示意图；
图4是本发明具体实施方式中无人机机体装配图；
图5是本发明具体实施方式中发电机、离合器位置图；
图6是本发明具体实施方式中无人机电控原理图；
图中：
1、空速管 2、前起落架 3、机身 4、前舱盖
5、伞舱盖 6、后舱盖 7、左机翼 8、左翼尖小翼
9、右机翼 10、右翼尖小翼 11、左垂尾 12、平尾
13、升降舵面 14、右垂尾 15、电动动力系统 16、主起落架
17、油动动力系统 18、发动机 19、发动机螺旋桨 20、发动机安装结构
21、发动机曲轴 22、发电机系统 23、转子 24、线圈
25、磁体 26、衔铁 27、膜片弹簧 28、转动轴
29、离合器。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
一种用于无人机的多能量混合推进动力系统：
1、动力系统组件及工作机理
1.1动力组件
动力组件主要包括3W-170油动发动机1台(实验方案用型号)，发动机螺旋桨1只(主桨)，离合器1件，电机4组，电机螺旋桨4组(组桨)，供电电池1块，电源管理器1组，油箱1个，电调4个，油路电路若干，结构件若干等。
1.2动力逻辑
按照动力需求，由三部分物理组件结构实现控制逻辑。
①电源管理器；②油门Y线；③离合器。
1.2.1电源管理器
电机的动力有两种方式，第一种方式为蓄电池(规格为30Ah，12min)供给，第二种方式为磁电机发电稳压后供给。
执行逻辑：
蓄电池供电蓄电池设定一个保护电量Q1和工作电量Q2；
首选为电池供电模式，供电电池电量低于Q1时，转换为磁电机发电供电；
磁电机发电供电模式，经电源管理器，一部分给供电电池充电，一部分给4个电机供电；
供电电池电量高于Q2时，转换为供电电池供电；
磁电机始终保持给供电池充电状态。
1.2.2油门Y线
油门Y线为油门通道输出的PWM格式信号总线和两条控制信号线,分别完成发动机油门与电机油门的控制。
1.2.3离合器
离合器主要控制发动机主轴与桨盘的结合与分离，控制离合器的信号由飞控计算机的输出开关信号控制，目前使用地面控制，通过飞控计算机输出。
1.3控制机理
无人机的动力单元由功率为13.3kw发动机1台和2kw电机4台组成，巡航32m/s时动力需求为5.9kw，单一动力均满足飞行要求，爬升时为油电同时输出动力，过渡阶段由空速管获取当前空速和高度，经过飞控计算机处理，根据空速变化完成油门舵量的控制，根据相邻航路点参数值的变化并参考高度在对应时间内的变化值(δh/δt)的大小判断离合器的吸附与分离状态，并给出通电与断电的指令信号。具体控制模式如以下表1所示。
表1控制模式表
2、其他系统介绍
2.1发电机系统
发电机由三个主要部件组成：转子、定子和定子支架。结构如图1所示。
转子直接连接在曲轴上，由曲轴轴承支承。位置位于发动机后轴，与后轴直接驱动。转子和定子的大多数设备是常见的，而定子支架是特定于每个发动机和发电机组合。
特点：发电机设计为三相无刷交流电机；设计直接安装于发动机曲轴上，直接驱动；发电机结构组成(图示为后轴安装)。发电机参数如以下表2所示。发动机性能曲线如图2所示。
表2发电机参数
2.2离合器设备
单片式离合器由带用线圈的可停滞磁体、转子以及衔铁片组成。
当转子安装在离合轴上时，磁体被紧固在一个壳体件上，转子在可停滞的磁体中以较低的径向背隙旋转。衔铁用三个螺钉固定在要驱动的或者被驱动的部件端面。
转子与衔铁保证转矩传递。因此，转子或者衔铁是否是驱动还是传递，并不重要，这主要源于所设计的安装方式。
根据设计保证三个机器元件(磁体、转子与衔铁)的中心度。离合器结构组成，如图3所示。
单片式离合器是通过直流电驱动的，额定电压在正常情况下为24V，额定电流为5A。离合器参数如以下表3所示。
表3离合器参数
2.3电源管理器
电子能源管理系统，通过集成在电池传感器中的电池状态监测算法能够适时监测电池状态。相应地还可以在主控单元的控制系统中设置电池及传感器工作策略，设置电池的工作区间，根据当前电池充电状态、电池温度等状况，采用相应的策略控制发电机，及时对电池进行充电。从而保证了动力系统及整机设备的能源供应，优化了能源管理，避免了由于电池溃电所引起的重大事故问题。
在正常的电池充放电的情况下，如果传感器探测到电池处于欠充电状态时，主控单元会相应调高发电机工作电压，提高发电机的充电效率，进行快速充电。当电池电量处于饱和状态时，则相应调低发电机电压，使发电机处于空转状态，以避免对电池进行不必要的过充电，从而减小所消耗的扭矩。这样可以降低燃料消耗并保持充电状态处于安全水平范围内，保证电池工作处于良性区间，延长电池寿命。
3、试验机混动系统转换模式设计
混动模式转换设计
混动模式的转换是无人机在不同的飞行工况下，可以选择最为适宜的驱动方式，用最经济的能源消耗模式提供无人机当前状态下所需的飞行动力。同时，也实现不同动力需求工况下对飞行动力模式的混合设计可以进行相互转换或协调工作。
3.1起飞阶段
此阶段需要油电混合动力，前拉四个电机由动力电源直接供电，后推油动发动机带动发电机转动，同时离合器闭合带动螺旋桨旋转，电动与油动同时产生推力。
3.2爬升阶段
此阶段与起飞阶段工作模式相同，需要油电混合动力，工作模式参照起飞阶段。
3.3巡航阶段
此阶段有2种状态：
1.动力电源供电：当机载动力电满电或是电量充足状态，由电池直接供给机翼上的4个前拉电机工作。此时发动机停车状态，离合为断开状态，油动螺旋桨不工作。
2.充电模式下供电：当机载动力电亏损或是电量剩余量很少时，由发电机供给电能，给电池充电的同时也给前拉4个电机供电。此时发动机为着车状态，带动发电机达到相应发电转速给飞机供电，离合为断开状态，油动螺旋桨不工作。
3.4降落阶段
此阶段有2种状态：
1.纯电模式：动力电源电源满足降落电量，由电池直接供给机翼上的4个电机工作，由电机提供动力。此时发动机停车状态，离合为断开状态，油动螺旋桨不工作。
2.纯油模式：当飞行降落时，机翼上前拉的4电机不工作。此时发动机着车，离合器为闭合状态，发动机可带动螺旋桨提供动力。
无人机机体装配结构如图4所示。无人机发电机、离合器位置关系如图5所示。无人机电控原理如图6所示。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，其特征在于包括油动发动机，发动机螺旋桨，电机，电机螺旋桨，其中油动发动机与发动机螺旋桨传动连接，电机与电机螺旋桨传动连接；还包括电子调速器，所述电子调速器调节所述电机的转速；还包括油箱和电池，其中，所述油箱通过油路连接至油动发动机，所述电池通过电路为电机供电；还包括发电机，所述发电机连接在油动发动机的曲轴上，所述发电机分别通过电路为电机及电池供电；还包括电源管理器，油门Y线，离合器，其中所述电源管理器控制对电机的供电，油门Y线分别控制发动机油门和电机油门，离合器控制油动发动机的主轴与发动机螺旋桨的结合或分离；
对电机的供电模式为：蓄电池供给或磁电机发电稳压后供给；所述电源管理器的控制逻辑包括：蓄电池设定保护电量Q1和工作电量Q2；首选为蓄电池供电模式，蓄电池电量低于Q1时，转换为磁电机发电供电；磁电机发电供电模式，经电源管理器，一部分给蓄电池充电，一部分给电机供电；蓄电池电量高于Q2时，转换为蓄电池供电；磁电机始终保持给供电池充电状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，其特征在于，油门Y线为油门通道输出的PWM格式信号总线和两条控制信号线。
3.根据权利要求1所述的一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，其特征在于，控制离合器的信号由飞控计算机的输出开关信号控制，采用地面控制，通过飞控计算机输出。
4.根据权利要求1所述的一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，其特征在于，所述无人机处于起飞阶段或爬升阶段时：由电池为电机供电，油动发动机处于运行状态，油动发动机带动发电机转动，离合器为闭合状态，发动机螺旋桨旋转。
5.根据权利要求1所述的一种用于无人机的多能量混合推进动力系统，其特征在于，所述无人机处于巡航阶段时：当所述电池电量充足时，由电池为电机供电，油动发动机停止，离合器为断开状态，发动机螺旋桨不工作；当所述电池电量不足时，由发电机为电机供电，同时发电机为所述电池充电，油动发动机处于运行状态，油动发动机带动发电机转动，离合器为断开状态，发动机螺旋桨不工作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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