CN211918983U - 用于交通工具的推力发生旋翼总成 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于交通工具的推力发生旋翼总成，其中，相关联的电机配置为通过改变两个或更多个相关联的电机之间的相对转角来旋转旋翼、控制旋翼/总成的共同变桨、和/或控制旋翼/总成的周期性变桨。

Description

用于交通工具的推力发生旋翼总成
相关申请的交叉引用
本申请主张于2016年8月31日提交的并且题为“CONTROLLING BLADE PITCH BY APLURALITY OF ELECTRIC MOTORS”的挪威专利申请No.20161380的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本实用新型涉及用于产生推力并通过改变两个或更多相关联的电机之间的相对转角来提供共同的和/或周期性变桨的旋翼总成。
背景技术
旋翼总成可以在包括采用一个或多个旋翼总成的旋翼飞机、UAV和固定翼飞机的广泛交通工具中找到。为了操纵这种交通工具，来自旋翼的推力大小和推力的方向可以通过调整旋翼叶片的相对桨距角来改变。
在常规的单旋翼直升机中，通过用所谓的旋转斜盘周期性调整旋翼叶片的桨距角，来控制飞行的水平方向和直升机的稳定性来控制。周期性调整桨距角指的是将每个旋翼叶片的桨距角从一个特定位置的最大值调整到旋转后的最小值180度。当叶片桨距如此改变时，初始竖直的推力倾斜，使直升机沿期望方向转动。通过共同改变所有旋翼叶片的桨距(即，使所有叶片的桨距改变相同的大小)，或者通过简单地改变旋翼的转速，可以改变旋翼总成的升力。可以通过共同改变一个或多个旋翼总成上的桨距、增大或减小所需方向上的推力，来操纵多旋翼飞机。
旋转斜盘由彼此转动连接的旋转式盘和非旋转式盘组成。通常，每个叶片的内端经由变距拉杆连接于旋转式盘，而控制杆附接于非旋转式盘。操作控制杆使整个旋转斜盘倾斜或下降，或仅在期望的点处倾斜或下降。当旋翼旋转时，旋翼叶片的桨距角随着其在被旋转斜盘控制杆倾斜或下降的部分之上移动而通过旋转周期性调整。旋翼飞机中的控制杆通常附接于或者包含伺服机构，伺服机构根据飞行员的输入信号操作控制杆的运动，使得交通工具沿期望方向移动。
替代的旋翼总成(像在固定翼飞机中发现的通过改变共同变桨来调整来自旋翼的推力大小的旋翼总成)可以不包括完整的旋转斜盘组件。这些反而依赖于与例如推杆更直接的连接，其通过推动该杆或活塞组件来调整叶片的角度，在活塞组件中，液压压力的增加推动再次改变该角度的活塞。
WO2016116478阐释了用于控制力矩的推力发生旋翼总成，该旋翼总成包括阻尼元件，并且其中，旋翼扭矩的迅速变化被转换成围绕旋翼叶片的叶片变桨轴线作用的力矩。
US2008185476阐释了在飞机的飞行控制中使用的致动器控制系统。该系统还具有带串联线轴的双同心伺服阀(DCSV)以及耦接于线轴以选择性地使线轴移位的电机。
WO2013169320阐释了用于直升机的自动驾驶系统。该系统具有提供真实飞行姿态估计的内部回路以及提供导航功能并具有与内部回路不同的冗余度的外部自动驾驶回路。
US2008183341阐释了具有控制单元和机械动力单元的交通工具(例如船只)，控制单元和机械动力单元布置为使得扭矩之间的差值向交通工具施加净反作用扭矩。
无论如何，旋转斜盘和伺服机构意味着可能反应缓慢的复杂且沉重的旋翼总成。鉴于过去几十年来电子工业的进步，期望利用不依赖于前述复杂组件、旋转斜盘和伺服机构的设计，来使良好性能的交通工具成为可能。
实用新型内容
本公开的实施例旨在克服或至少减轻上述缺点。
根据实施例，公开了一种用于交通工具的推力发生旋翼总成，其具有第一旋翼叶片，第一旋翼叶片被调整为以标称第一叶片桨距角围绕旋翼轴轴线旋转并围绕纵向旋翼叶片轴线变桨。推力发生旋翼总成可以包括驱动推力发生旋翼总成的第一电机单元和第二电机单元。电机单元的特征可以在于第一相对转角并分别连接于能够绕旋翼轴轴线相对于彼此旋转的、同心定向的第一旋翼轴和第二旋翼轴，其中，第一旋翼轴延伸穿过第二旋翼轴的中心。推力发生旋翼总成还可以包括第一和/或第二旋翼轴与第一旋翼叶片之间的变桨连接部，变桨连接部可以调整或配置为基于变桨连接部的机械结构/布置根据第一相对转角与第一叶片桨距角之间的预定义比率响应于改变电机单元的第一相对转角，来改变第一叶片桨距角。推力发生旋翼总成还可以包括电机控制器，电机控制器被调整或配置为控制第一相对转角，以便控制第一旋翼叶片的第一叶片桨距角。
在推力发生旋翼总成的一个实施例中，第一相对转角可以是第一电机单元相对于第一标称角的第一转角与第二电机单元相对于第二标称角的第二转角之间的差值。在推力发生旋翼总成的另一实施例中，变桨连接部的机械结构包括齿轮装置，齿轮装置包括连接于第一旋翼叶片的叶片齿轮部分和连接于第一或第二旋翼轴的轴齿轮部分，其中，齿轮部分通过相应的齿轮齿接合。在推力发生旋翼总成的另外的实施例中，叶片齿轮部分可以垂直于旋翼叶片的纵向轴线连接于第一旋翼叶片，并且轴齿轮部分可以垂直于旋翼轴轴线连接于旋翼轴。在推力发生旋翼总成的另一实施例中，叶片齿轮部分可以成形为具有与旋翼叶片的纵向轴线重合的旋转轴线的圆形，并且轴齿轮部分可以成形为具有与旋翼轴轴线重合的旋转轴线的圆形。在推力发生旋翼总成的另外的实施例中，变桨连接部可以是球连杆单元。
在推力发生旋翼总成的另外的实施例中，球连杆单元包括变桨臂，变桨臂具有通过球形接头连接于第二轴的第一端和通过球形接头连接于旋翼叶片的第二端。在推力发生旋翼总成的另一实施例中，球连杆单元包括变桨臂，变桨臂具有围绕垂直于旋翼轴线的轴线转动连接于第一或第二轴的第一端和围绕平行于纵向旋翼叶片轴线的轴线转动连接于旋翼叶片的第二端。
在推力发生旋翼总成的附加实施例中，第二旋翼叶片可以被调整或配置为以标称第二叶片桨距角围绕旋翼轴轴线旋转并围绕纵向旋翼叶片轴线变桨。在相关实施例中，推力发生旋翼总成可以包括第三电机单元，第三电机单元驱动推力发生旋翼总成并且具有相对于第二电机单元的第二相对转角，第三电机连接于能够相对于第一和第二旋翼轴旋转的同心定向的第三旋翼轴，其中，所述第二旋翼轴可以延伸穿过第三旋翼轴的中心。推力发生旋翼总成还可以包括第三旋翼轴与第二旋翼叶片之间的变桨连接部，变桨连接部被调整或配置为基于变桨连接部的机械结构响应于改变电机单元的第二叶片桨距角而根据第二相对转角与第二叶片桨距角之间的预定义比率改变第二叶片桨距角，其中，电机控制器可以被调整或配置为还控制第二相对转角，以便控制第二旋翼叶片的第二叶片桨距角。
附图说明
图1A图示根据本实用新型的一个实施例的、处于静止状态的、包括齿轮组件的旋翼总成的立体图。
图1B图示根据本实用新型的另一实施例的、处于静止状态的、具有包括球形接头组件的变桨单元的旋翼总成的立体图。
图1C以剖视图图示根据本实施例的、包括齿轮组件的旋翼总成。
图1D1从侧面图示根据本实施例的、处于标称状态和共同变桨状态的旋翼总成。
图1D2从侧面图示根据本实施例的、处于共同变桨状态的旋翼总成。
图1E1从侧面图示根据本实施例的、处于标称状态和周期性变桨状态的旋翼总成。
图1E2从侧面图示根据本实施例的、处于周期性变桨状态的旋翼总成。
图2A图示根据本实用新型的一个实施例的、处于静止状态的、包括球连杆单元的共同变桨旋翼总成的立体图。
图2B图示根据本实用新型的一个实施例的、处于静止状态的、包括差动齿轮总成的共同变桨旋翼总成的立体图。
图2C1从侧面图示根据本实施例的、处于标称状态的共同变桨旋翼总成。
图2C2从侧面图示根据本实施例的、处于正向共同变桨状态的共同变桨旋翼总成。
图2C3从侧面图示根据本实施例的、处于负向共同变桨状态的共同变桨旋翼总成。
图3A图示根据本实用新型的一个实施例的、处于静止状态的周期性变桨旋翼总成的立体图。
图3B1和图3B2分别从侧面图示根据本实施例的、处于标称状态和周期性变桨状态的周期性变桨旋翼总成。
图4A图示从侧面看的、根据本实施例的、处于标称状态的替代旋翼总成，其利用包括齿轮和常规电机的电机单元。
图4B图示在剖视图中看的、根据本实施例的替代旋翼总成，其利用包括齿轮和常规电机的电机单元。
具体实施方式
本公开涉及一种用于产生推力并通过改变两个或更多相关联的电机之间的相对转角来控制共同和/或周期性变桨的旋翼总成。该旋翼总成可以包括一个或多个旋翼叶片。下面，将通过参考后附附图来讨论和描述本公开的实施例。
现代电机能够快速且精确地操作，并且可以在操作期间几乎立即以非常高的精度进行调整。如将要解释的，本实用新型通过设置一种总成来利用这一点，其中，多个电机提供如下任务中的一个或多个：旋转旋翼、控制共同变桨或控制周期性变桨。注意，本文中的周期性变桨是指在旋翼的旋转周期中的一点处反复调整叶片桨距以实现受控的飞机俯仰和横滚运动，即在水平定位的旋转翼飞机的前/后和左/右方向上的运动。共同变桨是指在整个旋转过程中将相关联的旋翼叶片共同调整相同的大小的旋翼叶片角度，以改变旋翼所产生的推力。本文献中的叶片变桨是指围绕旋翼叶片的纵向轴线的倾斜运动。
在图1a和1c中图示了本公开的第一替代示例性实施例。这里，旋翼总成包括以堆叠同轴方式定位的三个电机10、20、30，其通过电机连接部 2连接于交通工具。根据第一替代实施例的旋翼总成1凭借能够完成旋转旋翼和通过来自电机控制器33的控制来提供共同的和周期性变桨这所有三个任务的三个电机。电机连接部2将旋翼总成1定位并紧固到交通工具上，并且可以根据其将要定位到的交通工具和电机的尺寸而采取多种形状和尺寸。
图1c图示了第一示例性实施例的剖视图，其中可以观察到每个电机相对于彼此独立地设置。为每个相应的电机设置并连接另外的旋翼轴11、 21、31，其中，旋翼轴11定位在旋翼轴21内，而旋翼轴21定位在旋翼轴 31内。旋翼轴11、21、31还被制造为彼此独立的旋转，并且可以围绕其他一个(或多个)旋翼轴和/或在其他一个(或多个)旋翼轴内自由旋转，并且可以按照其位置和具体任务的需要而设置有不同的长度。轴承3设置在与电机连接部2的每个连接和过渡点处，每个相应的旋翼轴11、21、31 定位旋翼轴11、21、31。此外，旋翼轴11、21、31围绕大致竖直的旋翼轴轴线8旋转。
在本文献中也被称为电机单元的电机当前被定义为提供用于操作旋翼总成1的旋转和扭矩的单元。因此，电机可以直接连接于旋翼总成1，或者经由一个或多个齿轮连接以实现连接。以下详述的图1-3中图示的替代实施例适配为与外转式电机单元一起运作。在外转式电机中，电机的“壳体”旋转，而定子保持静止。从而定子可以设置有开放中心，并且电机可以设置有开放中心，以在不影响每个单元的独立性的情况下容纳穿过中心延伸的多个旋翼轴。然而，只要机械设计允许将旋转力传递到至少两个单独的旋翼轴，本公开就可以适配为与任意类型的电机一起运作。例如，如将关于图4所详述的，如果电机单元包括与相应的旋翼轴相互作用的齿轮。为了简化起见，在本说明书中始终使用电机一词。
每个相应的电机10、20、30的位置经由旋转传感器32来监测。单纯作为示例，旋转传感器32可以是磁传感器，其被调整为独立地提供表示相应的电机10、20、30的旋转位置的信号。替代地，旋转传感器32可以是任意类型的位置传感器，例如光学传感器，或者通过对电机反电动势信号进行测量。电机/旋转传感器32连接于电机控制器33，电机控制器33 提供对交通工具的控制并驱动相应的电机10、20、30。因此，电机控制器 33还可以设置有电气和/或电子装置和/或机构来接收来自飞行员或自动驾驶仪的飞行命令输入，以操纵交通工具，阐释这种输入，并将相应的输入/ 控制信号以及来自电机/旋转传感器32的信号提供给相应的电机10、20、 30。替代地，如果交通工具是全自动或半自动的，则电机控制器33可以提供必要的输入/控制信号以沿着预定义或手动更新的路线操纵交通工具。在实际实施中，电机控制器33和旋转传感器32可以包括在自动驾驶仪中或与自动驾驶仪集成，自动驾驶仪具有对操作或自动驾驶交通工具必要的附加特征和能力。在一些情况下，除了来自飞行员的外部输入之外，电机控制器可能还能够提供补充的自主调整以确保交通工具的最佳性能。
此外，旋翼总成1包括两个大致水平安装且相反指向的旋翼叶片5，旋翼叶片5具有预定翼型并设置成预定的标称叶片桨距角7。旋翼叶片5 限定旋翼叶片轴线6，旋翼叶片轴线6从一个叶片(例如第一旋翼叶片 5a)的尖端沿着叶片5的长度延伸到相反指向的叶片(例如第二旋翼叶片 5b)的另一尖端。旋翼叶片5的位置和预定的标称叶片桨距角7被调整以提供旋翼总成1在以标称转速旋转时所需的推力和动态稳定性。
在另一替代实施例中，稳定飞杆(未图示出)可用于抵消和平衡旋翼叶片5的特性，以使它们在旋转期间动态稳定。大致水平的稳定飞杆通常垂直于旋翼叶片轴线6安装，并且可以采取任意形状。在其他实施例中，如果需要动态稳定性，则特别设计且气动稳定的旋翼叶片可以补充或替代飞杆。
如可以在图1a中观察到的，旋翼叶片5连接于变桨单元12，进一步围绕旋翼轴11、21、31定位并对中旋翼叶片5，进一步被连接于电机 10、20、30。进一步参考图1c，旋翼叶片5在其基部连接于连接构件13，连接构件13包括在变桨单元12中或与变桨单元12集成。连接构件13的一侧适配为接收并连接于相应的旋翼叶片5，并且可以采取用于连接旋翼叶片5的相对基部的功能的任意形状。附加紧固件，例如螺钉、螺栓、销、胶水等，可以将旋翼叶片5固定到连接构件13。单纯作为示例，紧固件在所附附图中图示为螺钉。
连接构件13还可以包括用于连接于定位在变桨单元12的中心的中心构件14的装置。在图1c图示的示例性实施例中，这被图示为用于接收和连接于中心构件14的内部孔。这里，中心构件14可以包括与旋翼叶片5 的数量相对应的多个臂，用于与连接构件13并最终与旋翼叶片5接合。紧固件将连接构件13保持于中心构件14。中心构件14还通过附加紧固件固定于旋翼轴21。一个或多个轴承3可以沿着中心构件14的臂定位，允许连接构件13围绕中心构件14的臂自由旋转。因此，旋翼叶片5可以独立地旋转并改变其叶片桨距7，但需要跟随中心构件14围绕旋翼轴轴线8 的任意运动，即旋转运动。
根据示例性实施例，叶片齿轮15进一步连接于连接构件13。叶片齿轮15设置为嵌齿或齿轮，例如但不限于锥齿轮。叶片齿轮15还配备有与安装并连接于相应的旋翼轴11、31的轴齿轮16相应的预定义直径、角度和齿数。因此，叶片齿轮15和轴齿轮16设置为传递输入以在预定义的齿轮齿数比下改变旋翼叶片5的叶片桨距角7，并因此也可称为变桨连接部。根据该实施例，叶片齿轮15、旋翼叶片5和相关联的连接构件13替代地制成为一个部件。
因此，改变叶片齿轮15和相应的轴齿轮16可以提供用于调整电机角运动与叶片桨距7之间的比率以及最大和最小叶片桨距角的机构。因此，叶片齿轮15和轴齿轮16的设计和选择可以由旋翼总成1的操作要求和叶片桨距改变所需的“分辨率”水平来确定。为了说明性的目的，根据第一示例性实施例，轴齿轮16设置为齿轮的45度扇区。然而，根据齿轮齿数比和获得期望的最大和最小叶片桨距角7必要的所需运动，这也可以包括完整的齿轮或完整的360度齿轮的任意更小或更大的部分。相应的叶片齿轮15设置为22,5度的扇区，在该示例中，在任一方向上具有11,25度的运动。图1b图示的示例性实施例示出具有2:1的齿轮齿数比的变桨单元 12，其中，轴齿轮16的45度运动使相应的旋翼叶片5在两个方向上倾斜12,5度。然而，本领域的技术人员将领会，许多设计和比率也是可行和合意的。为了提供替代的齿轮尺寸，轴齿轮16可以沿着相应的旋翼轴向下移动，以使得能够实现较大直径的叶片齿轮15，或者如果需要较小直径的叶片齿轮15，则可以向上移动。替代地，叶片齿轮15可以定位为进一步朝向或远离旋翼轴轴线8，以允许更小或更大直径的轴齿轮16。通过进一步增加简单的壳体，变桨单元12可以设置为闭合单元，限制异物干扰齿轮机构的可能性。
图1b中图示了变桨单元12的替代实施例。这里，每个连接构件13 (而非齿轮)设置有定位在臂上的球形接头17，代替叶片齿轮15的功能。另一球形接头17设置在与相应的旋翼轴11、31的连接点处，代替轴齿轮16。此外，变桨臂18设置并连接在两个球形接头17之间，作为用于将旋翼轴11、31的运动转换为叶片桨距运动的机构。改变这些运动的比率可以通过调整将球形接头17附接到其相应部分的臂(即连接构件13和旋翼轴11、31)的长度来完成。进一步参考图1b，如图所示，上部第二球形接头17的紧固点可以不必与旋翼叶片5处于同一平面中，而是以相对于旋翼叶片平面更低或更高的角度定位并连接于变桨臂18。在改替代实施例中，改变球形接头17的紧固点可能进一步需要增加或减小变桨臂18 的长度以实现旋翼叶片5的期望角运动。同样，下部第一球形接头17也可以相对于旋翼轴轴线8以替代的角度和位置定位，以实现期望的运动。在一些实施方式中，基于球形接头的变桨单元可以提供比先前讨论的基于齿轮的变桨单元12更好的耐久性和更容易的生产。球形接头17和变桨臂 18也可以总体称为球连杆单元，其因此设置为传递所提供的输入来以预定义比率改变旋翼叶片5的叶片桨距角7，并且因此也可以称为变桨连接部。为了便于阅读，在适当的情况下，与旋翼叶片5a相关联的球形接头 17可以进一步称为球形接头17a。同样，在适当的情况下，与旋翼叶片5b 相关联的球形接头17可以进一步称为球形接头17b。
电机控制器33在飞行之前设置有包括在旋翼总成1中的比率以及对于所实施的方案可能的最大和最小叶片桨距角7。不管变桨单元12的设计如何，旋翼总成1的叶片桨距角7的操作和改变是相同的。
操作
根据第一示例性实施例，电机20设置为使旋翼旋转的主机构，然而，所有三个电机10、20、30将通过其连接点促使旋翼总成1旋转。调整旋翼总成1的转速从而由电机控制器33提供，以相同的速率向上或向下调整电机10、20、30的速度，由电机/旋转传感器32来监测。此外，根据本公开的电机10、20、30设置有对电机控制器33已知并由电机/旋转传感器32来监测的相对于彼此的标称位置。通过电机控制器33的旋转旋翼的指令，电机10、20、30将在运行中以相同的速率旋转，并从而保持其相对于彼此的标称位置和转角。
在图1a-1e2图示的示例性实施例中，电机10和旋翼轴11通过上述布置连接，并且设置为用于使旋翼旋转并提供旋翼叶片5b的叶片桨距角7 的改变的机构。电机30和旋翼轴31通过上述布置连接，并且设置为用于使旋翼旋转并提供旋翼叶片5a的叶片桨距角7的改变的机构。通过向旋翼叶片5施加改变桨距角的指令，电机控制器33将短暂地增加或减小相应电机10、30的速度，以使相应电机10、30后退或前进并改变电机10、 20、30之间的相对转角，从而改变期望的旋翼叶片5的桨距角。电机的独立性意味着这可以同时在一个或两个旋翼叶片5上完成。
图1d2图示了正向共同变桨，即相较于图1d1图示的标称桨距增加了旋翼总成1的推力。为了实现这一点，如电机10上的凹口图示的，如电机10上的凹口图示的在操作期间，电机10被指示将其相对于电机20的转角度减小一定量，与由电机控制器33提供的运动指令相应。这引发了旋翼轴11的相应运动，使旋翼轴11与电机10一起相对于电机20逆时针旋转。因此，轴齿轮16b和叶片齿轮15b，或者球形接头17b和变桨臂 18b，跟随该运动，使连接构件13围绕中心构件14的旋翼臂倾斜。由于电机10与20之间的相对转角改变，这增加了旋翼叶片5b的叶片桨距角 7。
同时，电机控制器33指示电机30相较于电机20增加其相对转角度。这引发了旋翼轴31的相应运动，使旋翼轴31相对于旋转方向顺时针旋转。因此，轴齿轮16a和叶片齿轮15a，或者球形接头17a和变桨臂18a，跟随旋转运动，使连接构件13围绕中心构件14的旋翼臂倾斜，增加了旋翼叶片5a的叶片桨距角7。
为了返回到标称位置，电机控制器33简单地指示电机10、30以相同速率返回到相对于电机20的已知标称旋转位置，使旋翼叶片5a和5b返回到其标称位置。因此，本实施例提供了一种总成，其中，相应电机之间的相对位置角度以所提供的比率与旋翼总成1的叶片桨距角7直接相关。
参考图1e1和1e2，为了提供周期性变桨，即将一个旋翼叶片5的叶片桨距角7改变给定量并以将相对的旋翼叶片5改变相反的量，以提供交通工具的俯仰和滚转运动，进行类似的情形。然而，相较于图1d1和图 1d2的共同变桨情形的不同之处在于，如图1e2所示，电机10、30都被指示相对于电机20在相同的方向上移动，以实现相反的叶片桨距角7。
例如，电机控制器33指示电机10将其相对于主电机20的角度增加与由电机控制器33指示的叶片桨距改变相应的特定量。这引发了旋翼轴11 的相应运动，使旋翼轴11相对于电机20顺时针旋转。因此，轴齿轮16b 和叶片齿轮15b，或者球形接头17b和变桨臂18b，跟随该运动，使连接构件13围绕中心构件14的旋翼臂倾斜，减小旋翼叶片5b的叶片桨距角 7。同时，电机控制器33还指示电机30相较于主电机20增大其相对角度。这引发了旋翼轴31的相应运动，使旋翼轴31相对于电机20顺时针旋转。轴齿轮16a和叶片齿轮15a，或者球形接头17a和变桨臂18a，跟随旋转运动，使连接构件13围绕中心构件14的旋翼臂倾斜，增加了旋翼叶片 5a的叶片桨距角7。这在旋翼总成1的多周旋转期间的旋转周期中的相同位置处重复，以提供在给定方向上的持续的飞机或交通工具俯仰或滚转运动。
此外，为了能够正确地施加周期性改变，电机控制器33应当在旋翼总成1旋转时知道旋翼叶片5的位置。由于将电机连接于旋翼叶片5的部件可以认为是坚硬的，因此这借助于旋转传感器32来实现。单纯作为示例，旋转感测装置32可以每次记录电机10、20、30经过传感器的某一位置。此外，通过监测当旋转传感器32记录回转时之间的时间，电机控制器33可以计算旋翼叶片5在整个下一周回转中的精确位置。当电机控制器33将来旋转传感器32的输入与计算出的旋翼叶片5的位置结合时，其准确地知道何时施加周期性变桨输入以及控制交通工具的必要改变量。
基于转速、转动惯量和旋翼总成1的特性，在周期性的和共同变桨期间，电机10、20、30之间的相对角度的改变都可以优选在需要使叶片桨距角7的改变生效之前的某一时间施加。时间的准确提前可以通过计算、模拟或通过对完整功能的旋翼和控制系统进行实际测试来确定。应对该因素的在输入上的必要提前由电机控制器33来控制。
替代实施例
共同变桨旋翼总成
在所有类型和尺寸的多旋翼交通工具中，例如像四旋翼交通工具，操纵通常通过调整相关联的旋翼总成的推力来完成，最常见的是通过调整旋翼总成的转速来完成。相等地调整所有旋翼的推力可以在竖直方向上操纵交通工具，同时利用多个旋翼总成之间的推力差来实现俯仰、滚转和偏航运动。包括快速和精确的共同变桨总成可以进一步提高多旋翼交通工具的机动性和能力。这也适用于固定翼飞机、水下ROV和改变旋翼总成的推力来改变速度或在给定方向上操纵交通工具的其他交通工具。
图2a中图示了第一替代实施例。根据该实施例，旋翼总成1被调整为提供旋转旋翼和按照电机控制器33的控制提供共同变桨的任务，即改变旋翼的推力。因此，将要提出的本实施例需要与两个任务相应的两个电机 20、30，然而，其余结构基本上类似于先前提出的能够实现所有三个任务的旋翼总成1。
因此，图2a图示了具有两个电机20、30的共同变桨旋翼总成1的示例性实施例，电机20、30定位和独立设置为以同轴堆叠方式通过电机连接部2连接于交通工具。相应电机20、30的位置经由旋转传感器32来监测。电机控制器33还设置有电气和/或电子装置和/或机构，以从飞行员或自动驾驶仪(未图示出)接收飞行命令输入，并提供必要的输入以驱动相应的电机20、30、操作旋翼总成并操纵交通工具。此外，两个旋翼轴 21、31连接于电机20、30，其中，旋翼轴21适配为在旋翼轴31内运行。
如图2a所示，的旋翼总成1包括两个大致水平安装且相反指向的旋翼叶片5，旋翼叶片5具有以预定义翼型并设置成标称叶片桨距角7。然而，根据该示例性实施例，旋翼总成1可以包括仅一个或多个旋翼叶片 5。无论如何，旋翼叶片5在其基部中连接于变桨单元12，进一步围绕旋翼轴21、31定位和对中旋翼叶片5，进一步连接于电机20、30。每个旋翼叶片5在其基部处连接于包括在变桨单元12中的连接构件13。附加紧固件可以将旋翼叶片5保持到相应的连接构件13。中心构件14通过附加紧固件进一步保持到旋翼轴21。通过沿着中心构件14的臂定位的多个轴承3，每个连接构件13被定位并允许围绕中心构件14的臂自由旋转。因此，旋翼叶片5可以旋转并改变其叶片桨距角7，但需要跟随中心构件14 围绕旋翼轴轴线8的任意运动，即旋转运动。
球形接头17设置为与每个连接构件13相关并连接。每个旋翼叶片5 设置有另一球形接头17并连接于旋翼轴31。此外，变桨臂18设置并连接在两个球形接头17之间，作为用于将旋翼轴31的旋转运动同时且以相同速率转换成旋翼叶片5的叶片变桨运动的机构。仍然参考图2a，电机20 设置为使旋翼旋转的主机构，然而，电机20、30都将通过其连接点促使旋翼总成1旋转。改变旋翼总成1的转速从而由电机控制器33来提供，驱动电机20、30。为了引发旋翼叶片5的叶片桨距角7的改变，电机控制器 33将短暂地增加或减小相应电机20和30的速度来使电机30相对于电机 20后退或前进，以改变电机20、30之间的相对转角。因此，提供相应电机之间的相对位置角度以提供的比率与旋翼总成1的共同叶片桨距角7直接相关的总成。
参考图2c1-2c3，如电机30上的凹口所示，为了共同提供增加的叶片桨距角7，电机控制器33在旋转期间指示相应电机20、30之间的相对转角的必要改变。因此，电机20、30之间的转角度差使旋翼轴31相对于旋翼轴21旋转。当两个旋翼叶片5经由变桨单元12连接于旋翼轴31时，电机20和30之间的相对转角的改变将通过变桨臂18同时转换为两个旋翼叶片5的改变的角度。
例如，在操作时，指令电机30将其相对于电机20的角度增加与电机控制器33所提供的增加推力相应的特定量，即正向共同变桨。这引发了旋翼轴31的相应运动，使旋翼轴31相对于旋转方向顺时针旋转。因此，球形接头17和变桨臂18跟随该运动，使与每个旋翼叶片5相关联的连接构件13围绕中心构件14的旋翼臂旋转，增加旋翼叶片5的叶片桨距角 7。如果需要负向共同变桨，则会发生相反的情况。
替代地，该示例性实施例可以包括类似于先前描述的并且如图2b图示的齿轮系统。如可以观察到的，该替代实施例的变桨单元12实际上可以被认为是机械差速器，将来自电机20、30的围绕一个轴线的输入运动以给定比率转换成围绕旋翼叶片轴线6的叶片变桨运动。此外，该替代实施例的中心构件14适配为围绕旋翼轴21自由旋转，这是因为此处的连接点在齿轮15、16之间。该替代实施例关于旋转总成和改变叶片桨距角7 两者在两个电机20、30之间均匀地划分操作旋翼叶片5的负载。
周期性变桨旋翼总成
图3a中图示了第二替代实施例。旋翼飞机可以利用周期性变桨旋翼总成1来提供俯仰和滚转运动，而改变推力可以通过调整旋翼的转速来完成。根据该实施例，旋翼总成1被调整为提供旋转旋翼总成1和通过来自电机控制器33的控制来控制周期性变桨的任务。与公开共同变桨旋翼总成1的先前替代实施例一样，这在此图示为具有基于球形接头的变桨单元 12，然而，该示例性实施例可以包括类似于先前在第一替代实施例中描述的齿轮系统，而这不影响该实施例的功能性。
图3a图示的示例性实施例公开了一种具有两个电机20、30的周期性变桨旋翼总成1，电机20、30定位和独立地设置为以同轴堆叠方式通过电机连接部2连接于交通工具。相应电机20、30的位置经由旋转传感器32 来监测。电机控制器33还设置有电气和/或电子装置和/或机构，以从飞行员或自动驾驶仪(未图示出)接收飞行命令输入，并提供必要的控制以驱动相应的电机20、30、操作旋翼总成并和操纵飞机。此外，两个旋翼轴 21、31连接于电机20、30，其中，旋翼轴21适配为在旋翼轴31内运行。
旋翼总成1包括两个大致水平安装且相反指向的旋翼叶片5，旋翼叶片5具有预定义翼型并设置成标称叶片桨距角7。旋翼叶片5在其基部中连接于变桨单元12，进一步围绕旋翼轴21、31定位和对中旋翼叶片5，进一步连接于电机20、30。为了最佳效果，周期性变桨旋翼可以优选需要两个旋翼叶片同时采取相反定向的叶片桨距角7。因此，图3a图示的示例性实施例示出了制造为一个组合式刚性的单元的旋翼叶片5和连接构件 13。
中心构件14还通过附加紧固件固定于旋翼轴21。通过沿着中心构件 14的旋翼叶片臂定位的多个轴承3，组合单元被定位并允许围绕中心构件 14的臂自由旋转。因此，旋翼叶片5可以旋转并改变其叶片桨距7，但需要跟随中心构件14围绕旋翼轴轴线8的任意运动，即旋转运动。球形接头17相对于旋翼叶片5a的连接构件13设置。相对于旋翼轴31设置并连接另一个球形接头17。此外，变桨臂18设置并连接在两个球形接头17之间，作为用于将旋翼轴31的运动转换为旋翼叶片5a的叶片桨距运动的机构。由于旋翼叶片5需要相反指向，所以增加或减小组合单元的旋翼叶片 5a的叶片桨距7将需要在相对的旋翼叶片5b上发生相反的情况。这在旋转周期中的一点处在一个旋翼叶片5处提供最大推力，而在另一点处提供最小推力。周期性变桨运动将通常遵循正弦函数。
根据该替代实施例，电机20设置为用于使旋翼旋转的主机构，然而，电机20、30将通过其连接点促使旋翼总成1旋转。改变旋翼总成1的转速从而由电机控制器33提供，控制电机20、30以相同速率向上或向下改变其速度，由电机/旋转传感器32来监测。
参考图3B1和图3B2，在操作期间，为了周期性地提供叶片桨距角7 的改变，电机控制器33指示电机20、30在其旋转周期中反复提供相应电机20、30之间的相对角度的必要改变。电机20、30之间的角度差使旋翼轴31相对于旋翼轴21旋转，并且电机20、30之间的相对角度的改变将转化为旋翼叶片5a在给定方向上的运动。例如，指示电机30将其相对于电机20的角度增加与电机控制器33提供的指令相对应的特定量。这引发了旋翼轴31的相应运动，使旋翼轴31相对于电机20顺时针旋转。因此，球形接头17和变桨臂18跟随该运动，使连接构件13围绕中心构件14的旋翼臂倾斜，增加旋翼叶片5a的叶片桨距角7。这再次在旋翼总成旋转期间在期望位置处相等地减小旋翼叶片5b的叶片桨距角7。电机30与电机20 之间的旋转位置差在旋翼旋转中稍后反转180度，然后在旋翼的完整回转之后再次重复，以给出旋翼叶片桨距的周期性改变。
替代电机设计
替代地，本公开的电机10、20、30不设置为同轴堆叠方式。参照图 4，旋翼轴11、21、31仍然可以定位在彼此内，并且可以调整为传递旋转输入以使旋翼旋转并改变旋翼总成1的叶片桨距角7。然而，如果包括包括在相应电机单元中或与相应电机单元集成的附加力传递机构，则电机 10、20、30可以移出其堆叠取向而定位在任意合适的位置。这些附加的力传递机构可以例如是如图4a和图4b图示的带装置或齿轮并定位和连接在相应的电机10、20、30及其相应的旋翼轴11、21、31处和之间。使相应的旋翼轴11、21、31与相应的电机10、20、30一起旋转。这还提供了可以调整总成的齿轮齿数比的附加点。
因此，如果进行用于将电机定位和连接于交通工具的必要调整，本公开就可以适配为与能够进行必要控制的任意类型的电机一起运作。
在适用的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施本公开提供的各种实施例。同样在适用的情况下，本文阐述的各种硬件组件和/或软件组件可以组合成包括软件、硬件和/或两者的复合组件，而不背离本公开的精神。样在适用的情况下，本文阐述的各种硬件组件和/或软件组件可以分离成包括软件、硬件和/或两者的子组件，而不背离本公开的精神。此外，在适用的情况下，可以想到软件组件可以实施为硬件组件，反之亦然。
根据本公开的软件(比如非暂时性指令、程序代码部分和/或数据)可以存储在一个或多个非暂时性机器可读介质上。还可以想到，可以使用联网和/或其他方式的一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统来实现本文标识的软件。在适用的情况下，本文描述的各种步骤的排序可以改变、组合成复合步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。
上述实施例阐释但不限制本实用新型。还应当理解，根据本实用新型的原理的许多修改和变化是可能的。因此，本实用新型的范围仅由后附的权利要求限定。

Claims (15)

1.一种用于交通工具的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述推力发生旋翼总成包括：
第一旋翼叶片，其配置为以标称的第一叶片桨距角围绕旋翼轴轴线旋转并围绕纵向旋翼叶片轴线变桨，所述推力发生旋翼总成能够操作来使所述第一叶片桨距角从标称的第一叶片桨距角增加，并且能够操作来使所述第一叶片桨距角从标称的第一叶片桨距角减小；
第一电机单元和第二电机单元，其配置为驱动所述推力发生旋翼总成并且其特征在于，所述第一电机单元和所述第二电机单元之间具有第一相对转角，所述第一电机单元和所述第二电机单元分别连接于同心定向的第一旋翼轴和第二旋翼轴，所述第一旋翼轴和所述第二旋翼轴能够围绕所述旋翼轴轴线相对于彼此旋转，其中，所述第一旋翼轴延伸穿过所述第二旋翼轴的中心；
变桨连接部，其位于所述第一旋翼轴与所述第一旋翼叶片之间以及所述第二旋翼轴与所述第一旋翼叶片之间，所述变桨连接部配置为基于所述变桨连接部的机械结构根据所述第一相对转角与所述第一叶片桨距角之间的预定义比率响应于改变所述电机单元的所述第一相对转角，来改变所述第一叶片桨距角，所述变桨连接部能够操作来使所述第一叶片桨距角从标称的第一叶片桨距角增加，并且能够操作来使所述第一叶片桨距角从标称的第一叶片桨距角减小；和
电机控制器，其配置为控制所述第一相对转角并从而控制所述第一旋翼叶片的所述第一叶片桨距角。
2.根据权利要求1所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述第一相对转角包括所述第一电机单元相对于第一标称角的第一转角与所述第二电机单元相对于第二标称角的第二转角之间的差值。
3.根据权利要求1所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述变桨连接部的所述机械结构包括齿轮装置，所述齿轮装置包括连接于所述第一旋翼叶片的叶片齿轮部分和连接于所述第一旋翼轴或所述第二旋翼轴的轴齿轮部分，并且其中，所述齿轮部分通过相应的齿轮齿接合。
4.根据权利要求3所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述叶片齿轮部分垂直于所述旋翼叶片的所述纵向旋翼叶片轴线连接于所述第一旋翼叶片，并且所述轴齿轮部分相对于所述旋翼轴轴线垂直地连接于所述旋翼轴。
5.根据权利要求3所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述叶片齿轮部分包括具有与所述旋翼叶片的所述纵向旋翼叶片轴线重合的旋转轴线的圆形，并且所述轴齿轮部分包括具有与所述旋翼轴轴线重合的旋转轴线的圆形。
6.根据权利要求1所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述变桨连接部包括球连杆单元。
7.根据权利要求6所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述球连杆单元包括变桨臂，所述变桨臂具有通过球形接头连接于所述第二轴的第一端和通过球形接头连接于所述旋翼叶片的第二端。
8.根据权利要求6所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述球连杆单元包括变桨臂，所述变桨臂具有围绕垂直于所述旋翼轴轴线的轴线转动地连接于所述第一旋翼轴或所述第二旋翼轴的第一端，以及围绕平行于所述纵向旋翼叶片轴线的轴线转动地连接于所述旋翼叶片的第二端。
9.根据权利要求1所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述推力发生旋翼总成还包括：
第二旋翼叶片，其配置为以标称第二叶片桨距角围绕所述旋翼轴轴线旋转并围绕所述纵向旋翼叶片轴线变桨；
第三电机单元，其配置为驱动所述推力发生旋翼总成并且特征在于相对于所述第二电机单元的第二相对转角，所述第三电机单元连接于同心定向的第三旋翼轴，所述第三旋翼轴能够相对于所述第一旋翼轴和所述第二旋翼轴旋转，其中，所述第二旋翼轴延伸穿过所述第三旋翼轴的中心；和
第二变桨连接部，其位于所述第三旋翼轴与所述第二旋翼叶片之间，所述第二变桨连接部被配置为基于所述第二变桨连接部的第二机械结构根据所述第二相对转角与所述第二叶片桨距角之间的预定义比率响应于改变所述电机单元的所述第二相对转角，来改变所述第二叶片桨距角；
其中，所述电机控制器配置为控制所述第二相对转角并从而控制所述第二旋翼叶片的所述第二叶片桨距角。
10.根据权利要求9所述的推力发生旋翼总成，其特征在于：
所述电机控制器配置为接收来自至少一个旋转传感器的各个所述第一电机单元、所述第二电机单元和/或所述第三电机单元的第一旋转位置、第二旋转位置和/或第三旋转位置，所述至少一个旋转传感器配置为测量各个所述第一电机单元、所述第二电机单元和/或所述第三电机单元的所述第一旋转位置、所述第二旋转位置和/或所述第三旋转位置；和
所述电机控制器配置为至少部分地基于各个所述第一电机单元、所述第二电机单元和/或所述第三电机单元的所述第一旋转位置、所述第二旋转位置和/或所述第三旋转位置来控制所述第一电机单元、所述第二电机单元和/或所述第三电机单元以调整所述第一相对转角和/或所述第二相对转角以及相应的所述第一旋翼叶片和/或所述第二旋翼叶片的所述第一叶片桨距角和/或所述第二叶片桨距角。
11.根据权利要求1所述的推力发生旋翼总成，其特征在于：
所述电机控制器配置为接收来自旋转传感器的各个所述第一电机单元和所述第二电机单元的第一旋转位置和第二旋转位置，所述旋转传感器配置为至少测量各个所述第一电机单元和所述第二电机单元的所述第一旋转位置和所述第二旋转位置；和
所述电机控制器配置为至少部分地基于各个所述第一电机单元和所述第二电机单元的至少所述第一旋转位置和所述第二旋转位置来控制所述第一电机单元和/或所述第二电机单元以调整所述第一相对转角和所述第一旋翼叶片的所述第一叶片桨距角。
12.根据权利要求1所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述推力发生旋翼总成还包括：
至少一个旋转传感器，其配置为至少测量所述推力发生旋翼总成的各个所述第一电机单元和所述第二电机单元的第一旋转位置和第二旋转位置。
13.根据权利要求9所述的推力发生旋翼总成，其特征在于，所述推力发生旋翼总成还包括：
至少一个旋转传感器，其配置为测量各个所述第一电机单元、所述第二电机单元和/或所述第三电机单元的第一旋转位置、第二旋转位置和/或第三旋转位置。
14.根据权利要求1所述的推力发生旋翼总成，其特征在于：
所述电机控制器配置为接收来自飞行员或自动驾驶仪的飞行命令输入，以沿着预定义或手动更新的路线操纵所述交通工具；和
所述电机控制器配置为控制所述第一电机单元和/或所述第二电机单元以根据与所述飞行命令输入相对应的更新的所述第一相对转角调整所述第一相对转角，并且从而进一步调整所述第一旋翼叶片的所述第一叶片桨距角，以沿着所述预定义或手动更新的路线操纵所述交通工具。
15.根据权利要求9所述的推力发生旋翼总成，其特征在于：
所述电机控制器配置为接收来自飞行员或自动驾驶仪的飞行命令输入以沿着预定义或手动更新的路线操纵所述交通工具；和
所述电机控制器配置为控制所述第一电机单元、所述第二电机单元和/或所述第三电机单元以根据与所述飞行命令输入相对应的更新的所述第一相对转角和/或第二相对转角调整所述第一相对转角，并且从而调整所述第一旋翼叶片和/或所述第二旋翼叶片的所述第一叶片桨距角和/或第二叶片桨距角，以沿着所述预定义或手动更新的路线操纵所述交通工具。
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