CN111954622A - 具有可重构电力网络的多转子飞行器推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多转子旋翼飞行器领域。本发明涉及一种用于这种飞行器的推进系统，该推进系统包括用于向驱动转子的电动马达供电的可重构电力网络。根据本发明，该系统(20)包括：电源(21A，21B，24)、连接到该电源的供应总线(25)、至少四个驱动单元(26A‑26F)以及环形电力网络(27、37)，每个驱动单元包括电动马达(262A‑262F)以及该电动马达的控制电路(261A‑261F)，并且该环形电力网络包括电线(271)，以及对于每个驱动单元(26A‑26F)包括第一开关(272A‑272F)和第二开关(273A‑273F)，该电线在每个驱动单元处中断并且该电线的端部被连接到供应总线，并且该第一开关和第二开关在中断的两侧上被连接在控制电路和电线之间。

Description

具有可重构电力网络的多转子飞行器推进系统

技术领域

本发明涉及多转子旋翼飞行器领域。本发明涉及一种用于这种飞行器的推进系统，该推进系统包括可重构的电力网络以为电动转子驱动马达供电。推进系统同样可以用于为无人驾驶飞行器或有机组的飞行器供电。

背景技术

多转子旋翼飞行器通常包括由共用的电力供应源并行地供电的至少四个电动马达。对于使用相对有限的电力的飞行器，该电力供应源通常是电池。对于用电更大的飞行器，该电力供应源可能包括热电发电机组。于是，该机组包括热内燃机和发电机，该发电机用于将热内燃机输出的机械能转换为电能。电力转换器通常与该机组相关联，以使供应的电能适应电动马达的需求。包括这种热电发电机组的推进系统通常被称为“串联式混合架构”。

为了能够控制多转子旋翼飞行器，电动马达必须可被单独地或至少成组地控制或供电。结果是增加了尤其是用于电力转换器的控制电路和供电电路以及供电线缆的数量。于是推进系统的尺寸、重量、复杂性和可靠性成为不利因素。申请号为FR 16 59366的专利公开了在用于多转子飞行器的推进系统中的不同电动马达的部分电能转换功能的相互关联。于是，每个电力逆变器为两个电动马达供电，从而将所需的逆变器数量减半。

在大多数用于飞行器的推进系统中，电动马达并联地连接到电力供应源。在电动马达、逆变器中或在逆变器与电力供应源之间发生电气故障的情况下，如果未提供保护装置，则整个推进系统将无法运行。使用并联供电时，可以选择使不同电动马达的接线的相互关联最大化。然后将电气保护装置布置在电动马达附近。于是，影响共用的供电线路的电气故障会导致整个推进系统的损失。但是相反，通过选择使电动马达的接线的独立性最大化，可以使电气保护装置位于电力供应源附近。于是可以在保持其他线路的同时隔离有缺陷的供电线路，并因此维持对其他电动马达的供电。然而，供电线路数量的增加具有尺寸和复杂性增加的缺点。

考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种解决方案，以防止在电气故障的情况下整个推进系统的运行损失，同时防止供电线路数量的增加。本发明的另一个目的是提供一种用于多转子飞行器的推进系统，其设计、制造和维护成本得以降低。

发明内容

为此，本发明基于一种可重构的环形电力网络，其中，每个电动马达都可以通过环的两端被供电，或者在电动马达与环的一端之间发生电气故障的情况下，仅通过另一端被供电。

更准确地，本发明的主题是一种用于多转子旋翼飞行器的推进系统，该推进系统包括：

■能够输出供电电流的电力供应源，

■连接到电力供应源的供电总线，

■至少四个马达单元，每个马达单元包括控制电路、连接到该控制电路的电动马达以及机械连接到电动马达转子的螺旋桨，该控制电路能够从由电力供应源输出的供电电流向所述电动马达供电，以及

■能够将每个马达单元控制电路连接到电力供应总线的环形电力网络，该环形电力网络包括：

-电线，该电线的第一端和第二端连接到电力供应总线，该电线在每个马达单元处中断，并且在该电线的第一端处包括第一连接点，而在该电线的第二端处包括第二连接点，以及

-对于每个马达单元，包括第一开关和第二开关，第一开关将马达单元控制电路连接到电线的第一连接点，第二开关将所述控制电路连接到电线的第二连接点。

因此，在马达单元中的一个发生电气故障的情况下，可以通过断开两个相关联的开关来将相关的马达单元电隔离。所有其他马达单元仍通过电线的第一端或第二端被供电。此外，在处于与第一马达单元相关联的第一连接点和与第二马达单元相关联的第二连接点之间的电线上发生电气故障的情况下，连接到第一连接点的第一开关和与第二连接点相关联的第二开关断开，而其他开关则保持闭合。于是将发生故障的电线段隔离，同时保持向所有其他马达单元的供电。

根据一个特定实施例，对于每个马达单元，环形电力网络还包括第三开关，该第三开关将电线的第一连接点连接到第二连接点。换句话说，第三开关形成围绕发动机单元的旁路路径。在该实施例中，环形电力网络可以处理在一个以上的发动机单元中同时存在的电气故障。将与发生故障的发动机单元相关联的第一开关和第二开关断开以将这些单元电气隔离，并且将这些发动机单元的第三开关闭合以保持电线的连续性并向所有没有故障的发动机单元供电。

环形电力网络的开关优选地是受控开关，以使得能够自动管理网络构造。

推进系统可以包括环形电力网络的控制单元。控制单元可以例如被布置为根据对马达单元和/或电线上的电气故障进行的检测来控制环形电力网络的开关的断开和闭合。可以通过监测不同电动马达上的电流和/或电压来检测电气故障。所使用的电流和/或电压可以例如对应于为了调节电动马达而测量的信号。

根据第一实施例，电力供应源包括一个或多个发电机组。电力可以例如由化石燃料产生。特别地，每个发电机组可以包括内燃机和发电机。发电机被机械地联接到内燃机的转子并且被连接到电力供应总线。内燃机可以例如是燃气轮机。

根据第二实施例，电力供应源包括连接到电力供应总线的电能存储单元。电能存储单元尤其可以包括电池或超电容器。

第一实施例和第二实施例彼此完全兼容。例如，发电机组可以供应中等电力，而电能存储单元在某些能量贪婪阶段提供附加电力并在需要较低电力的飞行阶段期间进行充电。此外，可以单独使用电能存储单元来提供马达单元所需的功率，特别是当飞行器需要限制其噪声印迹时。

有利地，电力供应源包括在每个发电机与电力供应总线之间和/或在电能存储单元与电力供应总线之间的开关和/或断路器。在存在开关的情况下，可以选择参与电力供应的一个或多个电力供应源元件。断路器将发生故障的元件电隔离以维持电力的供应。

根据一个特定实施例，电力供应源被布置为在电力供应总线上输出直流电流。于是，这有助于电动马达的电力管理。

每个发电机组可以包括整流器，该整流器连接在发电机与电力供应总线之间。例如，该整流器可以是采用正弦吸收的脉宽调制整流器。这样的整流器能够更好地控制注入到电力供应总线上的电流，并因此能够使电动马达在整流器的输入侧和输出侧上以最小的铁心损耗和最小的谐波抑制来运行。由于在整流器输出端存在谐波失真率低的信号，因此可以并联联接多个发电机，而不会有在整流器的变压器内形成再循环电流的风险。

电力供应源可以包括斩波器，该斩波器连接在电能存储单元与电力供应总线之间。斩波器使由电能存储单元输出的电压适应于电力供应总线上所需的电压。斩波器还使得可以管理电能存储单元的充电。

根据另一个实施例，电力供应源被布置成在电力供应总线上输出交流电。该交流电可以是单相或多相交流电、例如三相交流电。

每个发电机组可以包括交流-交流转换器，该交流-交流转换器连接在发电机和电力供应总线之间。

此外，电力供应源可以包括逆变器，该逆变器连接在电能存储单元和电力供应总线之间。

每个马达单元的控制电路可以包括转换器。转换器使由电力供应总线输出的电压适应于电动马达所需的电压。

在一个特定的实施例中，每个马达单元的控制电路被集成到马达中。于是马达通常被称为“智能马达”。控制电路的这种集成使得马达单元更加紧凑，并且可以使马达的冷却系统与该马达的相关电子设备相互关联。

根据第一变型实施例，每个马达单元包括一对对转的螺旋桨，每个螺旋桨机械地联接到电动马达的转子。第一螺旋桨联接到转子，以沿与转子相同的方向旋转，并且第二螺旋桨联接到转子，以沿相反的方向旋转。

根据第二变型实施例，每个马达单元的电动马达包括单个定子和两个对转的转子。于是每个马达单元包括一对螺旋桨，其中一个螺旋桨机械地联接到第一转子，而第二螺旋桨则机械地联接到第二转子。

在该第二变型实施例中，两个转子有利地由同一转换器控制。

本发明的另一个主题是包括如上所述的推进系统的旋翼飞行器。

附图说明

在阅读以下仅作为示例并参照附图给出的描述之后，本发明的其他特征、细节和优点将变得清楚。

-图1示意性地示出了配备有根据本发明的推进系统的第一示例的旋翼飞行器的示例；

-图2示出了根据本发明的推进系统的第二示例；

-图3示出了用于根据图2的推进系统的示例的电力网络的重构；

-图4示出了根据本发明的推进系统的第三示例；

-图5示出了用于根据图4的推进系统的示例的电力网络的重构。

具体实施方式

作为初步说明，请注意，为简洁起见，以下由以字母结尾的标记所标示的不同元件也可以由同一不带最后的字母的标记标示。

图1示意性地示出了配备有根据本发明的推进系统的第一示例的旋翼飞行器的示例。在本文中示出的飞行器1是四转子飞行器，有时也称为“四旋翼飞行器”。它具有机载推进系统10，该机载推进系统包括燃气轮机11、发电机12、整流器13、电化学电池14、电力供应总线15、未示出的环形电力网络以及四个马达单元16。发电机12由燃气轮机11的转子驱动而进行旋转，并且该发电机将交流电输出到整流器13。整流器13将整流后的电压注入到电力供应总线15上，以将电力分配给马达单元16。电池14还连接到电力供应总线15。该电池被布置成在发电机12输出的电力超过由马达单元16消耗的电力时进行充电。电池14还被布置成在发电机12向马达单元16输出的电力不足时或在发电机12停止时输出电力。每个马达单元16包括至少一个电动马达(未示出)和由相关的电动马达驱动的螺旋桨161。在示例实施例中参照图2和图4描述的环形电力网络将电力供应总线15连接到每个马达单元16。由于在推进系统电传输链路中同时存在机械能和电能，因此该推进系统可以称为混合推进系统。特别地，它可以被称为“串联式混合架构”。

图2更详细地示出了根据本发明的推进系统的、特别是其环形电力网络的第二示例。推进系统20包括两个发电机组21A、21B、电能存储单元24、电力供应总线25、六个马达单元26A、26B、26C、26D、26E、26F和环形电力网络27。

每个发电机组21包括燃气轮机211A、211B、发电机212A、212B、整流器213A、213B和受控开关214A、214B。每个发电机212机械地联接到燃气轮机211，并且将交流电压输出到对应的整流器213。每个整流器213将交流电压转换成适合于电力供应总线25的直流电压。每个受控开关214可用于在闭合状态下将发电机组21连接到电力供应总线25，并且在断开状态下将这些元件隔离。特别是取决于电力供应需求，两个发电机组21A、21B可以同时或交替地起作用。应当注意，发电机组21可以是不同类型的。特别是，它们不一定包括燃气轮机；它们还可以包括任何其他类型的内燃机或燃料电池。其次，发电机组也可以被布置成在电力供应总线25上输出交流电压。此外，发电机组的数量可以调整。单个发电机组可能就足够了，但也可以设想等于或大于三个的数量。

电能存储单元24可以例如包括电化学电池或超电容器。它还可以包括被布置成管理充电和放电的能量管理单元。存储单元24与以并联构造安装的两个斩波器241A、241B和两个受控开关242A、242B相关联。斩波器241可以调整电存储单元单元24与电力供应总线25之间的电压水平。优选地，受控开关242A、242B被颠倒地控制，以防止同时使用两个斩波器241A、241B。一对斩波器和开关的存在为斩波器故障的管理提供了冗余。

电力供应总线25被布置成使发电机组21、电能存储单元24和环形电力网络27中的每个并联连接。在传输直流(DC)电力的情况下，该电力供应总线包括至少两个电导体。在传输交流(AC)电力的情况下，该电力供应总线每相包括至少一个电导体。在一些实施例中，总线25可以简单地由电端子组成。

每个马达单元26包括逆变器261A、261B、261C、261D、261E、261F、电动马达262A、262B、262C、262D、262E、262F和螺旋桨263A、263B、263C、263D、263E、263F。每个逆变器261从环形电力网络27接收直流电流，并将其转换成与电动马达262的电力需求相适应的交流电流。每个螺旋桨263机械地联接到相关的电动马达262的转子。逆变器261可以被集成到电动马达262中。换句话说，逆变器可以被集成到电动马达箱中。电动马达则通常被称为“智能马达”。在图2的示例实施例中，推进系统20包括六个马达单元26A-26F。然而，可能会有不同的数量。根据本发明的推进系统包括至少四个马达单元，以在一个马达单元发生故障的情况下保持足够的推进能力。实际上，该推进系统可以有利地包括至少八个。

在未示出的另一个实施例中，每个马达单元的电动马达与一对对转的螺旋桨相关联。第一螺旋桨机械地联接到电动马达的转子，以便沿与转子相同的方向旋转，并且第二螺旋桨机械地联接到电动马达的转子，以沿相反方向旋转。特别地，第一螺旋桨可以直接联接到电动马达的转子。第二螺旋桨通常通过齿轮联接到电动马达的转子。有利地，马达单元被布置成使得每对中的螺旋桨以相等的旋转速度旋转。

在未示出的又一个实施例中，每个马达单元包括逆变器、两个电动马达和两个螺旋桨。第一螺旋桨机械地联接到第一电动马达的转子，并且第二螺旋桨机械地联接到第二电动马达的转子。每个马达单元中的逆变器为两个电动马达并行地供电。于是有利地减小了马达单元的质量。马达单元被布置成使得每对中的第一螺旋桨和第二螺旋桨优选地以相等的旋转速度沿相反的方向旋转。

在未示出的又一不同实施例中，每个马达单元包括逆变器、双转子电动马达和两个螺旋桨。每个电动马达包括单个定子和两个对转的转子。第一螺旋桨机械地联接到电动马达的第一转子，并且第二螺旋桨机械地联接到电动马达的第二转子。每个马达单元中的逆变器为两个转子并行地供电，从而减轻了重量。每个马达单元被布置成使得第一螺旋桨和第二螺旋桨优选地以相等的旋转速度沿相反的方向旋转。

在马达单元的不同实施例中，电动马达可以是“智能马达”，换句话说，马达在其壳体内部集成了控制电路以及尤其是逆变器。电动马达和控制电路因此可以通过共同的方式被冷却。电动马达可以例如通过自然对流或通过强制对流(例如通过联接到转子的风扇或通过螺旋桨叶片)而被空气冷却。优选地，螺旋桨直接机械地联接到电动马达的转子。这种被称为“直接驱动”的联接避免了使用通常需要润滑回路的齿轮。电动马达尤其可以是轴向磁通机。结果是转子更易于非常接近螺旋桨地集成。可以使用任何类型的电动马达。然而，在电动马达发生内部故障的情况下，电动马达优选地能够通过可脱开的联接而被机械地去激励或通过减小感应通量而被以电的方式去激励。

而且，除了为一个或多个电动马达供电所需的一个或多个臂之外，每个逆变器还可以包括可用于替换有缺陷的臂的一个或多个紧急臂。因此，尽管逆变器的臂出现故障，但在每个马达单元中仍可以保持适应电流的功能。优选地，每个臂由热熔断型元件保护，以非常快速地将具有故障的臂与其他臂隔离。

环形电力网络27被布置成以环形构造将每个马达单元26连接到电力供应总线25。环形电力网络27包括电线271，以及对于每个马达单元26，包括受控开关对272A和273A、272B和273B、272C和273C、272D和273D、272E和273E、272F和273F。电线271在其每个端部处连接到总线25。该电线在每个马达单元26处中断，以能够与这些马达单元26进行可重构连接。每个中断在电线271的一端处形成第一连接点，并且在电线271的另一端处形成第二连接点。每个开关272被连接在第一连接点与相应的马达单元26的逆变器261的输入端之间。每个开关273被连接在第二连接点与该同一逆变器261的输入端之间。因此，在这种环形构造中，电线271将马达单元26彼此连续地连接，从而形成在总线25上闭合的回路。推进单元20还包括环形电力网络27的控制单元(未示出)，该控制单元被布置成控制开关272、273的断开和闭合。特别地，可以根据对马达单元26和/或电线271中的电气故障进行的检测来进行控制。如果没有电气故障，则所有开关272、273可以被控制为处于导通状态。

图3示出了在处于马达单元26D和26E之间的电线271的一部分上检测到电气故障的情况下，参照图2描述的环形电力网络27的重构。通过断开连接到马达单元26D的开关273D和连接到马达单元26E的开关272E来将所述部分隔离。应该注意的是，两个马达单元26D和26E仍被供电，其中第一个马达单元通过电线271的第一端被供电，而第二个马达单元通过该电线的第二端被供电。因此，电气故障不影响马达单元26的运行。此外，在马达单元26中发生电气故障的情况下，例如在逆变器261或电动马达262发生故障的情况下，可以通过断开两个相关联的开关272、273来将相关的整个马达单元与电力网络隔离。所有其他马达单元26仍被供电，其中一些通过电线271的第一端被供电，而另一些通过电线的第二端被供电。

图4示出了根据本发明的推进系统的第三示例。该推进系统30与图2中的推进系统20之间的唯一区别在于，对于每个马达单元26，环形电力网络37还包括第三开关274A、274B、274C、274D、274E、274F。每个开关274连接在电源线271的第一连接点和第二连接点之间。因此，每个开关274可以在中断处恢复电源线271的连续性。环形电力网络37的控制单元还可以控制开关274的断开和闭合。如果没有电气故障，则通常控制所有开关274处于断开状态。

图5示出了在马达单元26B以及在马达单元26D上检测到电气故障的情况下，参照图4描述的环形电力网络37的重构。通过断开开关272B、273B、272D和273D可将这两个马达单元26B和26D与环形电力网络37隔离。通过闭合开关274B和274D可恢复环的电连续性。因此，所有其他马达单元26，包括位于马达单元26B和26D之间的故障马达单元26C仍被供电。

Claims (10)

1.用于多转子旋翼飞行器的推进系统，所述推进系统包括：

■能够输出供电电流的电力供应源(21A，21B，24)，

■连接到所述电力供应源的电力供应总线(25)，

■至少四个马达单元(26A，26B，26C，26D，26E，26F)，每个马达单元包括控制电路(261A，261B，261C，261D，261E，261F)、连接到所述控制电路的电动马达(262A，262B，262C，262D，262E，262F)以及机械连接到所述电动马达的转子的螺旋桨(263A，263B，263C，263D，263E，263F)，所述控制电路能够从由所述电力供应源输出的供电电流向所述电动马达供电，以及

■能够将每个马达单元控制电路连接到所述电力供应总线的环形电力网络(27，37)，所述环形电力网络包括：

-电线(271)，所述电线的第一端和第二端连接到所述电力供应总线，所述电线在每个马达单元处中断，并且在所述电线的第一端处包括第一连接点，而在所述电线的第二端处包括第二连接点，以及

-对于每个马达单元(26A，26B，26C，26D，26E，26F)，包括第一开关(272A，272B，272C，272D，272E，272F)和第二开关(273A，273B，273C，273D，273E，273F)，所述第一开关将所述马达单元控制电路(261A，261B，261C，261D，261E，261F)连接到所述电线的第一连接点，所述第二开关将所述控制电路连接到所述电线的第二连接点。

2.根据权利要求2所述的推进系统，其中，对于每个马达单元，所述环形电力网络(27，37)还包括第三开关(274A，274B，274C，274D，274E，274F)，所述第三开关将所述电线的所述第一连接点连接到所述第二连接点。

3.根据权利要求1和2中的一项所述的推进系统，所述推进系还包括所述环形电力网络的控制单元，所述控制单元被布置为根据对马达单元和/或所述电线上的电气故障进行的检测来控制所述环形电力网络的所述开关的断开和闭合。

4.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其中，所述电力供应源包括一个或多个发电机组(21A，21B)，每个发电机组包括内燃机(211A，211B)和发电机(212A，212B)，所述发电机被机械地联接到内燃机的转子并被连接到所述电力供应总线(25)。

5.根据权利要求4所述的推进系统，其中，所述电力供应源包括在每个发电机(212A，212B)与所述电力供应总线(25)之间的开关(213A，213B，241A，241B)和/或断路器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其中，所述电力供应源包括连接到所述电力供应总线(25)的电能存储单元(24)。

7.根据权利要求6所述的推进系统，其中，所述电力供应源包括在所述电能存储单元和所述电力供应总线之间的开关(213A，213B，241A，241B)和/或断路器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其中，每个马达单元的控制电路包括转换器(261A，261B，261C，261D，261E，261F)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其中，每个马达单元的所述电动马达包括单个定子和两个对转的转子。

10.多转子旋翼飞行器，所述多转子旋翼飞行器包括根据前述权利要求中任一项所述的推进系统(20，30)。

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