CN217945534U - 一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,属于飞行器领域。所述架构包括电机、高压电池包和开关盒;电机包括控制飞行器固定旋翼的电机和控制飞行器倾转旋翼的电机,每个控制飞行器固定旋翼的电机直接连接一个电池包;电机和开关盒均为双通道,每个电机通道直接穿过开关盒连接一个高压电池包,并且每个电机通道还通过对应的开关盒通道内设置的高压直流继电器连接其他高压电池包。本实用新型基于一种电动垂直起降飞行器动力构型特点,在4个双通道电机与高压电池包之间设置4个开关盒,实现了该4个电机的高压冗余供电,提高了动力系统安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及飞行器领域,特别涉及一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构。
背景技术
电动垂直起降飞行器是近几年快速发展的一种新型飞行器,即具有垂直起降的便捷,又具有可以高速巡航优点,非常适合城市内部或城市间的短距离快捷交通。由于电动垂直起降飞行器构型和动力布局非常多样,各自有相应的优缺点。
现有的飞行器动力系统一般由6个双通道电机和4个高压电池包组成,且均为可倾转的动力单元。6个双通道电机与4个高压电池包的高压电气架构为一种完全对称的架构,即每个高压电池包分别为3个不同电机的3个通道供电,每个电机的2个通道会与2个不同的高压电池包相连。但是在某一高压电池包失效,与其相连的3个电机通道会失去电源而无动力输出,对飞行器的稳定性会带来一定影响。基于此,本实用新型提供一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,使电动垂直起降飞行器的动力系统更安全。
实用新型内容
本实用新型采取的技术方案为:一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,包括电机、高压电池包和开关盒;电机包括控制飞行器固定旋翼的电机和控制飞行器倾转旋翼的电机,每个控制飞行器固定旋翼的电机直接连接一个电池包;电机和开关盒均为双通道,每个电机通道直接穿过开关盒连接一个高压电池包,并且每个电机通道还通过对应的开关盒通道内设置的高压直流继电器连接其他高压电池包。
如上所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其中,飞行器包括六个动力单元,每个动力单元包括一个双通道电机、一个减速器和一个旋翼,双通道电机有两个相互隔离的A、B通道,每个通道内包括控制器和逆变器,当一个通道的高压供电失效后,另一个通道能完全正常工作。
如上所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其中,所述高压电气冗余架构包括两个控制飞行器固定旋翼的电机和四个控制飞行器倾转旋翼的电机、四个高压电池包和四个开关盒,两个控制飞行器固定旋翼的电机包括电机一和电机六;四个控制飞行器倾转旋翼的电机包括电机二、电机三、电机四、电机五;四个开关盒包括开关盒一、开关盒二、开关盒三和开关盒四;四个高压电池包分别为高压电池包一、高压电池包二、高压电池包三、高压电池包四;四个控制飞行器倾转旋翼的电机通过四个开关盒连接四个高压电池包。
如上所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其中,电机二连接开关盒一、电机三连接开关盒二,电机四连接开关盒三、电机五连接开关盒四。
如上所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其中,电机一连接高压电池包一、电机六连接高压电池包四。
如上所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其中,每个开关盒内部均包括A、B两个通道,分别与相应电机的A、B通道对应;在开关盒的A通道内设置高压直流继电器一,在B通道内设置高压直流继电器二;高压电池包一连接高压直流继电器一的一端,高压直流继电器一的另一端连接电机的A通道,高压电池包二连接高压直流继电器二的一端,高压直流继电器二的另一端连接电机的B通道,高压电池包三直接连接电机的A通道,高压电池包四直接连接电机的B通道。
如上所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其中,当飞行器处于多旋翼模式飞行时,每个高压电池包向三个电机通道高压供电,当某一高压电池包发生故障无高压电源输出时,通过控制开关盒一、开关盒二、开关盒三、开关盒四中的高压直流继电器,切换至其它高压电池包进行供电。
如上所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其中,当飞行器处于固定翼模式时,电机一和电机六处于停止工作状态,每个高压电池包向两个电机通道高压供电;当某一高压电池包发生故障无高压电源输出时,通过控制开关盒一、开关盒二、开关盒三、开关盒四中的高压直流继电器,切换至其它高压电池包进行供电。
与现有技术相比,本实用新型具有如下有益效果:
(1)本实用新型基于一种电动垂直起降飞行器动力构型特点,在4个双通道电机与高压电池包之间设置4个开关盒,实现了该4个电机的高压冗余供电,提高了动力系统安全性。
(2)本实用新型通过一个由高压直流继电器组成的开关盒,为双通道电机的提供高压冗余供电。
(3)本实用新型提供的用于电动垂直起降飞行器的高压电气冗余架构,在某一高压电池包失效后,各双通道电机仍能正常工作提高应急处置时的动力储备,提高了动力系统安全性。
附图说明
图1为电动垂直起降飞行器在多旋翼模式下各动力单元状态结构示意图;
图2为电动垂直起降飞行器在固定翼模式下各动力单元状态结构示意图;
图3为电动垂直起降飞行器的动力单元组成示意图;
图4示例性展示了六个电机和四个高压电池包的布置和连接关系图;
图5为开关盒的内部结构示意图;
图6为当飞行器处于多旋翼模式飞行时某一高压电池包发生故障时的实际高压供电图;
图7为当飞行器处于固定翼模式飞行时的实际高压供电图;
图8为当飞行器处于固定翼模式飞行时高压电池包一发生故障时的实际高压供电图;
图9为当飞行器处于固定翼模式飞行时高压电池包二发生故障时的实际高压供电图。
附图标记:
1-动力单元一;2-动力单元二;3-动力单元三;4-动力单元四;5-动力单元五;6-动力单元六;
11-双通道电机;12-减速器;13-旋翼;
21-电机一;22-电机二;23-电机三;24-电机四;25-电机五;26电机六;
31-高压电池包一;32-高压电池包二;33-高压电池包三;34-高压电池包四;
41-开关盒一;42-开关盒二;43-开关盒三;44-开关盒四;411-高压直流继电器一;412-高压直流继电器二。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本实用新型。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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实用新型和简化描述,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实用新型的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置有”、“连接”等,应做广义理解,例如“连接”,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实用新型中的具体含义。
本实用新型提供一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,包括电机、高压电池包和开关盒;电机包括控制飞行器固定旋翼的电机和控制飞行器倾转旋翼的电机,每个控制飞行器固定旋翼的电机直接连接一个电池包;电机和开关盒均为双通道,每个电机通道直接穿过开关盒连接一个高压电池包,并且每个电机通道还通过对应的开关盒通道内设置的高压直流继电器连接其他高压电池包。
图1和图2示例性地展示了电动垂直起降飞行器结构示意图。该飞行器具有六个动力单元(即动力单元一1、动力单元二2、动力单元三3、动力单元四4、动力单元五5、动力单元六6),其中动力单元一1、动力单元六6为固定旋翼,不具备倾转功能;动力单元二2、动力单元三3、动力单元四4、动力单元五5为倾转旋翼,可在垂直向上与水平向前直接进行90°倾转。飞行器的飞行模式包括多旋翼模式、固定翼模式和过渡态模式三种模式。多旋翼模式主要用于垂直起飞,固定翼模式主要用于巡航,过渡态模式为从多旋翼到固定翼的转换过程。需要说明的是,在实际应用中飞行器中所包括的固定旋翼和倾转旋翼的数量可以根据需要设定,图1到6仅示例性地展示了六个动力单元的电动垂直起降飞行器,实际应用中需保证为每个控制飞行器倾转旋翼的电机设置对应的开关盒,开关盒连接每一个高压电池包。
图1为多旋翼模式下各动力单元状态,动力单元二2、动力单元三3、动力单元四4、动力单元五5的短舱旋转至与机翼垂直向上方向,使旋翼产生向上升力,与动力单元一1、动力单元六6共同作用下,使飞行器以多旋翼模式垂直起飞。图2为固定翼模式下各动力单元状态,动力单元二2、动力单元三3、动力单元四4、动力单元五5的短舱旋转至水平向前方向,产生水平向前拉力。动力单元一1、动力单元六6此时不工作,处于锁止状态。在动力单元二2、动力单元三3、动力单元四4、动力单元五5共同作用下,巡航飞行。
图3为电动垂直起降飞行器的动力单元组成示意图。每个动力单元包括一个双通道电机11、一个减速器12和一个旋翼13,其中双通道电机11有两个相互隔离的A、B通道,每个通道内包括控制器和逆变器。当一个通道的高压供电失效后,另一个通道能完全正常工作,至少保持一半功率输出。
电动垂直起降飞行器的六个动力单元共计有六个电机,由能源系统的四个高压电池包分别向六个电机供应高压直流电。
图4为六个电机和四个高压电池包的布置和连接关系图。图中六个电机分别为电机一21、电机二22、电机三23、电机四24、电机五25和电机六26。图中四个高压电池包分别为高压电池包一31、高压电池包二32、高压电池包三33、高压电池包四34。
由于该电动垂直起降飞行器,在垂直起飞和过渡状态时间非常短,占整个飞行时间不足10%,飞行器绝大多数时间以固定翼模式飞行,因此仅在电机二22、电机三23、电机四24、电机五25与高压电池包相连处采用开关盒,即电机二22连接开关盒一41、电机三23连接开关盒二42,电机四24连接开关盒三43、电机五25连接开关盒四44。电机二22、电机三23、电机四24、电机五25中每一个电机都会通过一个开关盒与四个高压电池包相连。另外两个电机(电机一21和电机六26)都会与两个高压电池包相连(例如图中示例性地展示了电机一21连接高压电池包一31、电机六26连接高压电池包四34)。图4中的高压电池包与电机之间的实线表示该高压线束处于供电状态,虚线表示高压线束处于备用供电状态。
其中,开关盒的内部结构如图5所示,图5示例性地展示了开关盒41的内部结构图(另外几个开关盒的内部结构与图5相同,在此不作赘述)。图中,在开关盒41内部包括A、B两个通道,分别与电机22的A、B通道对应;在开关盒41的A通道内设置高压直流继电器一411(即图中KA标识),在B通道内设置高压直流继电器二412(即图中KB标识)。
高压电池包一31连接高压直流继电器一411的一端,高压直流继电器一411的另一端连接电机二22的A通道,高压电池包二32连接高压直流继电器二412的一端,高压直流继电器二412的另一端连接电机二22的B通道,高压电池包三33直接连接电机22的A通道,高压电池包四34直接连接电机22的B通道。在正常状态下,高压电池包四34、高压电池包三33向电机22的通道A、B分别供电。当高压电池包三33或高压电池包四34发生故障时,通过接通高压直流继电器一411或高压直流继电器二412,由高压电池包一31或高压电池包二32向电机22供电。由此通过开关盒实现了电机22、电机23、电机24、电机25的通道A、B的高压冗余供电。
当飞行器处于多旋翼模式飞行时,在正常状态下,如图4所示,每个高压电池包向三个电机通道高压供电,实现完全对称的高压架构。当某一高压电池包发生故障无高压电源输出时,例如高压电池包一31发生故障,通过控制开关盒一41、开关盒二42、开关盒三43、开关盒四44中的高压直流继电器,切换至其它高压电池包进行供电,各电机的实际高压供电如图6中实线所示,即由高压电池包二32为电机一、三、五供电,由高压电池包三33为电机二、四、六供电,由高压电池包四34为电机二、三、四、五、六供电。此种情况下,虽然失去了一个高压电池包,除电机一21外,其余电机仍能以双通道工作,具体各电机实际输出功率根据飞行器姿态控制需求确定。其余高压电池包失效与高压电池包一31失效情况相似,在此不再赘述。
当飞行器处于过渡态模式时,电机工作情况与多旋翼状态一致,即六个电机均处于工作状态,高压电池包失效结果与多旋翼相似。
当飞行器处于固定翼模式时,电机一21和电机六26处于停止工作状态。各电机的高压供电情况见图7。当高压电池包一31发生故障时,各电机的实际高压供电如图8所示,即由高压电池包二32为电机三、五供电,由高压电池包三33为电机二、四供电,由高压电池包四34为电机二、三、四、五、六供电。当高压电池包二32发生故障时,各电机的实际高压供电如图9所示,即由高压电池包一31为电机三、五供电,由高压电池包三33为电机二、三、四、五供电,由高压电池包四34为电机二、四供电。
由图可见通过增加电机的高压冗余供电,某一高压电池包失效,电机二22、电机三23、电机四24、电机五25可由剩余的三个高压电池包进行供电,继续保证该四个电机的八个通道正常工作,具体各电机实际输出功率根据飞行器姿态控制需求确定。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解,本实用新型不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理,在不脱离本实用新型精神和范围的前提下,本实用新型还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,包括电机、高压电池包和开关盒;电机包括控制飞行器固定旋翼的电机和控制飞行器倾转旋翼的电机,每个控制飞行器固定旋翼的电机直接连接一个电池包;电机和开关盒均为双通道,每个电机通道直接穿过开关盒连接一个高压电池包,并且每个电机通道还通过对应的开关盒通道内设置的高压直流继电器连接其他高压电池包。
2.如权利要求1所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,飞行器包括六个动力单元,每个动力单元包括一个双通道电机、一个减速器和一个旋翼,双通道电机有两个相互隔离的A、B通道,每个通道内包括控制器和逆变器,当一个通道的高压供电失效后,另一个通道能完全正常工作。
3.如权利要求2所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,所述高压电气冗余架构包括两个控制飞行器固定旋翼的电机和四个控制飞行器倾转旋翼的电机、四个高压电池包和四个开关盒,两个控制飞行器固定旋翼的电机包括电机一和电机六;四个控制飞行器倾转旋翼的电机包括电机二、电机三、电机四、电机五;四个开关盒包括开关盒一、开关盒二、开关盒三和开关盒四;四个高压电池包分别为高压电池包一、高压电池包二、高压电池包三、高压电池包四;四个控制飞行器倾转旋翼的电机通过四个开关盒连接四个高压电池包。
4.如权利要求3所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,电机二连接开关盒一、电机三连接开关盒二,电机四连接开关盒三、电机五连接开关盒四。
5.如权利要求4所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,电机一连接高压电池包一、电机六连接高压电池包四。
6.如权利要求5所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,每个开关盒内部均包括A、B两个通道,分别与相应电机的A、B通道对应;在开关盒的A通道内设置高压直流继电器一,在B通道内设置高压直流继电器二;高压电池包一连接高压直流继电器一的一端,高压直流继电器一的另一端连接电机的A通道,高压电池包二连接高压直流继电器二的一端,高压直流继电器二的另一端连接电机的B通道,高压电池包三直接连接电机的A通道,高压电池包四直接连接电机的B通道。
7.如权利要求6所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,当飞行器处于多旋翼模式飞行时,每个高压电池包向三个电机通道高压供电,当某一高压电池包发生故障无高压电源输出时,通过控制开关盒一、开关盒二、开关盒三、开关盒四中的高压直流继电器,切换至其它高压电池包进行供电。
8.如权利要求6所述的一种电动垂直起降飞行器动力系统的高压电气冗余架构,其特征在于,当飞行器处于固定翼模式时,电机一和电机六处于停止工作状态,每个高压电池包向两个电机通道高压供电;当某一高压电池包发生故障无高压电源输出时,通过控制开关盒一、开关盒二、开关盒三、开关盒四中的高压直流继电器,切换至其它高压电池包进行供电。
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