CN205098465U - 带变压器的有绳异步电机多轴飞行器 - Google Patents

Abstract

带变压器的有绳异步电机多轴飞行器，包括机身、多个电动旋翼、飞行状态计算机控制系统和变压器，其特征是采用输电线与外部三相交流电源和飞行器的用电负载组成回路；将异步电机分组，令每组电机的三相绕组串联成三条支路，对各支路采取串联或并联方式与电源连接；对各电机的或绕组的一部分并联多功能模块；多功能模块包括飞行控制电路、可控整流、充电电池、用电负载及假负载；飞行控制电路作为飞行状态计算机控制系统的一部分与飞行状态计算机控制系统主机信号连接并接受其控制，通过改变多功能模块的状态来改变控制所述各电机及飞行器的状态。本实用新型借助于外部电源设施可以节省许多电池的重量并且拥有长时间滞空飞行的能力。

Description

带变压器的有绳异步电机多轴飞行器

技术领域

本实用新型涉及带变压器的有绳异步电机多轴飞行器。

背景技术

现有的多轴飞行器依靠电池驱动，能够在一定空间范围内自由飞行。但其滞空时间受到电池容量限制，因此需要开发新的供电方式。多轴飞行器采用多轴旋翼对称布置，当初始状态为悬停，此时令其中一个或者相邻2至3个旋翼的转速适当变慢且总的升力不变，由于速度变慢的旋翼升力相应变小导致飞行器轴心线倾斜，从而各旋翼的风力产生一个水平方向的分量推动飞行器沿减慢速度的旋翼所在位置方向作水平移动。现有的多轴飞行器多采用电池供电，其滞空时间与电池容量有关而比较短。鉴于异步电机具有某些优点和我们提出采用外部电源有线供电，因此需要开发适合多轴飞行器的交流调速技术。

发明内容

本实用新型的目的是要提供带变压器的有绳异步电机多轴飞行器。

本实用新型实现其目的可以这样做：制造一个带变压器的异步电机多轴飞行器，包括机身、多个电动旋翼、飞行器负荷、飞行状态计算机控制系统、遥控器和变压器，飞行状态计算机控制系统包括卫星定位终端、加速计、磁力计、气压传感器、陀螺仪和通讯模块，交流电源包括采用输电线从外部引入的交流电源；电动旋翼的电机以三相交流异步电机为例介绍，对于三相交流异步电机以外的情况可参照这些内容变通实现；

将所有驱动电动旋翼的各交流异步电机按照空间轴对称分布两个一组分为一个以上的电机组，令每个电机组的电机的三相绕组串联连接形成三条支路，对各个电机组形成的所有支路采取串联或者并联的方式，与电源连接；

对每台电机的至少一相绕组或者部分绕组对称并联一个多功能模块，并且各相电源尽可能均布多功能模块；

多功能模块包括飞行控制电路、可控整流、充电电池、用电负载及假负载。可控整流通过改变整流器件的开通时间来调节其电能输出。用电负载包括稳压滤波电路、飞行状态计算机控制系统、飞行控制电路、用于检测各多功能模块电流和电压的检测器件、无线电接收发射电路和其他所有可能的用电器件；假负载包括可变电阻，也包括固定电阻器件和与其串接的可控硅，假负载用于消耗电能以影响其所并联的旋翼电机及所有旋翼电机的状态；飞行控制电路正常工作时可以完全从充电电池取电而不从可控整流取电；飞行控制电路作为飞行状态计算机控制系统的一部分与飞行状态计算机控制系统主机信号连接并接受其控制。通过改变多功能模块的状态来改变控制所述各电机及飞行器的状态，包括：根据需要，当飞行器的状态控制要求向某个方向飞行，可在陀螺仪的指南下，令与位于所述方向的旋翼电机并联的多功能模块多耗用一些电流，具体包括令相关多功能模块的假负载支路的可控硅的开通时间长一些，或者令可变电阻的阻值变小一些，因此该旋翼因为电机的旁路电流增加自身输入功率减小升力也减小导致飞行器轴心线发生倾斜从而飞行器的升力产生一个向所述方向的水平分量推动飞行器向所述方向移动。与假负载串接的可控硅作为飞行控制电路的一个执行部件，确保飞行控制电路对各多功能模块的功率控制。对于因为所述多功能模块增加使用电能而可能导致飞行器升力不足的问题，可以通过其他方式解决，包括增加外部三相交流电源的电压。属性合适的用电负荷还可以与所有所述电机组成的支路串联或者并联。

本实用新型实现其目的的技术方案：制造一个带变压器的有绳异步电机多轴飞行器，包括机身、多个电动旋翼、飞行器负荷、飞行状态计算机控制系统、遥控器和变压器，飞行状态计算机控制系统包括卫星定位终端、加速计、磁力计、气压传感器、陀螺仪和通讯模块，采用三根输电线与外部三相交流电源和所述飞行器的用电负载组成回路；

将所有驱动电动旋翼的各交流异步电机按照空间轴对称分布两个一组分为一个以上的电机组，令每个电机组的电机的三相绕组串联连接形成三条支路，对各个电机组形成的所有支路采取串联或者并联的方式，与电源连接；

对所述各电机的至少一个绕组或者一个绕组的一部分并联一个多功能模块，并且每条支路至少含有一个多功能模块；多功能模块包括飞行控制电路、可控整流、充电电池、用电负载及假负载；可控整流通过改变整流器件的开通时间来调节其电能输出；用电负载包括稳压滤波电路、飞行状态计算机控制系统、飞行控制电路、用于检测各多功能模块电流和电压的检测器件、无线电接收发射电路和其他所有可能的用电器件；假负载包括可变电阻，也包括固定电阻器件和与其串接的可控硅；飞行控制电路正常工作时可以完全从充电电池取电而不从可控整流取电；飞行控制电路作为飞行状态计算机控制系统的一部分与飞行状态计算机控制系统主机信号连接并接受其控制。

还可以组成一个喷洒机组，包括两架多轴飞行器喷药飞行器、辅助飞行器和跟踪小车，跟踪小车装载有自动卷线装置、水输送管的自动收放装置、外部电源和农药罐；用输电线连接外部电源和飞行器机组上的用电负荷、喷洒飞行器上含有喷洒端口、采用一根两端分别与喷洒端口和农药罐连通的输送管，或者；

组成一个播种机组，包括两架多轴飞行器播种飞行器、辅助飞行器和跟踪小车，跟踪小车装载有自动卷线装置、外部电源、种子输送管的自动收放装置和种子仓；用输电线连接外部电源和飞行器机组上的用电负荷、播种飞行器上含有播种模块、采用一根两端分别与播种模块和种子仓连通的种子输送管。

本文所说的调速包括用于对飞行器的状态控制。

旋翼飞行器包括一柱和多轴旋翼飞行器，一柱包括单翼和双翼。

本实用新型的有益效果：在只需要固定点或者一个小范围使用有关飞行器时，本实用新型带变压器的有绳异步电机多轴飞行器借助于外部电源设施可以节省许多电池的重量并且拥有长时间滞空飞行的能力。业余摄影者也可以利用本实用新型的飞行器进行拍摄获得与采用大型摄影设施相近的半空拍摄效果。

附图说明

图1是一个利用下面的飞行器为上面的飞行器分担输电线负荷的结构示意图。

图2是一个4轴旋翼遥控飞行器的上视结构示意图。

图3是一个多功能模块的原理框图。

图4是一个自耦式三相变压器电路图。

图5是一个农用喷洒旋翼飞行机组的工作原理图。

图中1.飞行器；2.机身；5.外部电源；6.输电线；7.自动卷线装置；24.电动卷筒；25.基座；26.分叉接线端；27.监控器；28.加速度传感器；29.自动卷线装置；42、43、44、45.电动旋翼；42.1、43.1、44.1、45.1电机；46.降落伞；47.可变电阻；48-51.多功能模块；53.可控整流；54.充电电池；55.用电负载；56.假负载；57.变压器；58.绕组；68.喷药飞行器；69.辅助飞行器；70.起降平台；71.农药罐；72.跟踪小车；73.喷洒端口；74.输送管。

具体实施方式

图1给出实施例1。

实施例1中，两架异步电机多轴旋翼飞行器1通过共用一组输电线6串接与地面的自动卷线装置7连接并从外部电源5取电。自动卷线装置7包括一个电动卷筒24和两个与电动卷筒24连接的基座25。并且在上面的飞行器1内部，也设置有一个自动卷线装置29，包括一个电动卷筒24。用于收放位于下面的输电线6。这种串接方式和输电线布置方式由于下面的飞行器承担很大一部分输电线的重量，有利于上面的飞行器飞得更高、更自由。

单架飞行器采用自动卷线装置29，适合贴地飞行而无需拖拉输电线，可以避免或者大大减轻输电线的磨损和羁绊，并能够收起输电线实现重复利用。

实施例1中，下面一个飞行器采用三根裸钢线作为输电线，并且采用一个分叉接线端26引出三根输电线6，每根输电线各自采用一个自动卷线装置单独进行收纳。裸钢线不用绝缘层、有利于散热、分量轻、没有绝缘层磨损的问题。

还可以对三根裸钢线输电线靠近上面分叉接线端26处的表面设置绝缘层，因为一旦三根输电线发生缠绕上面部分会先相碰。

还可以在所述飞行器上设置一个与飞行状态计算机控制系统主机信号连接的监控器27，当了解到三根输电线处于危险状态时，监控器27向飞行状态计算机控制系统报告，以便及时切断电源避免事故。

还可以在所述飞行器上设置一个与飞行状态计算机控制系统主机信号连接的加速度传感器28，当了解到所述飞行器的状态出现问题包括水平旋转超过100度使三根输电线有可能缠绕时，向飞行状态计算机控制系统报告，以便及时切断电源避免事故。

自动卷线装置还可以包括收放线控制电路和收放线执行部件。收放线执行部件含有与收放线控制电路信号连接的接口电路，自动卷线装置的状态根据所述控制电路状态的改变而改变；所述控制电路与飞行状态计算机控制系统联网。

实施例1中，令电动卷筒24的内表面与一台压缩机制冷装置的吸热盘管传热连接，使紧贴电动卷筒24内表面的两层输电线的温度大幅度降低，以保持良好的工况。当大部分输电线存留在电动卷筒表面时，飞行器负荷的输电线少、其负荷轻、输电线的电流也较小。

在一个长1米、外径0.67米的电动卷筒上卷绕两层直径为2毫米的输电线，则输电线的长度达2千米。

图2至4给出实施例2。

实施例2中，4轴异步电机旋翼飞行器1包括机身2、由4台交流异步电机42.1、43.1、44.1、45.1驱动的电动旋翼42、43、44、45和降落伞46。用圆角矩形虚线框圈起的4台电机42.1、43.1、44.1、45.1的各三相定子线圈分别两两串接形成三条支路；三条支路末端并接。4台电机42.1、43.1、44.1、45.1的各三相定子线圈与自耦变压器57对应的对应抽头连接。

变压器57通过裸钢线输电线6、自动卷线装置7和可变电阻47与外部可控三相交流电源5连接。由于所有所述电机对应相绕组的电压和电流相等，电机的状态也相等，但要求它们的旋转方向两正两反。

4台电机42.1、43.1、44.1、45.1分为两组，每组电机在空间以飞行器的轴心线对称布置，旋转方向相反以相互抵消电机转子和旋翼的旋转反作用力。从图2平面直角坐标系中可见：电动旋翼42、43、44、45分别处于第1、2、3、4，四个象限。

通过对4个电动旋翼42、43、44、45的电机绕组抽头，在抽头处和有关绕组端部并联连接总共4个多功能模块48、49、50、51。对所述电机的绕组抽头是为了获得较低的电压来与弱电负载匹配。

多功能模块48、49、50、51包括飞行控制电路、可控整流53、充电电池54、用电负载55及假负载56。可控整流53通过改变整流器件的开通时间来调节其电能输出。用电负载55包括稳压滤波电路、飞行状态计算机控制系统、飞行控制电路、无线电接收发射电路和其他所有可能的用电器件；假负载56包括电阻器件并串接一个可控硅。充电电池54也有稳压滤波作用；当每次飞行任务结束后都对其剩余电能进行检测并充放电至设定范围譬如满电量的62%至65%。飞行控制电路的功能包括对所述电机的控制。飞行控制电路正常工作时可以完全从充电电池54取电而不从可控整流取电。飞行控制电路作为飞行状态计算机控制系统的一部分与飞行状态计算机控制系统主机信号连接并接受其控制。根据需要，当飞行器的状态控制要求向某个方向飞行，可令与某个方向的旋翼电机并联的多功能模块多耗用一些电流，具体包括令相关多功能模块的假负载支路的可控硅的开通时间长一些，因此该旋翼因为电机的旁路电流增加自身输入功率减小升力也减小导致飞行器轴心线发生倾斜从而飞行器的升力产生一个向所述方向的水平分量推动飞行器向所述方向移动。与假负载串接的可控硅作为飞行控制电路的一个执行部件，确保飞行控制电路对各多功能模块的功率控制。

当流过多功能模块48、49、50、51的电流从零到最大时，异步电机42.1、43.1、44.1、45.1的功率从最大到最小。

飞行器的状态控制包括：

通过对外部可控三相交流电源的电压和/或频率进行调节，以及调节各可变电阻52，可实现所述电机的功率控制和/或转速控制从而实现对飞行器1的状态控制包括上升、空中静止、下降和停止。

利用多功能模块48、49、50、51调节飞行状态的原理可简述为：在飞行器1处于悬停状态时，通过同步调节多功能模块48、49、50、51中的一个或者数个的功率来改变所述某一台或者数台电机的状态，从而实现对飞行器状态的控制。譬如：

令与处于第1、4象限的两台电动旋翼42、45的电机绕组并接的多功能模块48、51的电功率大于与另外两个多功能模块49、50的电功率，这将减小电动旋翼45、42相关电机的功率同时增加电动旋翼43、44相关电机的功率，并导致电动旋翼45、42的空间高度略微低于电动旋翼43、44的空间高度，这种状态使得飞行器1开始向Y轴箭头方向或者说正北方向飞行。此时，通过同步平衡4个多功能模块48、49、50、51的电功率，将恢复电动旋翼45、42的功率，并导致电动旋翼42、43、44、45处于同一高度，飞行器恢复处于空中静止状态。

同样道理，减小4个象限中右面两个象限两台电动旋翼相关电机的功率，会导致飞行器向正东面方向飞行。……并且，因为这种改变飞行器飞行的机制可以叠加，从而能够实现飞行器能够向任意方向飞行。控制飞行器状态的技术还可参考利用既有技术。

当然也可以不从所述电机的绕组中间抽头而是直接从所述电机绕组的两端取电供应相关多功能模块，并且上面所述的改变飞行器1飞行状态的方式仍然成立。

即使三个多功能模块都处于满功率和充电状态，因为可以增加外部电源的输入，飞行器仍然可以正常飞行。

当外部电源5不能正常供电时，通过自动接线器拔出输电线6并打开各降落伞46，飞行器1在降落伞46的作用下以足够慢的速度下降；各输电线6也在降落伞46的作用下以较慢的速度下降以便自动卷线装置7正常收线。

实施例2的有益效果包括：利用加载于飞行器上的约1520伏可控三相交流电源驱动4台工作电压为380伏的电动旋翼的交流异步电机，由于电源电压高，输电线的电流相应减小，与电流呈平方关系的热损耗大幅减小，方便采用更细更轻的输电线；通过对外部可控三相交流电源的供电电压进行调节包括采用调压变压器调节实现飞行功率控制很方便。

虽然使用交流电源危险性增大，但比使用对4台电动旋翼的电机供电的四个变流模块更合理。虽然高压电源对电机的绝缘要求有所提高，但电流减小至四分之一，认为值得。

在采用其他电机时，也可采用这种对电动旋翼的电机分组、各电机的相关绕组串接以使用较高电压的设计。

图3中有两个虚线框，右面虚线框的电路为与左面的电路串联连接，但也可以将右面虚线框的电路与左面的电路并联连接。

图5给出实施例3。

实施例3，喷洒机组包括两架多轴飞行器喷药飞行器68、辅助飞行器69和跟踪小车72，跟踪小车72装载有自动卷线装置7、水输送管74的自动收放装置、外部电源5、起降平台70和农药罐71。用输电线6连接外部电源5和飞行器机组上的用电负荷、喷洒飞行器上含有喷洒端口73、采用一根两端分别与喷洒端口73和农药罐71连通的输送管74。农药罐71配置有药液提升设施，包括增压泵。跟踪小车72自动跟踪辅助飞行器69。喷洒端口73为一根横置、其一侧开有排孔的管状物，喷洒端口73等有关内容可以参考现有技术。

实施例3的工作原理简介为：系统开机自检包括辅助飞行器69和喷药飞行器68先后从起降平台70上升空悬停；然后跟踪小车72跟随喷洒机组到达现场，农药罐71启动药液提升设施实施喷药作业。并采用补给车适时对农药罐加药。作业过程中，自动卷线装置7和水输送管74的自动收放装置自动收放输电线6和水输送管74。作业完成，令药液提升设施反向吸回药液至农药罐71。然后两架飞行器降落在起降平台70上并撤回库房。

由于可以长时间连续作业，本实用新型比现有只能工作数分钟的喷药飞行器工作效率高3倍、不用配置更换电池的员工。又由于喷药作业不被打断，既不漏喷也不多喷。效率高还意味着可以在数小时内杀灭蝗虫而不让其逃跑。旋翼机的风有助于药剂到达植物叶子的背面，这是独到的优点。

辅助飞行器69分担了水输送管74和输电线6的重量，实现喷药飞行器68从其机身上面连接输电线6增加了喷药的自由度；辅助飞行器69的支持还可以增加喷药飞行器68作业的距离和面积。

本实用新型的交流电源可以通过其他方式获得包括对蓄电池和其他直流电逆变获得。

Claims (2)

1.带变压器的有绳异步电机多轴飞行器，其特征是包括机身、多个电动旋翼、飞行器负荷、飞行状态计算机控制系统、遥控器和变压器，飞行状态计算机控制系统包括卫星定位终端、加速计、磁力计、气压传感器、陀螺仪和通讯模块，采用三根输电线与外部三相交流电源和所述飞行器的用电负载组成回路；

将所有驱动电动旋翼的各交流异步电机按照空间轴对称分布两个一组分为一个以上的电机组，令每个电机组的电机的三相绕组串联连接形成三条支路，对各个电机组形成的所有支路采取串联或者并联的方式，与电源连接；

对所述各电机的至少一个绕组或者一个绕组的一部分并联一个多功能模块，并且每条支路至少含有一个多功能模块；多功能模块包括飞行控制电路、可控整流、充电电池、用电负载及假负载；可控整流通过改变整流器件的开通时间来调节其电能输出；用电负载包括稳压滤波电路、飞行状态计算机控制系统、飞行控制电路、用于检测各多功能模块电流和电压的检测器件、无线电接收发射电路和其他所有可能的用电器件；假负载包括可变电阻，也包括固定电阻器件和与其串接的可控硅；飞行控制电路正常工作时可以完全从充电电池取电而不从可控整流取电；飞行控制电路作为飞行状态计算机控制系统的一部分与飞行状态计算机控制系统主机信号连接并接受其控制，通过改变多功能模块的状态来改变控制所述各电机及飞行器的状态。

2.按照权利要求1所述的带变压器的有绳异步电机多轴飞行器，其特征是组成一个喷洒机组，包括两架多轴飞行器喷药飞行器、辅助飞行器和跟踪小车，跟踪小车装载有自动卷线装置、水输送管的自动收放装置、外部电源和农药罐；用输电线连接外部电源和飞行器机组上的用电负荷、喷洒飞行器上含有喷洒端口、采用一根两端分别与喷洒端口和农药罐连通的输送管，或者；

组成一个播种机组，包括两架多轴飞行器播种飞行器、辅助飞行器和跟踪小车，跟踪小车装载有自动卷线装置、外部电源、种子输送管的自动收放装置和种子仓；用输电线连接外部电源和飞行器机组上的用电负荷、播种飞行器上含有播种模块、采用一根两端分别与播种模块和种子仓连通的种子输送管。