CN117375347A - 轴向磁通对转电机、共轴推进装置和飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种轴向磁通对转电机以及基于所述电机的共轴推进装置和使用所述推进装置的飞行器，它在保留轴向磁通双转子电机优势的基础上优化了基于这种电机的共轴推进装置的结构，使基于轴向磁通对转电机的共轴推进装置比现有技术的同类装置具有了：结构简单、重量轻、散热效率高和便于维修等优点。具体地说，比如以YASA结构的电机为基础，取消其第一转子和第二转子之间的连接，并改变其第二转子中永磁体的磁极方向，使其与第一转子各自独立地对转，并带动方向相反的两组桨叶形成一种新型共轴推进装置。
Description
技术领域
本发明涉及轴向磁通电机和航空装备技术。
背景技术
共轴反转推进装置是航器尤其是旋翼类飞行器常用的一种推进装置，比如以卡西莫夫系列直升飞机为代表的共轴直升飞机和以大疆DJI FlyCart 30为代表的多旋翼飞行器，各自使用了一种共轴反转推进装置，共轴反转推进装置在航空航海领域具有广泛的用途。
一种现有技术的轴向磁场双转子电机，包括两个转子，中间一个定子(双面气隙)，其两个转子的永磁体对向布置，实现在磁场和电机轴平行的定子两端的同向旋转，并以两个转子外壳相连，实现两个转子作为一个整体对外输出动力，比如一种YASA结构的电机。
当使用电驱动实现共轴反转驱动时，现有技术的驱动结构为双电机并联或串联，双电机反向对置安装在共同的支架上，例如大疆DJI FlyCart 30，或者采用具有空心动力输出轴的电机，使一只电机的动力输出轴穿过另一只具有空心动力输出轴的电机，或者两只具有空心动力输出轴的电机安装在共同的轴向支架上，以及使用单电机借助传动组实现共轴反转。即便是在使用轴向磁场双转子电机时，也需要将两只电机组合或者使用一只电机加传动组来实现共轴反转驱动。那么，在现有技术下，例如使用一种YASA结构的电机时会出现以下矛盾，即，在系统中需要先将双转子原本独立的两个动力用转子壳连接起来作为一个动力对外输出，再使用双电机或单电机加传动组的共轴对转手段使其实现共轴对转的双动力输出，此时这个系统就出现了严重的冗赘和传力逻辑上的自相矛盾。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种轴向磁通对转电机以及基于这种电机的共轴推进装置和使用这种推进装置的飞行器，所述轴向磁通对转电机在保留轴向磁通双转子电机性能优势的基础上简化了结构，使所述轴向磁通对转电机以及基于这种电机的共轴推进装置具有：结构简单、重量轻、散热效率高和便于维修等优点。
本发明采取了以下技术方案：以一种轴向磁通双转子电机为基础，例如YASA结构的电机，取消其第一转子和第二转子之间的连接，并改变其第二转子中永磁体的磁极方向，使其与第一转子各自独立旋转并向外输出动力，具体地说，即：本发明的实施例提供一种电机，其特征在于，所述电机包括支架、定子、第一转子和第二转子；所述支架是管状的，所述的定子、第一转子和第二转子是环状的；所述定子由轴向磁通的绕组组合而成，所述轴向磁通的绕组安装在支架上，所述轴向磁通的绕组包括绕组芯和线圈；所述第一转子和第二转子通过轴承和支架连接，所述第一转子和第二转子在定子两侧，在朝向定子的一面安装有永磁体，所述永磁体和定子之间有气隙，所述第一转子和第二转子在定子的驱动下绕其与支架的共同的轴心对向旋转。所述支架的中空部位在一些方案中被用于设置为定子供电的电线、电调等和用于控制桨叶变距机构的连杆、拉线、液压管、舵机和控制线等，甚至在一些方案中，当中空空间足够大且定子安装在支架内侧时，管状支架的中空空间还可用于作为定子的维修空间，而在另一些方案中，与之相反，支架的中空部位被用作推进器对流体做功的空间，而支架外侧被用作布置为定子供电的电线、电调等、用于控制桨叶变距机构的连杆、拉线、液压管、舵机和控制线等以及提供维修空间。
可选地，所述定子、第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承安装在支架外侧。
可选地，所述支架中部向外凸出，所述支架的凸出部分将定子包裹在所述支架的内侧，所述第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承分别安装在支架非凸出部分的外侧，所述第一转子和第二转子的安装永磁体的一侧和包裹定子的支架的凸出部分的表面之间留有气隙，所述支架的凸出部分尤其是其朝向永磁体的部位的材料为导磁材料。
可选地，所述定子、第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承安装在支架内侧。
可选地，其特征在于：所述支架中部向内凸出，所述支架的凸出部分将定子包裹在所述支架的外侧，所述第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承分别安装在支架非凸出部分的内侧，所述第一转子和第二转子的安装永磁体的一侧和包裹定子的支架的向内凸出部分的表面之间留有气隙，所述支架的凸出部分尤其是其朝向永磁体的部位的材料为导磁材料。
本发明的实施例还提供一种推进装置，所述推进装置使用上述任一种电机之一，还包括一正一反两组桨叶，两组桨叶的迎角前后方向相反，对向旋转，共同将流体压向后方，安装在第一转子上并且先接触来流的为第一组桨叶，安装在第二转子上并且后接触来流的为第二组桨叶，还具有整流罩，所述整流罩和支架连接。
可选地，第二组桨叶的桨距比第一组桨叶的桨距大1%~40%。
可选地，所述推进装置，包括两组桨叶变距机构和可变桨距桨叶，第一组桨叶变距机构用于控制第一转子上的可变桨距桨叶，第二组桨叶变距机构用于控制第二转子上的可变桨距桨叶，所述桨叶变距机构是一种现有技术的桨叶变距机构。
可选地，所述推进装置，还包括两组倾斜盘桨叶周期变距机构和可变桨距桨叶，第一组倾斜盘桨叶周期变距机构用于控制第一转子上的可变桨距桨叶，第二组倾斜盘桨叶周期变距机构用于控制第二转子上的可变桨距桨叶，所述倾斜盘桨叶周期变距机构是一种现有技术的直升飞机的倾斜盘桨叶周期变距机构，所述倾斜盘桨叶周期变距机构可以倾斜也可以沿轴向运动，可以实现对相应桨叶桨距的总距控制也可以实现对其桨距周期变化的控制。
本发明的实施例还提供一种飞行器，所述飞行器使用了上述任一种推进装置。
本发明的有益效果为：本发明实施例提供的电机与现有技术的YASA电机相比，由于其定子不需要被双转子组包围，所以电机的整体结构更简单，相比定子被转子三面包围的YASA电机，裸露在转子壳外的定子绕组，散热性能更好，更容易维护；与现有技术的电驱动共轴推进装置相比本发明提供的实施例中的推进装置只需要一个轴向磁通电机驱动，比双电机方案及单电机加齿轮组的电驱动共轴结构更轻更简单；同理，本发明实施例提供的具有电驱动共轴对转推进装置的飞行器也比现有技术的同类飞行器具有结构简单、推重比更高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的一种具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种推进装置的立体示意图；
图2为图1中推进装置的分解示意图；
图3为图1中推进装置的剖视示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种推进装置的剖视示意图；
图5为本发明实施例提供的第三种推进装置的剖视示意图。
附图标记
1-前整流罩；2-第一转子；3-定子；4-第二转子；5-后整流罩；6-涵道推进装置整流罩；7-涵道推进装置内壁；21-桨叶；22-支架；23-永磁体；24-轴承；31-支架；32-绕组；41-桨叶；42-支架；43-永磁体；44-轴承；321-线圈；322-绕组芯。
实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的一种选定实施例。基于本发明中的方法或实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图1、图2、图3所示，提供了本发明推进装置的一种实施例，包括1-前整流罩和5-后整流罩、3-定子、2-第一转子和4-第二转子、桨叶21和桨叶41；所述2-第一转子和4-第二转子分别包括各自的22-支架和42-支架、23-永磁体和43-永磁体、24-轴承和44-轴承、桨叶21和桨叶41；所述2-第一转子和4-第二转子分别通过各自的24-轴承和44-轴承和31-支架连接，所述桨叶21和桨叶41分别和22-支架和42-支架连接；所述的3-定子由32-绕组组合而成，所述32-绕组安装在31-支架上，所述32-绕组包括各自的321-线圈和322-绕组芯；所述321-线圈由电机的电调供电，当321-线圈被电调供电时，所述32-绕组两端形成磁极，驱动2-第一转子和4-第二转子上的23-永磁体和43-永磁体，使2-第一转子和4-第二转子各自独立地对向旋转。
如图4所示，提供了本发明推进装置的另一种实施例，其31-支架在其中部3-定子所在的位置向外凸出，所述31-支架的凸出部分将3-定子包裹在所述31-支架的内侧，所述2-第一转子和4-第二转子、以及连接2-第一转子和31-支架、4-第二转子和31-支架的24-轴承和44-轴承分别安装在31-支架非凸出部分的外侧，所述2-第一转子和4-第二转子的安装23-永磁体和43-永磁体的一侧和包裹3-定子的31-支架的凸出部分的表面之间留有气隙，所述31-支架的凸出部分尤其是其朝向23-永磁体和43-永磁体的部位的材料为导磁材料。
如图5所示，提供了本发明推进装置的第三种实施例，扩大2-第一转子和4-第二转子、31-支架的内径，2-第一转子和4-第二转子分别通过24-轴承和44-轴承连接在31-支架内侧，21-桨叶和41-桨叶分别安装在22-支架和42-支架内侧，3-定子驱动2-第一转子和4-第二转子使其各自带动21-桨叶和41-桨叶作等速对向旋转，并在31支架头尾两端及外围安装具有流线型截面的6-涵道推进装置整流罩，形成一种基于轴向磁通对转电机的新型轮缘驱动涵道推进装置，当然图5示出的实施例也可以采用图4所示实施例中示出的支架凸出包裹定子的方法，使3-定子安装在其31-支架的外侧，从而使本实施例在一些不便从涵道内侧进行维修的使用场景下仍可以获得较好的易维护性能。
进一步地，上述推进装置的实施例中，同一实施例中的21-桨叶和41-桨叶在气动特征相同但迎角的前后方向相反，21-桨叶和41-桨叶分别在22-支架和42-支架的带动下以相同的转速对向旋转。在21-桨叶和41-桨叶的桨距相同时，由于运转时21-桨叶接受的是21-桨叶扰动后的流体，在相同桨距下，41-桨叶的迎角小于21-桨叶的迎角，在本领域公知的实践经验中相同桨距下，41-桨叶产生推力的效率低于21-桨叶约30%，其受到反扭力也小于21-桨叶约30%。
进一步地，为了使上述推进装置的实施例实现运转时的反扭力平衡，使41-桨叶的桨距相对于21-桨叶的桨距增大直到在一定转速下两者产生的反扭力互相平衡。
进一步地，使上述推进装置的实施例的21-桨叶和41-桨叶为可变桨距桨叶，使其31-支架延其轴向在头尾分别延长，在延长后的31-支架两端分别安装桨叶变距机构，所述桨叶变距机构安装在31支架前端的和2-第一转子上的各可变桨距21-桨叶相连，所述桨叶变距机构安装在31-支架后端的和4-第二转子上的各可变桨距41-桨叶相连，通过两组桨叶变距机构的轴向前后运动控制21-桨叶和41-桨叶各自的桨距的变化，实现对所述推进装置的实施例的推力、扭力的大小、方向的控制，使安装所述推进装置的实施例的固定翼飞行器能够实现滑翔时的顺桨动作和刹车时的反桨动作；还能使安装所述推进装置的实施例的固定翼飞行器，特别是单发构型的小型飞行器不使用副翼而做出横滚动作，以及克服反扭，从而使其可以采用小展弦比的机翼，便于其减少机体宽度，增加使用灵活性；当所述推进装置的实施例用于多旋翼飞行器时，由于其桨距控制器可以控制升力和扭力的分配，从而可以实现一种使多旋翼飞行器电机转速不变而仅通过桨距控制实现多旋翼飞行器的俯仰、偏航、横滚等动作的控制方法。
进一步地，使上述推进装置的实施例的21-桨叶和41-桨叶为可变桨距桨叶，使其31-支架延其轴向在头尾分别延长，在延长后的31-支架两端分别安装倾斜盘桨叶周期变距机构，所述倾斜盘桨叶周期变距机构安装在31支架前端的和2-第一转子上的各可变桨距21-桨叶相连，所述倾斜盘桨叶周期变距机构安装在31-支架后端的和4-第二转子上的各可变桨距41-桨叶相连，通过两组倾斜盘桨叶周期变距机构的倾斜和沿轴向运动实现对21-桨叶和41-桨叶各自的桨距的总距和桨距的周期变化的控制，使安装所述推进装置的实施例的旋翼类飞行器特别是共轴双旋翼直升飞机实现升降、俯仰、横滚、偏航等动作。
综上所述，上述实施例具有结构更简单和建造成本更低的特点。对上述实施例进行技术替换还可以得到更多实施例，比如将所述的推进装置实施例尤其是图4示出的推进装置的实施例用于水下航行器，此时其定子3直径可以放大，而定子绕组32可以做的小而多，从而实现一种大桨距大桨盘大推力且低转速低电流的水下静音低电磁波的隐身推进效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的一些实施技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，航空、航海领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的范围。
Claims (10)
1.一种电机，其特征在于，所述电机包括支架、定子、第一转子和第二转子；所述支架是管状的，所述的定子、第一转子和第二转子是环状的；所述定子由轴向磁通的绕组组合而成，所述轴向磁通的绕组安装在支架上，所述轴向磁通的绕组包括绕组芯和线圈；所述第一转子和第二转子通过轴承和支架连接，所述第一转子和第二转子在定子两侧，在朝向定子的一面安装有永磁体，所述永磁体和定子之间有气隙，所述第一转子和第二转子在定子的驱动下绕其与支架的共同的轴心对向旋转。
2.根据权利要求1所述电机，其特征在于：所述定子、第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承安装在支架外侧。
3.根据权利要求1所述电机，其特征在于：所述支架中部向外凸出，所述支架的凸出部分将定子包裹在所述支架的内侧，所述第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承分别安装在支架非凸出部分的外侧，所述第一转子和第二转子的安装永磁体的一侧和包裹定子的支架的凸出部分的表面之间留有气隙，所述支架的凸出部分尤其是其朝向永磁体的部位的材料为导磁材料。
4.根据权利要求1所述电机，其特征在于：所述定子、第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承安装在支架内侧。
5.根据权利要求1所述电机，其特征在于：所述支架中部向内凸出，所述支架的凸出部分将定子包裹在所述支架的外侧，所述第一转子和第二转子、以及连接第一转子和支架、第二转子和支架的轴承分别安装在支架非凸出部分的内侧，所述第一转子和第二转子的安装永磁体的一侧和包裹定子的支架的向内凸出部分的表面之间留有气隙，所述支架的凸出部分尤其是其朝向永磁体的部位的材料为导磁材料。
6.一种推进装置，其特征在于：包括权利要求1~5任一项所述电机之一、桨叶和整流罩，所述桨叶包括一正一反两组桨叶，所述一正一反两组桨叶分别与第一转子和第二转子连接，所述整流罩和支架连接；所述一正一反两组桨叶的迎角的前后方向相反，所述一正一反两组桨叶绕电机轴对向旋转，共同将流体压向后方，和第一转子连接并且先接触来流的为第一组桨叶，和第二转子连接并且后接触来流的为第二组桨叶。
7.根据权利要求6所述推进装置，其特征在于，第二组桨叶的桨距比第一组桨叶的桨距大1%~40%。
8.根据权利要求6所述推进装置，其特征在于，包括两组桨叶变距机构和可变桨距桨叶，所述两组桨叶变距机构的第一组安装在第一转子一侧用于控制第一转子上的可变桨距桨叶，所述两组桨叶变距机构的第二组安装在第二转子一侧用于控制第二转子上的可变桨距桨叶。
9.根据权利要求6所述推进装置，其特征在于，包括两组倾斜盘桨叶周期变距机构和可变桨距桨叶，所述两组倾斜盘桨叶周期变距机构的第一组安装在第一转子一侧用于控制第一转子上的可变桨距桨叶，所述两组倾斜盘桨叶周期变距机构的第二组安装在第二转子一侧用于控制第二转子上的可变桨距桨叶。
10.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求6~9任一项所述推进装置之一和机体。
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