基于对转双转子电机的电动共轴多旋翼直升机的制作方法

[0001]
本发明涉及航空器设计制造技术领域，具体地说，涉及一种基于对转双转子电机的电动共轴多旋翼直升机。


背景技术：

[0002]
现有的电动直升机，一般是直接用电动机简单取代发动机作为动力源，其控制方式并没有发生变化，故仍然存在结构复杂，能耗高，续航能力差等缺陷。同时，多旋翼机也可以看作是多旋翼直升机，但多旋翼机的旋翼之间会互相干扰，导致旋翼越多，效率越低。
[0003]
因此，如何克服现有电动多旋翼直升机的上述技术缺陷，是目前本领域技术人员需要研究的一个方向。


技术实现要素：

[0004]
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
[0005]
为此，本发明的目的在于提出一种基于对转双转子电机的电动共轴多旋翼直升机，具体采用如下技术方案：包括，
[0006]
机身；
[0007]
主旋翼系统，所述主旋翼系统位于所述机身的上方正中位置且与所述机身通过紧固件固定，所述主旋翼系统包括共轴的上旋翼和下旋翼、置于所述上旋翼和所述下旋翼之间用于使所述上旋翼和所述下旋翼实现同轴反向等速转动的对转双转子电机；所述主旋翼系统用于为直升机提供主要的飞行动力；
[0008]
副旋翼系统，所述副旋翼系统位于所述主旋翼系统的下方，所述副旋翼系统包括四个控制旋翼，四个所述控制旋翼以所述机身的重心为中心均布在所述机身距离其重心有一定距离的四个角上；所述副旋翼系统为直升机提供姿态控制。
[0009]
本发明以对转双转子电机为核心，由其带动两组对转的上旋翼和下旋翼等速转动，以共轴双旋翼的工作方式工作，其也是作为主旋翼系统的重要组成部分为直升机提供主要的飞行动力。本发明还同时配置了四个控制旋翼，以类似于多旋翼机的控制方式，对机身的姿态进行调节，以达到控制飞行方向的目的。
[0010]
在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：
[0011]
优选的，四个所述控制旋翼与所述机身的重心之间的距离均相等，以确保直升机重心的平稳，同时该距离的大小可根据实际情况进行设计，以使其产生足够的杠杆效应来控制直升机的飞行姿态。
[0012]
优选的，所述对转双转子电机的电机轴向下延伸并通过所述紧固件固定在所述机身底部的机架上。
[0013]
优选的，所述对转双转子电机为大功率的电机，所述控制旋翼采用小功率电机进行控制。
[0014]
优选的，所述上旋翼和所述下旋翼采用的螺旋桨为长螺旋桨，所述控制旋翼采用
的螺旋桨为短螺旋桨。
[0015]
本发明中，主旋翼系统配置有大功率的电机以及较长的螺旋桨，以便其为直升机的升降提供足够的动力。副旋翼系统配置有小功率的电机以及较短的螺旋桨，并将控制旋翼放在了距离机身重心有一定距离的四个角上，使得直升机同时具有了操控灵活，飞行姿态控制精准的优点。
[0016]
优选的，所述对转双转子电机为双转子无刷直流电动机。
[0017]
上述双转子无刷直流电动机为一种特定结构的双转子无刷直流电动机，其包括同步机构、驱动机构、上转子、下转子。
[0018]
所述的同步机构包括立交共轴支架、两个联动齿轮和至少一个(一般是两个)同步齿轮；所述的联动齿轮和同步齿轮分别通过轴承固定在立交共轴支架的垂直相交的轴上，联动齿轮安装在垂直轴的上下位置，同步齿轮安装在水平轴的左右位置；联动齿轮和同步齿轮严密咬合构成一个传动结构。
[0019]
所述的同步机构中的所有齿轮均为圆锥齿轮。
[0020]
所述的驱动机构包括定子绕组、永磁体和定子支架。
[0021]
所述的驱动机构中的定子绕组分为一个个单体，分别固定在定子支架上。
[0022]
所述的永磁体安装在上转子、下转子上，其位置与定子绕组相对应。
[0023]
所述的驱动机构中的定子绕组处在上、下两个转子的永磁体中间。
[0024]
所述的定子绕组排列成一个环状，定子绕组的中心半径，和安装在上转子、下转子中的永磁体的的中心半径相同；定子绕组的两个磁极分别正对上转子、下转子上的永磁体。
[0025]
所述的定子支架上安装有三个霍尔传感器，传感器可以120
°
分布或60
°
分布安装，霍尔传感器的输出连接到转速控制器。在一些对稳定性要求不高的场合，也可以没有霍尔传感器，此时采用相应的无霍尔转速控制器对电机的转动进行控制。
[0026]
所述的上转子和下转子，既与同步机构紧密连接成一体，同时又是驱动机构的一部分。
[0027]
所述的上转子和下转子分别通过紧固件与同步机构中的两个联动齿轮紧密连接在一起。
[0028]
所述的上转子和下转子在与定子绕组相对应的位置安装有永磁体，永磁体与处于上、下转子之间的定子绕组共同组成驱动机构；所述的上转子和下转子上安装的永磁体，其数量和位置完全一样，呈镜像对称。
[0029]
所述的立交共轴支架和定子支架通过紧固件紧密连接为一体。
[0030]
该双转子无刷直流电动机，需配合相应的bldc控制器使用。
[0031]
本方案所述的上转子、下转子，是根据双转子无刷直流电动机用于驱动双旋翼产生升力时所处的位置定义，上转子用于驱动上面位置的旋翼，下转子则用于驱动下面的旋翼。当双转子无刷直流电动机用于产生水平方向的推进力时，上转子实际上是前转子，下转子则可称为后转子。但为了方便起见，不论双转子无刷直流电动机用于何种场合，一概通称为上转子、下转子，文中所提到的水平和垂直，也根据此空间坐标定义。
[0032]
该双转子无刷直流电动机主要通过一个同步机构使上转子、下转子等速对转，实现用一套定子绕组同时驱动两个转子的目的，具有轻便、高效的优点。该双转子无刷直流电动机非常适合应用于本发明这种多旋翼直升机，其可代替普通无刷直流电机，只需一个双
转子无刷直流电动机即可同时驱动两个螺旋桨，可在同等转速下得到更大的推力，或以较低的转速达到同等的推力，从而使多旋翼直升机有更长的续航时间或更大的载重能力，
[0033]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于对转双转子电机的电动共轴多旋翼直升机，具有以下有益效果：
[0034]
1、该直升机采用特定的双转子无刷直流电动机代替普通无刷直流电机作为该直升机的主动力系统，不仅简化了共轴双旋翼直升机的结构，降低了成本，同时也使其更易控制，具有了更长的续航时间、更大的载重能力。
[0035]
2、该直升机同时配置了四个控制旋翼，四个控制旋翼以类似于多旋翼机的控制方式，对机身的姿态进行调节，以达到控制飞行方向的目的。
[0036]
3、该直升机通过采用五轴式结构设计，并合理设计主动力系统和姿态控制系统的位置，使得该飞行器不仅具有了更长的续航时间、更大的载重能力，同时具有了姿态易灵活调整，不易发生坠毁，安全性强等多重优势。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0038]
图1附图为本发明一种实施例的主视图。
[0039]
图2附图为本发明一种实施例的俯视图。
[0040]
图3附图为本发明中双转子无刷直流电动机的整体结构图；
[0041]
图4附图为本发明中双转子无刷直流电动机工作原理示意图；
[0042]
图5附图为本发明中双转子无刷直流电动机上定子支架俯视图；
[0043]
图6附图为本发明中双转子无刷直流电动机上定子支架侧视图；
[0044]
图7附图为本发明中双转子无刷直流电动机上上、下转子结构图；
[0045]
其中，图中，
[0046]
1-机身，11-机架，12-紧固件；2-主旋翼系统，21-上旋翼，22-下旋翼，23-双转子无刷直流电动机；3-副旋翼系统，31-控制旋翼。
[0047]
101-立交共轴支架，102-联动齿轮，103-同步齿轮，104-轴承，201-定子绕组，202-永磁体，203-定子支架，301-上转子，302-下转子。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
[0049]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“重心”、“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。
[0050]
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。
[0051]
实施例：
[0052]
下面根据图1-2详细描述根据本发明实施例的一种基于对转双转子电机的电动共轴多旋翼直升机。
[0053]
如图1-2所示，本发明实施例公开了一种基于对转双转子电机的电动共轴多旋翼直升机，具体包括：
[0054]
机身1；
[0055]
主旋翼系统2，主旋翼系统2位于机身1的上方正中位置且与机身1通过紧固件12固定，主旋翼系统2包括共轴的上旋翼21和下旋翼22、置于上旋翼21和下旋翼22之间用于使上旋翼21和下旋翼22实现同轴反向等速转动的对转双转子电机；主旋翼系统2用于为直升机提供主要的飞行动力；
[0056]
副旋翼系统3，副旋翼系统3位于主旋翼系统2的下方，副旋翼系统3包括四个控制旋翼31，四个控制旋翼31以机身1的重心为中心均布在机身1距离其重心有一定距离的四个角上；副旋翼系统3为直升机提供姿态控制。四个控制旋翼31距离机身1重心的远近需要结合直升机的重量、大小等因素综合确定，以使四个控制旋翼31产生足够的杠杆效应来控制直升机的飞行姿态为宜。
[0057]
为了进一步优化上述实施例的技术方案，四个控制旋翼31与机身1的重心之间的距离均相等，确保直升机重心的平稳，并使其能够更加有效的调整直升机的姿态。
[0058]
为了进一步优化上述实施例的技术方案，对转双转子电机的电机轴向下延伸并通过紧固件12固定在机身1底部的机架11上，确保稳固固定对转双转子电机以及上旋翼21和下旋翼22。
[0059]
为了进一步优化上述实施例的技术方案，对转双转子电机为大功率的电机，控制旋翼31采用小功率电机进行控制。同时，上旋翼21和下旋翼22采用的螺旋桨为长螺旋桨，控制旋翼31采用的螺旋桨为短螺旋桨。大功率的对转双转子电机和具有较长螺旋桨的上旋翼21、下旋翼22配合工作，可以产生足够的动力。小功率电机和具有较短螺旋桨的控制旋翼31配合工作，也足以能够实现对直升机姿态的调节，以达到控制飞行方向的目的。
[0060]
为了进一步优化上述实施例的技术方案，对转双转子电机为双转子无刷直流电动机23。
[0061]
本发明中所使用的对转双转子电机为一种特定结构的双转子无刷直流电动机23，其包括同步机构、驱动机构、上转子、下转子，同步机构包括立交共轴支架、两个联动齿轮和至少一个(一般是两个)同步齿轮；联动齿轮和同步齿轮分别通过轴承固定在立交共轴支架的垂直相交的轴上，联动齿轮安装在垂直轴的上下位置，同步齿轮安装在水平轴的左右位置；联动齿轮和同步齿轮严密咬合构成一个传动结构。
[0062]
该双转子无刷直流电动机23主要通过一个同步机构使上转子、下转子等速对转，实现用一套定子绕组同时驱动两个转子的目的，具有轻便、高效的优点。而且该双转子无刷直流电动机23应用于本发明这种多旋翼直升机中，可代替普通无刷直流电机，其只需一个双转子无刷直流电动机23即可同时驱动两个螺旋桨，可在同等转速下得到更大的推力，或以较低的转速达到同等的推力，从而使多旋翼直升机有更长的续航时间或更大的载重能力，其更为具体的结构及作用效果描述请参见下述描述及说明书附图图3-7。
[0063]
一种双转子无刷直流电动机，包括同步机构、驱动机构、上转子、下转子。
[0064]
附图展示了一种槽数为24、极数为28的双转子无刷直流电动机。
[0065]
如附图所示，该双转子无刷直流电动机的上、下两个转子上均安装有28个磁极，上、下转子和同步机构的两个联动齿轮用紧固件连接在一起，而联动齿轮和两个同步齿轮通过轴承固定在立交共轴支架上，联动齿轮和同步齿轮严密咬合，使其按等比例的速度旋转；由于同步机构的存在，上、下转子只能以相同的速度往相反方向旋转，这一点是非常重要的，是双转子无刷直流电动机能够正常工作的关键技术之一。
[0066]
附图中展示的驱动机构是一个24槽的定子绕组，每个槽都有一个独立的磁芯和绕制在磁芯上的线圈，定子绕组固定在一个有24个槽位的定子支架上，这个24槽的电子绕组和上、下转子中的28个磁极共同构成驱动机构，起到把电能转化为机械能的目的，使双转子无刷直流电动机能够转动并对外输出动力。
[0067]
附图中展示的同步机构中的所有齿轮均为圆锥齿轮，在这个实施方式中，使用了螺旋伞齿轮，这种齿轮虽然制造成本高，但使用效果好，噪声低。
[0068]
定子支架上安装有三个霍尔传感器，传感器可以120
°
分布或60
°
分布安装；霍尔传感器的输出连接到转速控制器。安装霍尔传感器是为了更好地控制电动机的转动，使其转动更平稳；在一些对稳定性要求不高的场合，也可以没有霍尔传感器，此时采用相应的无霍尔转速控制器对电机的转动进行控制。
[0069]
附图中展示的上转子和下转子上安装的永磁体数量都是28个，上下转子呈镜像对称，使用时可以互换，不影响使用。
[0070]
定子绕组处在上转子、下转子的永磁体中间。
[0071]
说明书附图4简单描述了双转子无刷直流电动机的工作原理，显然，双转子无刷直流电动机需配合相应的bldc控制器使用。
[0072]
立交共轴支架和定子支架用紧固件连接为一体，以保障双转子无刷直流电动机的正常运行。
[0073]
本发明是一种利用双转子无刷直流电动机23驱动的共轴双旋翼直升飞机，其相较于现有的共轴双旋翼直升飞机结构更简洁，控制也更简单，为直升机进入电动/混合动力时代提供了一条可行的路径。本发明在设计了一套主旋翼系统的基础上，又同时设计了四个控制旋翼组成了副旋翼系统，即本发明直升机为一种五轴直升机，主旋翼系统为直升机提供主要的飞行动力，副旋翼系统主要对机身的姿态进行调节，以达到控制飞行方向的目的，最终使得本发明直升机整体具有了结构简单、续航能力强、电源消耗少、制作及使用成本低等诸多优点，实用性强，适合进行推广应用。
[0074]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0075]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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