CN112469969A - 推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种电动推进马达，该电动推进马达可以用于推进由回转仪的飞轮构成的空中、陆地和海上飞行器，飞轮被分成两个反向的周缘旋转部段和轮毂旋转部段，每个部段包含成形为在旋转时产生推力的轮辐、具有位于其内径和外径处的单独控制的场线圈的定子、靠近定子的场线圈并结合到飞轮部段中的永磁体、以及支撑每个飞轮部段的轴承系统。本发明是自包含式的，不需要外部推进或驱动装置，由于其旋转轮毂及周缘飞轮所产生的回转力而是自稳定的、由于两个飞轮的轮辐形状而产生推力，并且通过反向旋转的飞轮部段而消除旋转扭矩。产生了使交通工具稳定并推进交通工具的Chimara效应。

Description

推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备
要求优先权
本申请要求于2018年7月27日提交的美国临时专利申请No.62/703,883的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及产生用于推进飞行器的推力的推进方法。更具体地，本发明涉及由电动回转仪构成的自包含式推进系统，其在产生平衡和稳定性的同时产生推力。
背景技术
电动飞行器推进系统通过将电动马达直接地连接至由推进器转子构成的辅助装置，或者通过传动轴和/或齿轮箱连接至马达输出轴来产生推力。虽然这些方法以正确的尺寸用于其应用时可以提供足够的推力，但是这些方法的效率低于自包含式推进方法。第二缺点是推进方法固有的不稳定性，这需要偏移装置来保持交通工具稳定。
因此，在电动飞行器推进系统领域中，需要一种不具有外部马达的自包含式设备，从而替代地提供一种具有马达的组件，该马达具有产生定向气流并且可以用于推进私人航空器的自稳定式回转仪。
发明内容
本发明包括一种用于有效地且安全地推进电动私人航空器(Personal AirVehicle，PAV)的方法和设备。本发明采用了具有内轮毂部段和外周缘部段的分离式飞轮回转仪(split flywheel gyroscope)，内轮毂部段和外周缘部段由带有两组场线圈的双面定子隔开，其中，一组场线圈靠近飞轮的轮毂部段，第二组场线圈靠近飞轮的周缘部段。周缘飞轮和轮毂飞轮与靠近适当定子线圈的磁体结合。每个场线圈均链接至控制器，例如，如果有三十六个场线圈，则有三十六个控制器，这使本发明可以立即改变作用在飞轮永磁体上的电磁场的相位。轮毂飞轮以足够的速度逆转周缘飞轮以平衡相反的旋转扭矩，从而防止本发明旋转。改变两个转子之间的速度可以用于将本发明旋转至任何期望的位置。
为了产生推力，两个部段中的飞轮轮辐成形为在旋转时提供定向的气流。在本发明中，轮毂飞轮的轮辐将内部环和外部环联接。周缘飞轮的轮辐仅附接至内部环。在替代性实施方式中，每个飞轮部段的轮辐将内部环和外部环联接。在替代性实施方式中，周缘飞轮仅附接至内部环，并且轮毂飞轮仅附接至外部环。替代性实施方式不限于上述变型，并且包括具有轮毂飞轮和周缘飞轮的其他内部/外部环布置结构。回转仪的轮毂飞轮由多个滚动元件轴承沿着其外径支撑。周缘飞轮由多个滚动元件轴承沿着其内径支撑。
本发明是一种自包含式电动推力产生分离式飞轮无轮毂回转仪方法和设备，该方法和设备由于其旋转轮毂及周缘飞轮所产生的回转力而是自稳定的、由于两个飞轮的轮辐形状而产生推力，并且由于反向旋转的飞轮部段而消除旋转扭矩。
附图说明
通过参考以下详细描述并结合附图考虑，本发明的这些及其他特征和优点将变得更加容易被理解和更好地掌握，在附图中：
图1描绘了根据本发明的各个实施方式的组装的推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备的立体图。
图2示出了根据本文所述的各个实施方式的组装的推力产生分离式飞轮回转仪的周缘部段的立体图。
图3示出了根据本文所述的各种实施方式的组装的推力产生分离式飞轮回转仪的轮毂部段的立体图。
图4描绘了在推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备中使用的双面定子含铁部件的立体图。
图5示出了在推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备中使用的组装的双面定子的俯视图，其描绘了定子和场线圈。
图6描绘了本发明的场线圈中的两个，该场线圈连接至在推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备中使用的、其马达控制器中的两个。
图7描绘了用于推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备的支承系统的示例分解图。
图8描绘了具有磁性推力产生轮辐/叶片、双场线圈定位以及改进的定子以接纳双场线圈的回转仪推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备的替代性实施方式。
具体实施方式
本文所使用的术语仅用于描述实施方式，而不意在限制本发明。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列示项目中的一个或更多个项目的所有组合。如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”意在包括复数形式以及单数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括有”指定存在所述特征、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除添加一个或更多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
除非另外限定，否则本文中使用的所有术语(包括本文中使用的技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解的是，术语(诸如在常用词典中定义的术语)应当被解释为具有与其在相关技术和本公开的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的方式进行解释，除非在本文中明确限定。
在描述本发明时，将理解的是，公开了若干技术和步骤。这些技术和步骤中的每一者具有各自的益处，并且各自还可以与其他公开技术中的一种或更多种(或者在某些情况下是全部)公开技术结合使用。因此，为了清楚起见，该描述将避免以不必要的方式重复各个步骤的每种可能的组合。然而，应当在理解这样的组合完全落入本发明和权利要求的范围内的情况下，阅读说明书和权利要求。
本文论述了根据各种实施方式的用于产生自调平、消除旋转扭矩、稳定且有效的推进系统的新型推力产生分离式飞轮回转仪方法和设备。在以下描述中，出于说明的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。
本公开内容应被认为是本发明的示例，而不意在将本发明限制于由附图和以下描述所示出的特定实施方式。
现在将通过参照表示优选实施方式的附图来描述本发明。图1描绘了可以包括根据本发明的各个实施方式的组装的推力产生分离式飞轮回转仪设备的元件的立体图。在优选实施方式中，图1和图2所示出的总体组件包含构造成具有至少一个周缘回转仪飞轮部段200的组件的每个元件。回转仪飞轮部段可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成，并且构造成接纳由钕或另一种合适的磁性材料构成的多个磁体201。多个磁体优选地沿着回转仪的内部定位在下部支承配对件202与上部支承配对件203之间，其中下部支承配对件202可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成，而上部支承配对件203可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成。在优选实施方式中，支承配对件将磁体锁定就位。磁体靠近环205，环205可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成，环205将推力产生轮辐与上部支承配对件和下部支承配对件连接。必要时，多个竖向突出部将磁体分开，以相等地分割回转仪的周缘的表面区域。固定至周缘回转仪部段的周缘飞轮轮辐204可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成，并且具有用于在旋转时产生期望的气流/推力的横截面和正迎角。回转仪的飞轮的旋转速度越快，则推力和回转效应越大。
如参照图3所示，可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成的轮毂回转仪飞轮部段300构造成沿着回转仪的外部周缘，接纳由钕或另一种磁性材料构成的多个磁体301。磁体优选地位于上部支承配对件302与下部支承配对件303之间，其中上部支承配对件302可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成，而下部支承配对件303可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成，其构造成将磁体锁定就位。推力产生轮毂轮辐304将中央锥形部分305与回转力产生环306连接，该回转力产生环306继而支承磁体301。必要时，竖向突出部将磁体分开，以相等地分割回转仪的周缘的表面区域。可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成的轮毂回转仪部段的飞轮轮辐304具有用于在旋转时产生期望的气流/推力的横截面和正迎角。回转仪的飞轮的旋转速度越快，则推力和回转效应越大。
在图8所示的替代性实施方式中，回转仪轮毂轮辐801全部或部分由磁场产生元件组成，这些磁场产生元件可以由嵌入碳纤维复合结构中的磁性织物、钕粒子、铜或另一种磁性材料制成。场线圈是成双的802，使得一个场线圈定位在上方的槽中，并且一个场线圈定位在下方的槽中，推力产生轮辐移动穿过该槽以保持其居中。定子803修改成接纳双场线圈。在替代性实施方式中，单个场线圈定位在轮辐/叶片的梢端的上方、下方或附近。
如参照图4和图5进一步示出的，在优选实施方式中，定子400(其可以由轻质含铁复合材料、铁或另一种合适的含铁材料制成)位于周缘推力产生飞轮200(图2)与轮毂推力产生飞轮300(图3)之间。多个定子指状件401、402位于定子的外侧和内侧。多个外部场线圈501(其可以由涂覆的铜线或者诸如碳纤维之类的复合材料中的其他合适的导电材料制成)定位成对周缘飞轮200(图2)的磁体201进行作用。多个内部磁线圈502(其可以由涂覆的铜线或者诸如碳纤维的复合材料中的其他合适的导电材料制成)定位成对轮毂飞轮300(图3)的磁体301进行作用。场线圈围绕相应的定子指状件401、402卷绕。在替代性实施方式中，环绕磁性回转仪部段的本体或壳体产生定相磁场，从而代替定子组件。壳体优选地由导电材料网制成，该导电材料网结合到其复合材料基体中，或沿着壳体表面整合。替代性地，复合材料中将包括含铁材料。
进一步参照图6，各个场线圈501、502连接至单独的马达控制器503，该马达控制器503以无穷量的变化来指示由场线圈产生的每个磁场的强度，以适应本发明的不同需求。由场线圈产生的磁场作用于周缘及轮毂回转仪部段中的磁体，以引起反向旋转。回转仪部段的旋转速度在需要时由控制器平衡，以消除旋转扭矩。在替代性实施方式中，轮毂及周缘回转仪部段沿同一方向旋转。马达控制器连接至中央航空电子计算机(未示出)，以产生推力、平衡及稳定性的所需输出。通过平衡交通工具的重量和相等且相反的力产生模拟重力中和的Chimara效应，该相等且相反的力可适应质量的任何变化，同时稳定和推进机身。添加至系统的能量越多，系统变得越稳定。本发明是一种不带外部马达的自包含式设备，这是因为该组件是产生定向气流的自稳定式回转仪马达，该定向性气流可以用于在没有暴露的推进装置的情况下推进个人航空器。
进一步参照图7，位于定子400(图4)中的多个穿孔403、404支承多个杆701，所述多个杆701通过可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成的多个滑轮/滑车703，对多个滚动元件轴承702进行定位。这允许回转仪飞轮部段的旋转以及推力向周围静态组件的传递。多个垫圈704和锁定螺母705固定轴承组件。定子穿孔403、404(图4)是偏移的，因此位于穿孔403处的轴承组件仅作用于周缘回转仪部段200(图2)的支承配对件202、203，而位于404中的轴承组件仅作用于轮毂回转仪部段300的支承配对件302、303(图3)。在替代性实施方式中，轮毂回转仪部段300由位于轮毂中央部处的居中轴承系统支承。未示出的一系列管将中央轮毂轴承系统连接至定子组件。在替代性实施方式中，周缘飞轮部段由沿其外径定位的支承配对件支承。在替代性实施方式中，轴承系统可以用磁场代替，以定位组件的部件，并将推力和回转效应传递至周围的本体/机身。在替代性实施方式中，滚子轴承和滑轮/滑车由可以由轻质复合材料、铝或其他合适的材料制成的圆形轴承代替，该圆形轴承在每个部段的外侧或内侧上环绕每个回转仪部段。
可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成的、未示出的上部外壳体可以成形为增加本发明的升力，并且将空气引导到推力产生飞轮的两个部段中。外壳体可以在推力产生回转仪组件的上方和下方结合有无角度的通风口，以保护附近的环境免受轮辐/叶片撞击的影响。可以由轻质复合材料、铝或另一种合适的材料制成的、未示出的下部外壳体可以成形为引导排出的空气流，以允许在特定条件下增加升力。在替代性实施方式中，下部外壳体可以成形为管道，该管道可以引导空气、改变空气流、限制空气流并释放空气流，以便在必要时将向下气流聚集到较小的区域中。
在替代性实施方式中，将有两个定子，一个定子位于周缘飞轮的外部，并且一个定子位于轮毂飞轮的内部。两个部段中的磁体都将移动成靠近相应的定子。
在替代性实施方式中，回转仪的飞轮由喷气涡轮提供动力。
在替代性实施方式中，飞轮由内燃机提供动力。
在替代性实施方式中，多个周缘飞轮/转子可以添加至组件，并且是可旋转或固定的。
在替代性实施方式中，本发明中的周缘飞轮是可旋转的，并且定子分成两个部段，其中，外侧部段能够与周缘飞轮一起旋转。

Claims (5)

1.一种飞轮回转仪组件(100)，包括：
具有内侧面和外侧面的周缘部段(200)，包括：
从所述外侧面延伸的多个周缘轮辐(204)，成形为在旋转时提供定向推力；以及
沿着所述内侧面定位的多个磁体(201)；
具有内侧面和外侧面的轮毂部段(300)，包括：
多个磁体(301)，沿着所述轮毂部段(300)的外侧面定位；以及
多个轮毂轮辐(304)，从所述轮毂部段(300)的内侧面向内延伸，并且构造成在旋转时产生推力；以及
定子(400)，具有沿着其外径的多个外部场线圈(501)和沿着其内径的多个内部场线圈(502)，其中，所述多个外部场线圈(501)定位成作用于所述周缘部段(200)的磁体(201)，并且所述多个内部场线圈(502)定位成作用于所述轮毂部段(300)的磁体(301)，以产生所述多个周缘轮辐(204)和所述多个轮毂轮辐(304)的反向旋转。
2.根据权利要求1所述的飞轮回转仪组件，其中，所述轮毂部段(300)还包括形成所述轮毂部段的外侧面的环(306)，其中，所述多个磁体(301)沿着所述环被支承在所述轮毂部段(300)的外侧面上。
3.根据权利要求1所述的飞轮回转仪组件，其中，所述多个外部场线圈(501)和所述多个内部场线圈(502)由单独的微处理器单独地控制。
4.一种飞轮回转仪组件(100)，包括：
具有内侧面和外侧面的周缘部段(200)，包括：
从所述外侧面延伸的多个周缘轮辐(204)，成形为在旋转时提供定向推力；以及
沿着所述内侧面定位的多个磁体(201)；
轮毂部段(300)，包括：
中央锥形部(305)；
多个轮毂轮辐(304)，从所述中央锥形部(305)向外延伸并且构造成在旋转时产生推力，其中，所述轮毂轮辐(304)至少部分地由磁场产生元件构成；以及
定子(400)，具有沿着其外径的多个外部场线圈(501)和沿着其内径的多个内部场线圈(502)，其中，所述多个外部场线圈(501)定位成作用于所述周缘部段(200)的磁体(201)，并且所述多个内部磁线圈(502)定位成保持所述轮毂轮辐(304)相对于所述定子(4)居中，并且作用于所述轮毂轮辐(304)的磁场产生元件，以产生所述多个周缘轮辐(204)和所述多个轮毂轮辐(304)的反向旋转。
5.根据权利要求4所述的飞轮回转仪组件，其中，所述多个外部场线圈(501)和所述多个内部场线圈(502)由单独的微处理器单独地控制。
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