CN214799254U - 一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器及其动力系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器及其动力系统，采用相数冗余的飞行器动力系统架构，正常工作时能够提供更大的功率；并且能获得更多的电机控制自由度来实现相数上的冗余，当动力系统内部出现线路破损、半导体器件损坏等一系列故障导致功率回路阻抗不对称甚至开路故障时，仍可继续容错运行，使动力系统具备断路故障的容错能力，能够实现无人机在多种故障工况下的容错运行，为飞行器提供足够的动力支持旋翼稳定运转，保障飞行器在恶劣、复杂工况中具有一定的容错能力，有效提高飞行器的动力可靠性与飞行作业的安全经济性，保障无人机工作时的人身和设备安全。
Description
技术领域
本实用新型属于飞行器领域，更具体地，涉及一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器及动力系统。
背景技术
近年来，无人机行业发展迅猛，多旋翼飞行器被广泛应用在飞防植保、防疫消杀等典型场景。现其配备的大功率无人机的动力系统普遍存在可靠性差、控制性能差、效率低的问题，因动力系统性能不足引发的事故屡见不鲜，造成了重大的经济损失和人身伤害，原因在于：
1.对于大多数商业化多旋翼产品而言，配备非常昂贵的设备和软件是不切实际的。
2.多旋翼的载重有限，不可能准备很多套冗余系统。
3.多旋翼经常在低空飞行，而低空环境更加复杂，且具有挑战。
4.对于多旋翼，用户很难如民航飞行员那样做到即时的感知和控制。
目前提升动力系统可靠性的主要方案均存在短板，难以同时满足容错性能、功率密度、控制性能和成本等方面的要求。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器及其动力系统，由此解决现有无人机动力系统可靠性差、控制性能差、效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本实用新型的第一方面，提供了一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，包括电机、电调和电池；
所述电机为开绕组电机，包括N个开绕组，所述N个开绕组串联，引出N+1个电机绕组出线端，其中，N＞3；
所述电调包括相互连接的控制单元和功率单元，功率单元包括N+1个桥臂，各桥臂均包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，各桥臂的上节点和下节点均分别连接电池的正极和负极，各桥臂的中点分别与电机各绕组出线端一一连接；
所述电池用于向功率单元提供母线电压，以及向电调控制单元供电；
电调控制单元用于接收并基于飞行控制器发送的控制信号、电调功率单元和电机的实时状态，控制电调功率单元各功率开关器件的开断。
优选地，所述N个开绕组按照相数间隔K串联，0＜K＜N。
优选地，所述N个开绕组中任意相邻的两个开绕组的正极与负极相连；
或，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的负极与负极相连；
或，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的正极与正极相连。
优选地，功率开关器件为带反并联二极管的IGBT或MOSFET。
按照本实用新型的第二方面，提供了一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器，包括如第一方面所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，所述飞行器还包括飞行控制器、机臂、机臂固定件、螺旋桨、天线和脚架，电机与电调固定于机臂上，机臂通过机臂固定件与飞行控制器一体安装于螺旋桨下方，电池还用于向飞行控制器供电。
优选地，所述飞行器还包括水箱和水泵，水箱通过脚架固定安装于机臂下方，电池位于水箱顶部，水泵位于水箱底部。
优选地，所述飞行器还包括摄像头或雷达。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
通过改变极数与槽数的配合将传统的三相电机设计为多相电机，由于电机运行时将有超过三个以上的相绕组参与出力，正常工作时能够提供更大的功率；并且能获得更多的电机控制自由度来实现相数上的冗余，当动力系统内部出现线路破损、半导体器件损坏等一系列故障导致功率回路阻抗不对称甚至开路故障时，仍可继续容错运行，使动力系统具备断路故障的容错能力。因此，本实用新型提供了一种具有容错能力的大功率、高可靠性无人机全电动力系统，能够实现无人机在多种故障工况下的容错运行，为飞行器提供足够的动力支持旋翼稳定运转，保障飞行器在恶劣、复杂工况中具有一定的容错能力，有效提高飞行器的动力可靠性与飞行作业的安全经济性，保障无人机工作时的人身和设备安全。
附图说明
图1是本实用新型提供的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统结构示意图之一；
图2是本实用新型提供的五相开绕组外转子永磁同步电机的剖面图。
图3(a)是本实用新型提供的电池结构正视图；图3(b)是本实用新型提供的电池结构侧视图；图3(c)是本实用新型提供的电池结构俯视图；
图4是本实用新型提供的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统结构示意图之二；
图5是本实用新型提供的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统结构示意图之三；
图6是本实用新型提供的具备断路容错能力的多旋翼飞行器结构示意图之一；
图7是本实用新型提供的具备断路容错能力的多旋翼飞行器结构示意图之二。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-螺旋桨，2-电调，3-电机，4-机臂，5-机臂固定件，6-飞行控制器，7-天线，8-电池，9-水泵，10-脚架。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实用新型提供了一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，包括电机、电调和电池；
所述电机为开绕组电机，包括N个开绕组，所述N个开绕组串联，引出N+1个电机绕组出线端，其中，N＞3。
具体地，电机为相绕组数量大于3的N相开绕组外转子永磁同步电机，每相绕组在电机运行时均参与出力，提供冗余的控制自由度。
所述电机为开绕组电机，电机相数N＞3，可以理解的是，开绕组即绕组中性点打开时，所述N相开绕组具有2N个绕组出线端。所述N相定子绕组(即N相开绕组)串联，从而引出N+1个电机绕组出线端，即所述电机包括N+1个电机绕组节点。
可以理解的是，每个绕组两端可进行任意组合连接。
所述电调包括相互连接的控制单元和功率单元，功率单元包括N+1个桥臂，各桥臂均包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，各桥臂的上节点和下节点均分别连接电池的正极和负极，各桥臂的中点分别与电机各绕组出线端一一连接。
具体地，电调(电子调速器)用于驱动电机旋转进而产生升力，以供飞行器飞行。所述电调为基于串联绕组驱动拓扑开发的电调，包括相互连接的控制单元和功率单元，如图1所示，电调的功率单元包括N+1个桥臂，各桥臂均包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，各桥臂的上节点和下节点均分别连接电池的正极和负极，各桥臂的中点，即N+1个桥臂的中点，分别与N+1个电机绕组出线端一一连接。
图2为本实用新型提供的五相开绕组外转子永磁同步电机的剖面图。
所述电池用于向功率单元提供母线电压，以及向电调控制单元供电。
具体地，如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，所述电池采用分体结构，包括功率电池和辅助电池，功率电池用于向电调功率单元提供母线电压，以提供启动电机的能量；辅助电池用于向电调控制单元供电，以供电调控制单元向各功率开关器件发送开关电压控制信号。
电调控制单元用于接收并基于飞行控制器发送的控制信号、电调功率单元和电机的实时状态，控制电调功率单元各功率开关器件的开断。
具体地，所述电调功率单元的实时状态包括各桥臂各功率开关器件的实时开关状态以及母线电压电流，所述电机的实时状态包括电机各相绕组的实时电压、电流以及电机的实时转速。
飞行器飞行时，飞行控制器向电调提供转速信号，电调的功率单元接收并基于飞行控制器发送的控制信号、电调功率单元和电机的实时状态，控制电调功率单元各功率开关器件的开断，从而使电机在电调的控制下，工作于指令转速。由于电机具有相数上的冗余，当电调的线路、功率开关器件故障或电机绕组出现开路故障时，电机仍可继续提供稳定的转矩使飞行器继续容错运行。
本实用新型提供的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，通过改变极数与槽数的配合将传统的三相电机设计为多相电机，由于电机运行时将有超过三个以上的相绕组参与出力，正常工作时能够提供更大的功率，且能获得更多的电机控制自由度来实现相数上的冗余，当动力系统内部出现线路破损、半导体器件损坏等一系列故障导致功率回路阻抗不对称甚至开路故障时，仍可继续容错运行，使动力系统具备断路故障的容错能力，为飞行器提供足够的动力支持旋翼稳定运转，保障飞行器在恶劣、复杂工况中具有一定的容错能力，有效提高飞行器的动力可靠性与飞行作业的安全经济性。
优选地，所述N个开绕组按照相数间隔K串联，0＜K＜N。
具体地，所述N个开绕组按照相数间隔K串联后，引出N+1个电机绕组出线端，其中，K为大于0小于N的整数。
例如：当N＝5时，K的取值可以为1、2、3、4中的任一个，也即所述5相开绕组可按照相数间隔1进行串联，也可以按照相数间隔2(或3，或4)进行串联。
优选地，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的正极与负极相连。
具体地，如图1所示，定子绕组的左节点对应绕组端电压的正极，绕组的右节点对应绕组端电压的负极。
所述串联可以为将所有的定子绕组按照相数间隔进行首尾相连，即，所述N相绕组中任意相邻的两个绕组的正极与负极相连。如图1所示，图中绕组标有“*”端为绕组负端，将所有的定子绕组按照相数间隔1进行首尾相连后，引出N+1个绕组出线端，分别与电调的N+1个桥臂中点一一连接。
进一步地，以N＝5，K＝2为例，如图4所示，将所有的定子绕组按照相数间隔2进行首尾相连后，引出6个绕组出线端，分别与电调的6个桥臂中点一一连接。
或，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的负极与负极相连；
或，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的正极与正极相连。
具体地，所述串联也可以是将N个定子绕组中的任意一个或多个绕组的正负极进行反向后，按照相数间隔与其他绕组相连，即：所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的负极与负极相连，或，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的正极与正极相连。如图5所示，其中，N＝5，K＝2，将3相绕组和2相绕组的正负极进行反向后，与正负极未进行反向的绕组相连，引出6个绕组出线端，分别与电调的6个桥臂中点一一连接。其中，1相绕组与3相绕组相邻，1相绕组的负极与3相绕组的负极相连；3相绕组还与5相绕组相邻，3相绕组的正极与5相绕组的正极相邻。
优选地，功率开关器件为带反并联二极管的IGBT或MOSFET。
本实用新型还提供了一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器，包括如上述任一实施例所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，所述飞行器还包括飞行控制器、机臂、机臂固定件、螺旋桨、天线和脚架，电机与电调固定于机臂上，机臂通过机臂固定件与飞行控制器一体安装于螺旋桨下方。
具体地，如图4-5所示，所述具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统包括电调2、电机3和电池8，所述飞行器还包括飞行控制器6、机臂4、机臂固定件5、螺旋桨1、天线7和脚架10。
电机固定安装在机臂4上，电调2置于电机3的底侧，用于驱动电机旋转进而产生升力供飞行器飞行。电调2与电机3一起固定安装在机臂4上，再通过机臂固定件5与飞控6一体安装于螺旋桨1下方。
电池主要提供整个飞行器的能量供应，优选地，所述辅助电池还用于向飞行控制器供电。
优选地，电池可安装在螺旋桨下方。
本实用新型提供的具备断路容错能力的多旋翼飞行器，采用相数冗余的飞行器动力系统架构，能够提高整个飞行器的运行可靠性，即使飞行器运行当中，动力系统功率回路出现了断路故障，电机仍能继续降容运行，保障飞行器在恶劣、复杂工况中具有一定的容错能力。
优选地，所述飞行器还包括水箱和水泵，水箱通过脚架固定安装于机臂下方，电池位于水箱顶部，水泵位于水箱底部。
具体地，如图4所示，水箱通过脚架10固定安装于机臂5下方，电池8位于水箱顶部，水泵9位于水箱底部，电池还用于向水泵供电，为水泵提供工作的动力。
优选地，所述飞行器还包括摄像头或雷达。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，其特征在于，包括电机、电调和电池；
所述电机为开绕组电机，包括N个开绕组，所述N个开绕组串联，引出N+1个电机绕组出线端，其中，N＞3；
所述电调包括相互连接的控制单元和功率单元，功率单元包括N+1个桥臂，各桥臂均包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，各桥臂的上节点和下节点均分别连接电池的正极和负极，各桥臂的中点分别与电机各绕组出线端一一连接；
所述电池用于向功率单元提供母线电压，以及向电调控制单元供电；
电调控制单元用于接收并基于飞行控制器发送的控制信号、电调功率单元和电机的实时状态，控制电调功率单元各功率开关器件的开断。
2.如权利要求1所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，其特征在于，所述N个开绕组按照相数间隔K串联，0＜K＜N。
3.如权利要求2所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，其特征在于，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的正极与负极相连；
或，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的负极与负极相连；
或，所述N个开绕组中任意相邻的两个绕组的正极与正极相连。
4.如权利要求1所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，其特征在于，功率开关器件为带反并联二极管的IGBT或MOSFET。
5.一种具备断路容错能力的多旋翼飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器动力系统，所述飞行器还包括飞行控制器、机臂、机臂固定件、螺旋桨、天线和脚架，电机与电调固定于机臂上，机臂通过机臂固定件与飞行控制器一体安装于螺旋桨下方，电池还用于向飞行控制器供电。
6.如权利要求5所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括水箱和水泵，水箱通过脚架固定安装于机臂下方，电池位于水箱顶部，水泵位于水箱底部。
7.如权利要求5所述的具备断路容错能力的多旋翼飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括摄像头或雷达。
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