CN117099300A - 用于控制飞行器推进组件的至少一个电动马达的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制电动飞行器推进组件的装置(1)，所述推进组件包括螺旋桨(3)和至少一个电动马达(4)，电动马达由电供应电压供电并且输出转矩和旋转速度以驱动螺旋桨(3)。控制装置(1)包括用于测量电供应电压的至少一个单元(11)和控制单元(12)，该控制单元适于根据所述电供应电压改变输出到电动马达的信号，以改变螺旋桨的旋转速度。

Description

用于控制飞行器推进组件的至少一个电动马达的装置

技术领域

本发明涉及由驱动至少一个螺旋桨或一个叶片转子的一个或多个电动马达推进的飞行器的领域。

背景技术

在下文中，“飞行器的电推力器”是指由至少一个螺旋桨或一个叶片转子和至少一个用于驱动它们的电动马达组成的组件。一般来说，电动马达由电池或发电机供电。电池或发电机为马达提供电供应电压和电流。该电压和该电流使得能够运行马达并将电能转换为机械能。以下两个参量可以量化产生的机械能：马达的转子的转矩和旋转速度。

特别是在电池供电的情况下——但发电机也是如此——提供的供应电压可能会变化。更具体地，当电池放电时，供应电压降低。因此，在飞行器的电推力器的情况下，在没有监控的情况下，当电池的电压下降到确定的阈值以下时，电推力器的马达的旋转速度不能再保持，这导致由电推力器产生的机械功率下降。这可能导致推力损失，从而导致飞行器失速。换言之，当电池的电压下降到某个阈值以下时，电动马达在给定速度下提供的转矩水平降低。

因此，对提供至电推力器的电动马达的电力进行监控是至关重要的。

此外，众所周知，电机在速度驱动时会产生一种称为电动势(FEM)电压的电压。这个电压与旋转速度成比例。在作为马达的电机运行的情况下，该FEM也会产生，但与马达的供应电流相反。它被称为“反电动势”(FCEM)。

为了在马达模式下运行，即，具有驱动转矩，电机必须由高于马达的FCEM的电压供电。

大多数电源(电池、发电机、燃料电池等)都有可变的供应电压，当在某些生活环境下电动马达的供应电压过低(即，低于马达的FCEM)时，马达必须限制其转矩或旋转速度。在飞行器的电推力器的情况下，这些限制可能会产生运行问题，例如螺旋桨或转子的升力或推力损失，并对飞行器的监控产生影响。

当多个马达(每个马达由不同的电压源供电)用于驱动同一螺旋桨或同一转子时，这个问题更加突出。在这种情况下，马达必须以相同的速度运行。然而，速度是由具有最高供应电压的马达施加的，而FCEM对于每个马达保持固定不变。在这种情况下，提供转矩的能力与供应电压和FCEM之间的差直接相关。如果这种差消失，转矩为零，马达不再提供机械功率。在实践中，现有的监控方案防止转矩变为负值，但另一方面并不能阻止转矩的消除。

具有最低供应电压的马达将无法再跟随由其他马达施加的速度。如果什么都不做，马达就会突然失速，不再为螺旋桨或转子提供任何功率。然后，其他马达将必须自行提供螺旋桨所需的所有功率。

此外，供应电压也可以根据其他参数(例如电池的老化或其温度)而变化。另一方面，在通过至少一个电动马达驱动螺旋桨或转子期间，要提供的功率是旋转速度与螺旋桨或转子产生的转矩的乘积。转矩是速度平方的函数，因此速度的增加也反映在根据速度立方消耗的功率的增加上，并因此反映到电池放电现象的加剧。

参考图1，电动马达通常通过其转矩-速度平面为特征。该平面描述了根据马达的旋转速度马达能够提供的转矩域。对于自操控永磁同步马达，该域通常具有以下特征：

-第一区段I，第一区段覆盖相当宽的速度范围，其中马达可输出的转矩是恒定的。然而，由于马达或其功率电子器件的热问题，该最大转矩可能在时间上受到限制。

-第二区段II，在该第二区段，该马达能够提供的转矩随着旋转速度而非常迅速地减小。在没有去通量的情况下，该曲线通常非常陡峭，这意味着对于非常小的速度变化，可实现的转矩在非常大的幅度内变化。因此，这是一个通常不希望马达在其中运行的运行区域。

-这两个区段的交叉点构成断点III，该断点III取决于马达的设计特性并且直接取决于马达的供应电压。因此，如果供应电压下降，则断点成比例地向左移动，并且下降曲线随后沿相同方向平移。

目前，为了克服一个或多个马达的电力供应电压下降到马达的电动势以下的问题，已知两种主要的解决方案：

-在接近马达电动势的电压电平以下切断马达控制，或者

-为电动马达去通量。

去通量包括减少气隙中的磁通量。这种方案在绕线转子同步电动马达上实施起来很简单，因为励磁可以很容易地通过转子电流进行监控。在使用航空领域中优选的永磁同步电机(MSAP)的情况下，因为永磁同步电机更轻并且具有更好的效率，由于转子中存在磁体，所以去通量是微妙的。

然而，已知的去通量方案包括通过作用于马达相电流的控制来使定子磁场相移。这种作用可以“对抗”转子场，从而人为地降低马达的电动势。这种方案的主要缺点是它涉及对马达相中的额外的电流分量的控制。这种额外的所谓“直流”电流对马达绕组和相关的电力电子设备产生强烈的加热，并且不参与转矩的产生。因此，对于相同的机械操作点，随着在网络上的电力消耗越大，效率降低。

在航空应用的情况下，尽管供应电压低于马达的FCEM，但去通量使得可以保持马达的旋转速度。在变桨距螺旋桨的情况下，去通量用于保持螺旋桨的速度，但马达可以提供的转矩随着去通量(这涉及磁通量的减小)而减小，然后有必要对桨距进行作用，以使螺旋桨的阻力转矩适应马达提供的转矩。输出到螺旋桨的转矩的这种减小具有降低引起的推力的缺点，并且存在飞行器可控性方面的风险。

在这种情况下，有必要提供一种监控装置，该监控装置使得能够根据所提供的供应电压来优化电动马达的旋转速度。

为了在包括由至少一个电动马达驱动的螺旋桨(或转子)的电推力器的情况下允许电动马达的旋转速度的这种优化，本发明旨在根据施加到马达或驱动螺旋桨的所有马达的最小供应电压来调节螺旋桨的旋转速度。

发明内容

根据第一方面，本发明提出了一种用于对用于飞行器的电推力器进行监控的监控装置，所述推力器包括螺旋桨和至少一个电动马达，所述电动马达由电供应电压供电并输出/输送(délivrant)转矩和旋转速度，以驱动螺旋桨。另外，所述监控装置包括用于测量电供应电压的至少一个构件以及监控构件，所述监控构件适于根据所述电供应电压改变提供给电动马达的信号，以改变螺旋桨的旋转速度。

监控构件可以包括连接到电动马达的转换器，所述转换器适于接收电供应电压并根据所述电供应电压输出提供给所述电动马达的信号。

转换器可以改变提供给电动马达的信号的频率。

螺旋桨可以具有可变桨距，并且监控构件可适于根据所述电供应电压改变提供给用于控制螺旋桨的桨距的装置的信号，以改变所述螺旋桨的桨距。

所述至少一个测量构件可适于测量在为所述至少一个马达供电的至少一个电池的端子处的电供应电压。

根据第二方面，本发明涉及一种电推力器，包括由至少一个电动马达驱动的螺旋桨和根据本发明的监控装置。

电推力器包括多个电动马达，所述多个电动马达的定子串联安装在同一轴上，以便获得电动马达的转矩的总和，每个定子经由专用转换器连接到电源。

电推力器包括多个电动马达，所述多个电动马达经由相同的齿轮系机械地并联连接，以便获得多个电动马达的转矩总和，齿轮系成形为使得马达以相同的速度运行。

螺旋桨可以由多个电动马达驱动，每个电动马达由与另一个电动马达的电供应电压不同的电供应电压供电，监控装置针对每个电供应电压包括专用测量构件。

根据另一方面，本发明涉及一种用于使用根据本发明的监控装置来监控由至少一个电动马达驱动的螺旋桨的速度的方法。该方法至少包括以下步骤：

(a)从至少一个马达获取至少一个供应电压；

(b)根据所获取的供应电压改变螺旋桨的旋转速度，以便保持基本恒定的转矩和大于或等于预定最小推力的推力。

步骤(a)包括以下子步骤：

(a1)获取多个供应电压，每个供应电压专用于不同的马达；

(a2)识别所获取的最低供应电压，

并且其中，在步骤(b)中，所使用的所获取的供应电压是在步骤(a2)中识别的所获取的最低供应电压。

步骤(b)还可以包括根据所获取的供应电压改变螺旋桨的桨距，以保持由螺旋桨输出的基本恒定的转矩和大于或等于预定最小推力的推力。

根据另一方面，本发明涉及一种飞行器，包括由至少一个电动马达驱动的螺旋桨和根据本发明的监控装置。

附图说明

本发明的其他特征、目的和优点将从以下纯粹是说明性的而非限制性的并且应当结合附图来阅读的描述中显现，在附图中：

图1是电动马达的转矩-速度平面的图示。

图2是包括根据本发明的监控装置的电推力器的框图。

图3是包括多个串联电动马达的电推力器的示意图。

图4是包括多个电动并励马达的电推力器的示意图。

图5是根据本发明的方法的框图。

具体实施方式

总体架构

根据第一方面，如图2所示，本发明提出了一种用于对由飞行器100的至少一个电动马达4驱动的螺旋桨3的速度进行监控的装置1。典型地(通过示例但非限制性示例的方式)，一个或多个马达4由电池5供电。替代地或除了电池之外，还可以通过发电机和/或燃料电池来提供电供应电压。

电推力器

根据本发明的监控装置1被设计成集成到电推力器10中，电推力器10本身就是本发明的目的。

通常，电推力器10包括至少一个螺旋桨3，该螺旋桨由一个或多个电动马达4驱动旋转。实际上，单个电动马达4可以驱动螺旋桨3，或者多个电动马达4可以驱动同一螺旋桨3。电动马达4或每个电动马达4被供应有电信号形式的电能并且该电动马达提供机械能。更具体地，每个电动马达4由两个电参量(电压和强度)供应，并且输出两个机械参量(旋转速度和转矩)。众所周知，示意性地，输入处的电压信号的频率的变化改变输出处的速度，并且类似地输入处的电流强度的变化改变输出处的转矩。

在多个电动马达4驱动同一螺旋桨的情况下，可以区分两种主要架构。参考图3，可以有多个电动马达4，多个电动马达的定子串联安装在同一轴上，以获得马达的转矩的总和，并且多个电动马达驱动单个螺旋桨3旋转。每个定子都可以通过专用转换器连接到电源，定子的电源能够与相邻定子的电源不同。

根据另一种布置，参考图4，可以使多个电动马达4并联机械连接，在这种情况下，每个电动马达4都有自己的定子和自己的转子。齿轮系可以将不同电动马达的旋转进行组合。

根据这两个实施例，所有的电动马达4具有相同的旋转速度，这是通过电动马达所连接的转子或齿轮系实现的，但是每个电动马达都提供不同的转矩。提供给螺旋桨3的转矩是由电动马达4提供的所有转矩的总和。

此外，如图2所示，电推力器10可以包括一个或多个电池5(或另外的电源)，以便为一个或多个电动马达4供电。例如，可以具有电池5为多个电动马达4供电的配置，或者具有每个电动马达连接到不同电池的另一配置。

监控装置

监控装置1可以特别地包括：用于测量提供给马达4的电压的构件11，以及适于独立于提供给马达的电压而改变马达的旋转速度并因此改变螺旋桨的旋转速度的监控构件12。

此外，以一种特别有利的方式，螺旋桨3的旋转速度的变化使得可以保持螺旋桨3的基本恒定的转矩，例如通过共同作用于螺旋桨的桨距(或转子叶片的桨距)的控制。

换言之，监控装置1测量电供应电压，并因此改变传输到马达的信号以改变速度。换言之，本发明使得可以调整电动马达4的旋转速度，以考虑供应电压的可能下降，并避免由马达提供的机械功率的下降。因此，在没有监控构件12的已知系统的情况下，由电池提供的供应电压随着电池耗尽而降低。因此，在这种类型的已知系统中，电动马达的速度也会降低，因为马达的速度与转换器发出的频率有关，其中该频率是供应电压的函数。

另一方面，根据本发明的监控装置1使得可以在一定程度上去除供应电压和电动马达4的旋转速度的相关性。因此，通过测量构件11的测量来监控供应电压。根据该测量，可以估计未来的下降。因此，监控构件12可以直接优化电动马达4的旋转速度，以避免由该马达提供的转矩突然下降。更具体地说，参考图1，图1说明了转矩-速度关系，如果供应电压下降，在保持最大转矩的同时可达到的最大速度也会下降，因为最大速度是与新的供应电压相关的曲线的断点的横坐标。因此，通过监控构件对电动马达的有效速度的优化包括根据测量的供应电压操控(piloter)该速度，使得该速度保持低于曲线上向左平移的曲线的断点的横坐标。通过这种方式，转矩不会下降。

根据定义，马达的机械功率等于转矩乘以旋转速度，可以理解，如果转矩下降，功率会突然下降。

为了优化电动马达4的旋转速度，监控构件12发出信号(提供给电动马达)。该信号是电压的函数，但不仅仅取决于电压。

因此，以一种特别有利的方式，对通过根据本发明的监控装置1所操作的电压进行的监控，使得在由电池5提供的电压下降的情况下，由于根据该电压对马达的旋转速度的操控，而能够不降低由电动马达4所输出的机械功率。换言之，根据本发明的装置1做出了一种折衷方案，在该折衷方案中，可以接受一点一点地降低速度，以避免转矩的突然下降，从而避免所提供的机械功率的突然下降。在下文描述监控方法。

具体地，根据一个实施例，监控构件12可以包括连接到电动马达4的转换器121。转换器121适于接收电供应电压并根据电供应电压传递提供给电动马达4的信号。优选地，转换器121改变提供给电动马达4的信号的频率。因此，优选地，信号的频率的变化使得可以如上所述改变电动马达4的旋转速度。

根据一个特别有利的布置，转换器121连接到每个电动马达4。转换器121的功能是将直流电参量转换为交流电参量(电参量是指电压和强度)。根据这种布置，正是由转换器121提供的交流电参量的变化改变了电动马达4的旋转速度和转矩。更具体地，根据本实施例，转换器121接收直流电供应电压并产生交流信号(例如正弦波或伪正弦波)。如上所述，信号的变化包括信号的频率调制(也就是说，信号的频率的变化)。

通常，测量构件11可以测量电池5的端子处的电压。测量构件11可以是电压表或任何其他能够测量电压的设备。

根据一种特定布置，监控构件12可以控制桨距致动器，该桨距致动器适于根据由监控构件12操控的马达4的速度来改变螺旋桨3的桨距，以保持提供给螺旋桨3的最佳转矩。因此，根据这种布置，监控装置1可以非常有利地调节螺旋桨3的旋转速度和桨距，以保持基本恒定的转矩。在一种特别有利的方式中，螺旋桨3的桨距的变化使得能够为包括监控装置1的飞行器保持最佳推力。换言之，本发明使得可以改变电动马达(并且因此改变螺旋桨3)的旋转速度并改变螺旋桨3的桨距，以便在施加供应电压的情况下最大化由螺旋桨3传递的推力。换言之，螺旋桨桨距的变化使得能够补偿由旋转速度的降低引起的推力损失。因此，桨距的变化使得能够恢复以较低速度运行的螺旋桨的推力，因为示意性地，螺旋桨的推力与螺旋桨的旋转速度和桨距的乘积成比例。在一种优选的方式中，根据电动马达4(以及因此螺旋桨3)的旋转速度控制螺旋桨3的桨距，该旋转速度是由转换器121传递到马达的信号的频率的函数。正是来自转换器121的这个信号可以被桨距控制系统使用以改变螺旋桨3的桨距。

如将在下文所述的，监控装置1可以适于获取多个马达4的端子处的电压，并将这些电压进行比较以选择最低电压。

飞行器

根据另一个方面，本发明涉及一种包括一个或多个根据本发明的电推力器的飞行器100。飞行器100还包括所有通常的航空电子系统，航空电子系统包括用于测量飞行参数的各种仪器。

监控方法

根据另一方面，本发明涉及一种用于对由飞行器100的至少一个电动马达驱动的螺旋桨3的速度进行监控的方法。

该监控方法使用根据本发明的监控装置。

监控方法的过程如图5所示。

该监控方法至少包括以下步骤：

(a)从至少一个马达4获取至少一个供应电压；

(b)根据所获取的供应电压改变螺旋桨的旋转速度，以便保持基本恒定的转矩和大于或等于预定最小推力的推力。

此外，步骤(a)可以包括以下子步骤：

(a1)获取多个供应电压，每个供应电压来自不同的马达4；

(a2)识别所获取的最低供应电压。

在该配置中，在步骤(b)中，所使用的所获取的供应电压是在步骤(a2)中识别的所获取的最低供应电压。这种布置非常有利地使得可以将电动马达的旋转速度或驱动同一螺旋桨的所有电动马达的旋转速度调整为适配所有电动马达中的最低供应电压，使得它们都可以继续向螺旋桨输出功率。

否则，如果一些马达由于其自身的供应电压较高而保持在其初始旋转速度，则具有最低电压的一个或多个电动马达就不能再向螺旋桨3输出功率。

此外，如果螺旋桨3具有可变桨距，则步骤(b)还可以包括根据所获取的供应电压改变螺旋桨3的桨距，以便保持基本恒定的转矩和大于或等于预定最小推力的推力。

换言之，监控装置1从一个或多个马达获取一个或多个供应电压(步骤(a)以及子步骤(a1)和(a2))。同时，预定的最小推力要求被集成到监控装置中。该最小推力要求可以由飞行器100确定并传输到监控装置1，或者可以由监控装置1根据各种飞行参数确定。

有利地，监控装置1可以访问关于电动马达的特性记录的数据表，特别是其转矩-速度平面(参见图1)，该转矩-速度平面描述了根据电动马达的旋转速度马达能够提供的转矩域，当然还可以访问测量的供应电压，以计算在降低马达转矩的风险下不超过的最大可接受旋转速度(转矩-速度曲线的断点)。

如上文所说明的，根据测量的供应电压和电动马达的特性，监控装置1可以调节旋转速度。此外，根据旋转速度的调节，监控装置1可以调节螺旋桨3的桨距，以补偿由速度降低引起的推力损失。根据马达的具体特性，知道要获得的旋转速度，就可以确定需要提供的电压。因此，监控装置1将向马达施加电压，以保持恒定的转矩和最小的推力。

换言之，面对由电池或任何其他电源提供的电压的下降，根据本发明的监控装置1使得能够监控施加到马达4的电压信号，以便以所选择的方式降低速度，从而保持推力并因此保持升力，以避免在马达速度保持不变的情况下可能发生的由马达输出的功率突然下降的风险。

因此，面对有限的电力资源，根据本发明的装置使得能够对由用于飞行器100的推进的电动马达的电池和/或其他电源提供的电压进行自适应管理，以保证其安全性。

Claims (13)

1.一种用于对用于飞行器的电推力器进行监控的监控装置(1)，所述推力器包括螺旋桨(3)和至少一个电动马达(4)，所述电动马达由电供应电压供电并输出转矩和旋转速度，以驱动所述螺旋桨(3)，所述监控装置(1)的特征在于，所述监控装置包括用于测量电供应电压的至少一个构件(11)以及监控构件(12)，所述监控构件适于根据所述电供应电压改变提供给所述电动马达的信号，以改变所述螺旋桨的旋转速度。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述监控构件包括连接到所述电动马达(4)的转换器(121)，所述转换器(121)适于接收所述电供应电压并根据所述电供应电压输出提供给所述电动马达(4)的信号。

3.根据权利要求2所述的装置(1)，其中，所述转换器(121)改变提供给所述电动马达的信号的频率。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述螺旋桨(3)具有可变桨距，并且所述监控构件(12)适于根据所述电供应电压改变提供给用于控制所述螺旋桨的桨距的装置的信号，以改变所述螺旋桨(3)的桨距。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述至少一个测量构件(11)适于测量在为所述至少一个马达供电的至少一个电池的端子处的电供应电压。

6.一种电推力器，包括由至少一个电动马达驱动的螺旋桨和根据权利要求1至5中任一项所述的监控装置。

7.根据权利要求6所述的电推力器，包括多个电动马达，所述多个电动马达的定子串联安装在同一轴上，以便获得多个电动马达的转矩的总和，每个定子经由专用转换器连接到电源。

8.根据权利要求6所述的电推力器，包括多个电动马达，所述多个电动马达经由相同的齿轮系机械地并联连接，以便获得多个电动马达的转矩的总和，所述齿轮系成形为使得所述马达以相同的速度运行。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的电推力器，其中，螺旋桨由多个电动马达驱动，每个电动马达由与另一个电动马达的电供应电压不同的电供应电压供电，所述监控装置(1)针对每个电供应电压包括专用测量构件(11)。

10.一种用于使用根据权利要求1至5中任一项所述的监控装置来监控由至少一个电动马达驱动的螺旋桨的速度的方法，该方法的特征在于，该方法至少包括以下步骤：

(a)从至少一个马达获取至少一个供应电压；

(b)根据所获取的供应电压改变所述螺旋桨的旋转速度，以便保持基本恒定的转矩和大于或等于预定最小推力的推力。

11.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(a)包括以下子步骤：

(a1)获取多个供应电压，每个供应电压专用于不同的马达；

(a2)识别所获取的最低供应电压，

并且其中，在步骤(b)中，所使用的所获取的供应电压是在步骤(a2)中识别的所获取的最低供应电压。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，步骤(b)还包括根据所获取的供应电压改变所述螺旋桨的桨距，以保持由所述螺旋桨输出的基本恒定的转矩和大于或等于所述预定最小推力的推力。

13.一种飞行器，包括由至少一个电动马达驱动的螺旋桨和根据权利要求1至5中任一项所述的监控装置。