CN111536209B - 一种双出轴航模无刷电机的减速装置及减速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机的技术领域，更具体地，涉及一种双出轴航模无刷电机的减速装置及减速方法，减速装置包括电机、内齿轮及多级行星轮系，所述电机设有第一输出轴和第二输出轴，螺旋桨安装于第一输出轴；所述行星轮系包括行星架及多组行星轮，行星轮安装于行星架，首级行星轮系的多组行星轮啮合于第二输出轴与内齿轮之间，末级行星轮系的行星架与轮子连接，各级行星轮系的行星轮均与内齿轮啮合；所述内齿轮连接有用于切换内齿轮转动状态和固定状态的刹车组件。本发明通过同一电机控制螺旋桨和轮子工作，在陆地行走时，电机驱动轮子工作，而在起飞和降落过程，螺旋桨转动而轮子固定不动，可减轻无人机重量，提高无人机稳定性。

Description

一种双出轴航模无刷电机的减速装置及减速方法
技术领域
本发明涉及无人机的技术领域，更具体地，涉及一种双出轴航模无刷电机的减速装置及减速方法。
背景技术
行星减速器利用周转轮系传动的原理进行减速，广泛用于各类需要降低转速的场合。航模领域中，航模无刷电机存在转速高、扭矩低的特点，常采用两级行星减速器进行减速。中国专利CN2013102630858公开了一种行星齿轮减速装置，中心齿轮和内齿圈同轴布置，若干个行星齿轮均匀分布于中心齿轮外周、并与中心齿轮和内齿圈啮合，行星齿轮轴向两端安装有行星辊，行星齿轮轴线方向安装有贯穿两侧行星辊的行星轴，行星轴两端分别固定于上支架和下支架，行星辊通过限位装置径向固定于上支架和下支架。该方案的输出轴用于传输动力、减速装置可起到良好的减速效果，但其无法满足陆空两用无人机的要求。将上述减速装置用于陆空两用无人机时，常需：(1)采用两个电机驱动，其中一个电机控制轮子工作，另外一个电机控制螺旋桨工作，但其结构复杂、制作成本高、且不利于无人机的重量控制；(2)采用一个电机驱动，一个电机同时驱动螺旋桨和轮子工作，在无人机起飞和降落时，由于轮子跟随螺旋桨转动，增加无人机的控制难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种双出轴航模无刷电机的减速装置及减速方法，可控制动力输出至内齿轮还是行星架，同一电机可用于驱动螺旋桨进行飞行，也可用于驱动轮子进行行走。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种双出轴航模无刷电机的减速装置，用于陆空两用无人机，陆空两用无人机包括螺旋桨及轮子，所述螺旋桨与轮子位于机臂上下两侧；减速装置包括电机、内齿轮及多级行星轮系，所述电机设有第一输出轴和第二输出轴，螺旋桨安装于第一输出轴；所述行星轮系包括行星架及多组行星轮，行星轮安装于行星架，首级行星轮系的多组行星轮啮合于第二输出轴与内齿轮之间，末级行星轮系的行星架与轮子连接，各级行星轮系的行星轮均与内齿轮啮合；所述内齿轮连接有用于切换内齿轮转动状态和固定状态的刹车组件。
本发明的双出轴航模无刷电机的减速装置，当无人机在陆地行走时，刹车组件控制内齿轮固定，末级行星轮系的行星架随行星轮运动并带动轮子工作；当无人机准备起飞时，刹车组件松开，内齿轮可转动，但由于轮子与地面接触、各级行星架固定，轮子固定无法转动，内齿轮空转。本发明通过同一电机控制螺旋桨和轮子工作，在陆地行走时，电机驱动轮子工作，而在起飞和降落过程，螺旋桨转动而轮子固定不动，无人机易于控制。
进一步地，所述行星轮系包括第一级行星轮系、第二级行星轮系及第三级行星轮系，所述第一级行星轮系与第二输出轴连接，所述第三级行星轮系与轮子连接。
进一步地，所述第一级行星轮系包括第一行星架及多组第一行星轮，所述第一行星轮安装于第一行星架，多组第一行星轮啮合于内齿轮和第二输出轴之间，所述第一行星架中心处设有第二太阳轮。
进一步地，所述第二级行星轮系包括第二行星架及多组第二行星轮，所述第二行星轮安装于第二行星架，多组第二行星轮啮合于第二太阳轮与内齿轮之间，所述第二行星架中心处设有第三太阳轮。
进一步地，所述第三级行星轮系包括第三行星架及多组第三行星轮，所述第三行星轮安装于第三行星架，多组第三行星轮啮合于第三太阳轮与内齿轮之间，所述第三行星架设有与轮子连接的第三输出轴。
进一步地，所述内齿轮两端连接有第一盖和第二盖，多级行星轮系置于第一盖、第二盖及内齿轮间形成的空腔内，所述第二盖、电机安装于机臂。
进一步地，所述第三输出轴穿过第一盖与轮子连接，所述第三输出轴与第一盖之间设有轴承。
进一步地，所述电机与内齿轮同轴设置。
进一步地，所述刹车组件包括舵机及刹车环，所述舵机通过舵机支架安装于机臂，所述刹车环套设于内齿轮外周，刹车环设有两端通过连接杆与机臂连接的端口，所述端口的一端通过控制杆与舵机连接。
本发明还提供了一种双出轴航模无刷电机的减速方法，包括以下步骤：
无人机在陆地行走时：刹车组件锁紧，固定内齿轮；第一输出轴带动螺旋桨转动，第二输出轴经内齿轮和多级行星轮系减速作用带动第三输出轴和轮子工作；
无人机在起飞、飞行及降落时：刹车组件松开，内齿轮可活动；轮子与地面接触，第一行星架、第二行星架及第三行星架固定，内齿轮空转，第一输出轴带动螺旋桨转动，而第三输出轴及轮子不会跟随转动。
本发明的双出轴航模无刷电机的减速方法，通过同一电机控制螺旋桨和轮子工作，在陆地行走时，电机驱动轮子工作，而在起飞和降落过程，螺旋桨转动而轮子固定不动，无人机易于控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过同一电机控制螺旋桨和轮子工作，在陆地行走时，电机驱动轮子工作，而在起飞和降落过程，螺旋桨转动而轮子固定不动，可减轻无人机重量，提高无人机稳定性；
本发明的电机、内齿轮同轴，俯视投影面积接近重合，电机及内齿轮不会挡住气流，可提高电机的工作效率；
本发明的各行星架和行星齿轮安装于密闭空间内，可防止灰尘对减速装置传动性能的影响；且可避免齿轮直接安装在机臂时机臂变形导致齿轮无法啮合的现象发生。
附图说明
图1为双出轴航模无刷电机的减速装置的结构示意图I；
图2为双出轴航模无刷电机的减速装置的结构示意图II；
图3为减速装置内部结构示意图；
图4为第一级行星轮系的结构示意图；
图5为刹车组件锁紧内齿轮时减速装置的传动原理图；
图6为刹车组件松开内齿轮时减速装置的传动原理图；
附图中：1-机臂；2-电机；21-第一输出轴；22-第二输出轴；3-内齿轮；31-第一盖；32-第二盖；4-第一级行星轮系；41-第一行星架；42-第一行星轮；43-第二太阳轮；5-第二级行星轮系；51-第二行星架；52-第二行星轮；53-第三太阳轮；6-第三级行星轮系；61-第三行星架；62-第三行星轮；63-第三输出轴；7-刹车组件；71-舵机；72-刹车环；73-舵机支架；74-连接杆；75-端口；76-控制杆。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1至图4所示为本发明的双出轴航模无刷电机的减速装置的实施例，用于陆空两用无人机，陆空两用无人机包括螺旋桨、机臂1及轮子，螺旋桨与轮子位于机臂1上下两侧；减速装置包括电机2、内齿轮3及多级行星轮系，电机2设有第一输出轴21和第二输出轴22，螺旋桨安装于第一输出轴21；行星轮系包括行星架及多组行星轮，行星轮安装于行星架，首级行星轮系的多组行星轮啮合于第二输出轴22与内齿轮3之间，末级行星轮系的行星架与轮子连接，各级行星轮系的行星轮均与内齿轮3啮合；内齿轮3连接有用于切换内齿轮3转动状态和固定状态的刹车组件7。
本实施例在无人机在陆地行走时，刹车组件7控制内齿轮3固定，末级行星轮系的行星架随行星轮运动并带动轮子工作；当无人机准备起飞时，刹车组件7松开，内齿轮3可转动，但由于轮子与地面接触、各级行星架固定，轮子固定无法转动，内齿轮3空转，利于无人机的控制。
本实施例以三级行星轮系说明减速装置的传动原理，但需要说明的是，设置三级行星轮系是为了获得较好的减速效果和传动效果做出的优选，并不作为本实施例的限制，其他级数的减速行星轮系也可适用于本发明。当行星轮系为三组行星轮系时，行星轮系包括第一级行星轮系4、第二级行星轮系5及第三级行星轮系6，第一级行星轮系4与第二输出轴22连接，第三级行星轮系6与轮子连接。
具体地：
第一级行星轮系4包括第一行星架41及多组第一行星轮42，第一行星轮42安装于第一行星架41，多组第一行星轮42啮合于内齿轮3和第二输出轴22之间，第一行星架41中心处设有第二太阳轮43；
第二级行星轮系5包括第二行星架51及多组第二行星轮52，第二行星轮52安装于第二行星架51，多组第二行星轮52啮合于第二太阳轮43与内齿轮3之间，第二行星架51中心处设有第三太阳轮53；
第三级行星轮系6包括第三行星架61及多组第三行星轮62，第三行星轮62安装于第三行星架61，多组第三行星轮62啮合于第三太阳轮53与内齿轮3之间，第三行星架61设有与轮子连接的第三输出轴63。
本实施例在实施时，电机2工作则带动第二输出轴22转动，第二输出轴22带动第一行星轮42自转，内齿轮3带动第一行星轮42公转、带动第一行星架41转动；第一行星架41上的第二太阳轮43转动，第二太阳轮43驱动第二行星轮52自转，内齿轮3驱动第二行星轮52公转、带动第二行星架51转动；第二行星架51上的第三太阳轮53转动，第三太阳轮53驱动第三行星轮62自转，内齿轮3驱动第三行星轮62公转、带动第三行星架61转动，第三输出轴63转动，驱动轮子工作。本实施例各级行星轮系的传动比可通过调整太阳轮与行星齿轮、内齿轮3与行星齿轮的啮合比进行设计。
为了防止砂石灰尘影响减速装置的传动性能，本实施例将行星轮系设置在一密闭空间内，具体地：在内齿轮3的两端连接第一盖31和第二盖32，多级行星轮系置于内齿轮3、第一盖31、第二盖32围绕形成的密闭空腔内。但需提及的是，本实施例将多级行星轮系置于密闭空腔内不仅能够有效防止灰尘进入，还能够向密闭空腔内加入润滑油减小摩擦从而提高减速装置的可靠性。另外，将多级行星轮系置于密闭空腔内，再将第二盖32和电机2分别安装于机臂1，可防止将齿轮直接安装在机臂1时机臂1变形导致齿轮无法啮合的现象发生。
为了便于减速装置可顺畅地控制轮子转动，本实施例的第三输出轴63穿过第一盖31与轮子连接，第三输出轴63与第一盖31之间设有轴承。但轴承的设置并不作为本发明的限制性规定，其他能够减小第三输出轴63的摩擦力且能保证密闭空腔密封性的密封结构也可适用于本发明。
为了防止轮子和电机2在无人机飞行时挡住螺旋桨的气流，本实施例的第二盖32和电机2安装于机臂1，且电机2、第二盖32、第一盖31、内齿轮3同轴设置。另外，为实现更好的飞行效果，本实施例还可设置电机2、第一盖31、第二盖32及内齿轮3的尺寸，使得电机2、第一盖31、第二盖32及内齿轮3的俯视投影面积接近完全重合，避免对气流的阻挡，提升电机2的工作效率。
为了便于内齿轮3在固定状态和转动状态之间进行切换，本实施例的刹车组件7包括舵机71及刹车环72，舵机71通过舵机支架73安装于机臂1，刹车环72套设于内齿轮3外周，刹车环72设有两端通过连接杆74与机臂1连接的端口，端口75的一端通过控制杆76与舵机71连接；本实施例的控制杆76与舵机71的输出端之间可通过连杆连接，便于舵机71对刹车环72的控制。当无人机在陆地行走时，舵机71工作收紧刹车环72，内齿轮3固定，末级行星轮系的行星架随行星轮运动并带动轮子工作；当无人机准备起飞时，舵机71反向旋转，松开内齿轮3，内齿轮可转动，但由于轮子与地面接触、各级行星架固定，轮子固定无法转动，内齿轮3空转，利于无人机的控制。
实施例二
本实施例为双出轴航模无刷电机的减速方法的实施例，包括以下步骤：
无人机在陆地行走时：刹车组件7锁紧，固定内齿轮3；第一输出轴21带动螺旋桨转动，第二输出轴22经内齿轮3和多级行星轮系减速作用带动第三输出轴63和轮子工作；
无人机在起飞、飞行及降落时：刹车组件7松开，内齿轮3可活动；轮子与地面接触，第一行星架41、第二行星架51及第三行星架61固定，内齿轮3空转，第一输出轴21带动螺旋桨转动，而第三输出轴63及轮子不会跟随转动。
当刹车组件7松开、内齿轮3可转时，行星架由于与地面接触固定，内齿轮3空转，内齿轮3作为动力输出源，此时周转轮系变为定轴轮系，如图6所示。当采用三级行星轮系时，第三级行星轮系6的传动比为：
Figure BDA0002514961570000061
其中，Z3为内齿轮3齿数，Z1为第三太阳轮53齿数。
当刹车组件7锁紧、内齿轮3固定时，第三输出轴63作为动力输出源，此时周转轮系变为差动轮系，如图5所示。当采用三级行星轮系时，第三级行星轮系6的传动比为：
Figure BDA0002514961570000062
其中，Z3为内齿轮3齿数，Z1为第三太阳轮53齿数。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双出轴航模无刷电机的减速装置，用于陆空两用无人机，陆空两用无人机包括螺旋桨、机臂(1)及轮子，所述螺旋桨与轮子位于机臂(1)上下两侧；其特征在于，减速装置包括电机(2)、内齿轮(3)及多级行星轮系，所述电机(2)设有第一输出轴(21)和第二输出轴(22)，螺旋桨安装于第一输出轴(21)；所述行星轮系包括行星架及多组行星轮，行星轮安装于行星架，首级行星轮系的多组行星轮啮合于第二输出轴(22)与内齿轮(3)之间，末级行星轮系的行星架设有与轮子连接的第三输出轴(63)，各级行星轮系的行星轮均与内齿轮(3)啮合；所述内齿轮(3)连接有用于切换内齿轮(3)转动状态和固定状态的刹车组件(7)；当刹车组件(7)松开、内齿轮(3)可转时，行星架由于与地面接触固定，内齿轮(3)空转，内齿轮(3)作为动力输出源，此时周转轮系变为定轴轮系；当刹车组件(7)锁紧、内齿轮(3)固定时，第三输出轴(63)作为动力输出源，此时周转轮系变为差动轮系。
2.根据权利要求1所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述行星轮系包括第一级行星轮系(4)、第二级行星轮系(5)及第三级行星轮系(6)，所述第一级行星轮系(4)与第二输出轴(22)连接，所述第三级行星轮系(6)与轮子连接。
3.根据权利要求2所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述第一级行星轮系(4)包括第一行星架(41)及多组第一行星轮(42)，所述第一行星轮(42)安装于第一行星架(41)，多组第一行星轮(42)啮合于内齿轮(3)和第二输出轴(22)之间，所述第一行星架(41)中心处设有第二太阳轮(43)。
4.根据权利要求3所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述第二级行星轮系(5)包括第二行星架(51)及多组第二行星轮(52)，所述第二行星轮(52)安装于第二行星架(51)，多组第二行星轮(52)啮合于第二太阳轮(43)与内齿轮(3)之间，所述第二行星架(51)中心处设有第三太阳轮(53)。
5.根据权利要求4所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述第三级行星轮系(6)包括第三行星架(61)及多组第三行星轮(62)，所述第三行星轮(62)安装于第三行星架(61)，多组第三行星轮(62)啮合于第三太阳轮(53)与内齿轮(3)之间，所述第三行星架(61)设有与轮子连接的第三输出轴(63)。
6.根据权利要求5所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述内齿轮(3)两端连接有第一盖(31)和第二盖(32)，多级行星轮系置于第一盖(31)、第二盖(32)及内齿轮(3)间形成的空腔内，所述第二盖(32)、电机(2)安装于机臂(1)。
7.根据权利要求6所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述第三输出轴(63)穿过第一盖(31)与轮子连接，所述第三输出轴(63)与第一盖(31)之间设有轴承。
8.根据权利要求6所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述电机(2)与内齿轮(3)同轴设置。
9.根据权利要求1至8任一项所述的双出轴航模无刷电机的减速装置，其特征在于，所述刹车组件(7)包括舵机(71)及刹车环(72)，所述舵机(71)通过舵机支架(73)安装于机臂(1)，所述刹车环(72)套设于内齿轮(3)外周，刹车环(72)设有两端通过连接杆(74)与机臂(1)连接的端口，所述端口(75)的一端通过控制杆(76)与舵机(71)连接。
10.一种如权利要求1至9任一项所述的双出轴航模无刷电机的减速装置的减速方法，其特征在于，包括以下步骤：
无人机在陆地行走时：刹车组件(7)锁紧，固定内齿轮(3)；第一输出轴(21)带动螺旋桨转动，第二输出轴(22)经内齿轮(3)和多级行星轮系减速作用带动第三输出轴(63)和轮子工作；
无人机在起飞、飞行及降落时：刹车组件(7)松开，内齿轮(3)可活动；轮子与地面接触，第一行星架(41)、第二行星架(51)及第三行星架(61)固定，内齿轮(3)空转，第一输出轴(21)带动螺旋桨转动，而第三输出轴(63)及轮子不会跟随转动。
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