CN209023138U - 一种增程式多旋翼飞机动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种增程式多旋翼飞机动力系统，包括增程器、动力电池以及驱动装置；其中，增程器与驱动装置电连接，用于向驱动装置提供动力电源；增程器包括双绕组起动发电一体机以及与双绕组起动发电一体机中各发电机绕组分别对应设置的逆变器；动力电池与增程器和驱动装置电连接，用于单独向驱动装置提供动力电源，或与增程器同时向驱动装置提供动力电源；增程器发出的电量可向动力电池充电；驱动装置用于基于增程器和/或动力电池提供的动力电源驱动多旋翼飞机。基于本实用新型提供的多旋翼飞机动力系统可以有效的降低动力系统的重量，且采用双系统冗余备份，不仅保证系统用电安全，还可以实现飞行器要求具有的高可靠，提高系统效率。

Description

一种增程式多旋翼飞机动力系统

技术领域

本实用新型涉及动力系统技术领域，特别是涉及一种增程式多旋翼飞机动力系统。

背景技术

电驱动多旋翼飞机的应用范围已逐渐扩增，其多采用电机驱动，而电机的能量来源可以是锂电池，燃料电池等。受限于电池的能量密度，其行驶里程可能会受到影响。尤其是电动多旋翼飞机是一种具有两个及以上旋翼轴的特殊的飞机，其通过每个轴上的电动装置带动旋翼，从而产生升推力。通过改变不同旋翼之间的相对转速可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。多旋翼飞机受限于机械机构一般采用电机来驱动旋翼，而受限于电池的能量密度，多旋翼飞机的续航里程则会受到影响。

实用新型内容

本实用新型提供了一种增程式多旋翼飞机动力系统以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种增程式多旋翼飞机动力系统，包括：增程器、动力电池以及驱动装置；其中，

所述增程器，与所述驱动装置电连接，用于向所述驱动装置提供动力电源；

所述增程器包括：双绕组起动发电一体机以及与所述双绕组起动发电一体机中各发电机绕组分别对应设置的逆变器；当所述双绕组起动发电一体机中的任一发电机绕组发生故障而停止工作时，由另一个发电机绕组正常工作以向所述驱动装置提供动力电源；

所述动力电池，与所述增程器和驱动装置电连接，用于单独向所述驱动装置提供动力电源，或与所述增程器同时向所述驱动装置提供动力电源；所述增程器发出的电量可向所述动力电池充电；

所述驱动装置，用于基于所述增程器和/或所述动力电池提供的动力电源驱动所述多旋翼飞机。

本实用新型通过采用在动力系统中同时增程器和动力电池，可以同时或单独向驱动装置提供动力电源，不仅可以保证多旋翼飞机的行驶安全，还可以增加多旋翼飞机的行驶里程。

进一步地，所述双绕组起动发电一体机包括第一发电机绕组和第二发电机绕组；

所述逆变器包括分别连接所述第一发电机绕组和第二发电机绕组的第一逆变器和第二逆变器；所述第一逆变器和第二逆变器各自独立控制所述第一发电机绕组和第二发电机绕组。起动发电一体机不仅在系统起动阶段起到起动机作用，还可以在系统正常起动后切换到发电模式，起到发电机作用；另外，采用具有相互独立的两套定子绕组，即具备两套安全冗余的起动发电一体机，当其中任一发电机绕组发生故障时，可由另一正常工作，保证系统安全。

进一步地，所述驱动装置包括多个双绕组驱动电机以及与各双绕组驱动电机对应设置的后级逆变器；

各双绕组驱动电机均通过各自的后级逆变器与所述增程器和动力电池电连接，以基于所述增程器和/或动力电池提供的动力电源驱动所述多旋翼飞机。

进一步地，所述多个双绕组驱动电机与所述多旋翼飞机各旋翼对应设置，用于基于所述增程器和/或动力电池提供的动力电源驱动所述多旋翼飞机上各旋翼转动。通过在多旋翼飞机的各旋翼设置驱动其转动的双绕组驱动电机及后级逆变器，可以在其中任一绕组发生故障时，由另一绕组提供驱动力，保证飞机的飞行安全。

进一步地，所述双绕组驱动电机包括第一驱动电机绕组和第二驱动电机绕组：

所述后级逆变器包括第一后级逆变器和第二后级逆变器，所述第一后级逆变器和所述第二后级逆变器各自独立控制所述第一驱动电机绕组和所述第二驱动电机绕组。由第一后级逆变器和第二后级逆变器分别控制两个驱动电机绕组，可进一步保证多旋翼飞机的行驶安全。

进一步地，所述增程器还包括原动机，与所述双绕组起动发电一体机连接，用于向所述双绕组起动发电一体机提供动力源。

进一步地，所述原动机为微型燃气轮机。微型燃气轮机是一种新型的热机，其可提供轻便、清洁、高效、安静的动力系统。

进一步地，所述增程器，还用于根据所述多旋翼飞机的驱动功率需求确定单独向所述驱动装置提供动力电源，或和所述动力电池同时向所述驱动装置提供动力电源，进而满足多旋翼飞机的基本需求，节省能源。

进一步地，所述系统还包括能量回收装置，用于收集所述增程器发出的多余能量，向所述动力电池充电。通过添加能量回收装置可以对增程器多余的能量以进行能量回收，可以降低能耗、节省能源，进而延长整个动力系统的使用寿命。

在本实用新型实施例提供的增程式多旋翼飞机动力系统中，通过增程器、动力电池以及驱动装置构成了串联式混合动力系统，基于本实用新型提供的动力系统，不仅有效降低系统的复杂程度，还可以提升多旋翼飞机行驶的可靠性，采用增程器和动力电池单独或同时向驱动装置提供动力电源的方式，可以在提升安全效果的同时增加行驶里程，进而提高系统效率。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的增程式多旋翼飞机动力系统结构示意图；

图2是根据本实用新型优选实施例的增程式多旋翼飞机动力系统结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例一的增程式多旋翼飞机动力系统结构示意图；

图4是根据本实用新型实施例二的增程式多旋翼飞机动力系统结构示意图；

图5是根据本实用新型实施例三的增程式多旋翼飞机动力系统结构示意图；

图6是根据本实用新型实施例四的增程式多旋翼飞机动力系统结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1是根据本实用新型实施例的增程式多旋翼飞机动力系统结构示意图，如图1所示，本实施例提供的增程式多旋翼飞机动力系统可以包括：增程器10、动力电池20以及驱动装置30，其中，增程器10与驱动装置30电连接，用于向驱动装置30提供动力电源；优选地，增程器10包括：双绕组起动发电一体机11以及与双绕组起动发电一体机11中各发电机绕组分别对应设置的逆变器12；当双绕组起动发电一体机11中的任一发电机绕组发生故障而停止工作时，由另一个发电机绕组正常工作以向驱动装置30提供动力电源；

动力电池20，与增程器10和驱动装置30电连接，用于单独向驱动装置30提供动力电源，或与增程器10同时向驱动装置30提供动力电源；另外，增程器10发出的电量可向动力电池20充电；

驱动装置30，用于基于增程器10和/或动力电池20提供的动力电源驱动多旋翼飞机。

在本实用新型实施例提供的动力系统中，通过增程器10、动力电池20以及驱动装置30构成了用串联式混合动力系统，使动力系统的动力源与驱动旋翼的机构实现解耦，极大的降低了机械结构设计难度，原来由机械结构实现的能量传动方式，变为电功率传递，有效降低系统的复杂程度。增程器10产生的电能不仅可以向驱动装置30提供动力电源，还可以向动力电池充电，解决了因为电池能量密度不足导致飞行航程受限的问题。优选地，增程器10可通过电源母线为驱动装置30和动力电池20供电。

可选地，参见图2，双绕组起动发电一体机11可以包括第一发电机绕组111和第二发电机绕组112；相对应地，逆变器12则可以包括分别连接第一发电机绕组111和第二发电机绕组112的第一逆变器121和第二逆变器122；第一逆变器121和第二逆变器122各自独立控制第一发电机绕组111和第二发电机绕组112。双绕组起动发电一体机11优选为为双绕组永磁同步起动发电一体机。起动发电一体机不仅在系统起动阶段起到起动机作用，还可以在系统正常起动后切换到发电模式，起到发电机作用。

当第一逆变器121和/或第一发电机绕组111发生故障而停止工作时，第二逆变器122、第二发电机绕组112正常工作以向驱动装置30提供动力电源；

当第二逆变器122和/或第二发电机绕组112发生故障而停止工作时，第一逆变器121、第一发电机绕组111正常工作以向驱动装置30提供动力电源。

本实施例增程器10中的双绕组起动发电一体机11具有双绕组冗余结构，且第一发电机绕组111和第二发电机绕组112可以独立的被逆第一逆变器121和第二逆变器122分别控制，当其中一组系统停止工作时，另外一组系统依旧可以正常工作而不受影响，进而保证在其中一套系统出现故障时，系统能输出1/2的功率，保证基本多旋翼飞机飞行的基本安全，以增加系统安全冗余度。优选地，第一逆变器121和第二逆变器122优选为AC-DC逆变器。

继续参加图2，驱动装置30可以包括多个双绕组驱动电机31以及与各双绕组驱动电机31对应设置的后级逆变器32，优选为DC-AC逆变器。各双绕组驱动电机均通过各自的后级逆变器与增程器10和动力电池20电连接，以基于增程器10和/或动力电池20提供的动力电源驱动多旋翼飞机。

可选地，双绕组驱动电机31包括第一驱动电机绕组311和第二驱动电机绕组312，优选为双绕组永磁同步电机；后级逆变器32可以包括第一后级逆变器321和第二后级逆变器322，第一后级逆变器321和第二后级逆变器322各自独立控制第一驱动电机绕组311和第二驱动电机绕组312。

由于本实施例提供的动力系统主要用于多旋翼飞机，因此，多个双绕组驱动电机31可分别与多旋翼飞机的各旋翼对应设置，用于基于增程器10和/或动力电池20提供的动力电源驱动多旋翼飞机上各旋翼转动。

当任一旋翼的第一后级逆变器321和/或第一驱动电机绕组311发生故障而停止工作时，第二后级逆变器322、第二驱动电机绕组312正常工作，以驱动对应的旋翼转动；

当任一旋翼的第二后级逆变器322和/或第二驱动电机绕组312发生故障而停止工作时，第一后级逆变器321、第一驱动电机绕组311正常工作，以驱动对应的旋翼转动。

为保证飞机的飞行安全，本实施例中的驱动电机同样采用双绕组永磁同步电机，采用2维度安全冗余设计，当有一组驱动电机绕组发生故障时，系统能够输出1/2的功率，保证基本飞行安全。参见图2，假设飞机的旋翼数量为n，则驱动电机31的编号可以从1至n。相应地，由于一个驱动电机可分别对应设置一组后级逆变器32，每组后级逆变器32均包括两个后级逆变器，即第一后级逆变器321和第二后级逆变器322，如果所有的后级逆变器进行顺序编号的话，n个驱动电机可对应设置后级逆变器依次编号为1，2......2n-1，2n。

继续参见图2，本实施例中的增程器10还可以包括原动机13，与双绕组起动发电一体机11连接，用于向双绕组起动发电一体机11提供动力源。

其中，原动机13优选为微型燃气轮机(可简称微燃机)，并且，微型燃气轮机中压缩机的压缩轮、透平轮以及双绕组起动发电一体机11中的转子设置于同一转轴上，当多旋翼飞机动力系统启动后，压缩机将从多旋翼飞机外吸入的空气压缩后与内置的燃料混合燃烧后形成高温气体，推动微型燃气轮机中的透平轮高速旋转，带动双绕组起动发电一体机11中的转子旋转，由双绕组起动发电一体机11利用转子旋转，通过电机定子进行发电。

微型燃气轮机是一种新型的热机，作为一种清洁、高效的功能系统，在近几年得到了飞速的发展，相比于汽油、柴油内燃机，其可提供轻便、清洁、高效、安静的动力系统。本实用新型实施例采用微型燃气轮机作为增程器10中双绕组起动发电一体机11的原动机，利用微型燃气轮机通过离心式压缩机将机外吸入的空气压缩后，与燃料混合后在燃烧室内进行燃烧。形成的高温气体推动微燃机的透平轮高速旋转。优选地，压缩机中的压缩轮、透平轮以及发电机转子设置于同一转轴上，透平轮高速旋转带动双绕组起动发电一体机11的转子旋转，通过电机定子发电。利用微型燃气轮机与双绕组起动发电一体机11作为增程器使用，为飞机飞行提供动力电源。微型燃气轮机通过涡轮轴高速旋转带动其同轴的双绕组起动发电一体机转子，通过电机定子发电后，经过电源母线为动力电池20和驱动装置30供电。在本实施例中，通过使用增程器的方式，解决了因为电池能量密度不足导致飞行航程受限问题。

上文提及，双绕组起动发电一体机11进行发电时，需要微型燃气轮机中压缩机的吸入外界空气，那么在本实施例中，对于压缩机中压缩轮运行状态的控制，可以由第一发电机绕组111、第二发电机绕组112、第一逆变器121以及第二逆变器122协同实现。也就是说，在设置于多旋翼飞机中的动力系统启动后，第一逆变器121和第二逆变器122可分别控制第一发电机绕组111和第二发电机绕组112工作，以带动双绕组起动发电一体机11的永磁转子旋转，进而带动微型燃气轮机中压缩机的压缩轮旋转。增程器10发出的电能将供给驱动装置30以带动旋翼旋转，并同时向动力电池20充电。

可选地，增程器10，还用于根据多旋翼飞机的驱动功率需求确定单独向驱动装置30提供动力电源，或和动力电池20同时向驱动装置30提供动力电源。当多旋翼飞机需要正常驱动功率时，增程器10单独向驱动装置30提供动力电源；当多旋翼飞机需要大驱动功率时，增程器10和动力电池20同时向驱动装置30提供动力电源。以多旋翼飞机为例，飞机处于起飞阶段时，会需要较大的驱动功率以满足驱动需求，此时，则需要增程器10与动力电池3同时向多旋翼飞机提供动力源。

在本实用新型一优选实施例中，增程式多旋翼飞机动力系统还可以包括能量回收装置，用于收集增程器10发出的多余能量，向动力电池20充电。如在飞机处于正常飞行状态时、或是降落状态等阶段，收集增程器多余的能量以进行能量回收，进而降低能耗、节省能源，进而延长整个动力系统的使用寿命。或者，由动力电池自身进行收集，本实用新型不做限定。

举例来说，当多旋翼飞机处于正常飞行状态时，增程器10向动力电池20充电；同时向所述驱动装置30提供动力电源。能量流为：(1)微燃机→发电机→逆变器(AC-DC)→动力电池；(2)微燃机→发电机→逆变器(AC-DC)→后级逆变器(DC-AC)→驱动电机→旋翼。

当多旋翼飞机处于起飞阶段时，需要更大的驱动功率，增程器10和动力电池20同时向驱动装置30提供动力电源。能量流为：(1)微燃机→发电机→逆变器→后级逆变器(DC-AC)→驱动电机→旋翼；(2)动力电池→后级逆变器(DC-AC)→驱动电机→旋翼。

飞行器不同于地面行进装备，要求具有极高的可靠性，在系统失效时，要求其有安全备份。下面详细列举多旋翼飞机在出现各种故障时，上述实施例中提供的增程式多旋翼飞机动力系统的处理方式。

实施例一

图3示出了双绕组起动发电一体机出现故障的情况，因其独特的双绕组和独立控制器设计，保证在其中一套系统出现故障时，系统能输出1/2的功率，保证基本飞行安全。参照图3，第一发电机绕组111和第一逆变器121出现故障，此时，可由第二发电机绕组112以及第二逆变器122工作，保证起动发电一体机输出1/2的功率，进而保证动力系统的正常运行。

实施例二

图4示出了驱动电机出现故障的情况，由于本实用新型实施例中所采用的驱动电机是双绕组永磁同步电机，因此，当第一后级逆变器(即图4中的第一后级逆变器(1))和第一驱动电机绕组故障，即图4中的驱动电机(1)中的第一驱动电机绕组)发生故障时，可由第二后级逆变器(即图4中的第二后级逆变器2)和第二驱动电机绕组工作，即驱动电机(1)中的第二驱动电机绕组工作，保证在其中一套系统出现故障时，系统能输出1/2的功率，保证基本飞行安全。其他驱动电机同理。

实施例三

图5示出了动力电池出现故障的情况，在本实用新型实施例中，动力电池可采用能量密度很高的锂离子电池，动力电池在飞行器起飞阶段可为系统提供更多的能量，同时在飞行过程中收集增程器发出的多余能量，起到削峰填谷作用，当动力电池出现故障时，系统能量流为：微燃机→发电机→逆变器(AC-DC)→逆变器(DC-AC)→驱动电机→旋翼。

实施例四

图6示出了微型燃气轮机出现故障的情况，由于本实用新型实施例所提供的多旋翼飞机动力系统的动力源是由微燃机和动力电池所构成的双冗余系统，因此，当微燃机出现故障时，系统能量流为：动力电池→逆变器(DC-AC)→驱动电机→旋翼，可以支持飞行器正常备降时间。

本实用新型实施例提供的增程式多旋翼飞机动力系统，采用动力电池以及增程器共同组成动力装置，飞行器不同于地面行进装备，要求具有极高的可靠性，在系统失效时，要求其有安全备份，因此，本实用新型实施例采用二维度安全冗余设计，当起动发电一体机出现故障时，因其独特的双绕组和独立控制器设计，保证在其中一套系统出现故障时，系统能输出1/2的功率，保证基本飞行安全。本实用新型的实施例通过使用增程器，构成串联式混合动力系统，使飞机系统的动力源与驱动旋翼的机构实现解耦，极大的降低了机械结构设计难度。在本实用新型实施例提供的动力系统中，微型燃气轮机、起动发电一体机与驱动电机都具有极高的功率密度，可以有效的降低动力系统的重量，而关键设备采用双系统冗余备份，不仅保证系统用电安全，还可以提升飞行器的可靠性，进而提高系统效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种增程式多旋翼飞机动力系统，包括：增程器、动力电池以及驱动装置；其中，

所述增程器，与所述驱动装置电连接，用于向所述驱动装置提供动力电源；

所述增程器包括：双绕组起动发电一体机以及与所述双绕组起动发电一体机中各发电机绕组分别对应设置的逆变器；

所述动力电池，与所述增程器和驱动装置电连接，用于单独向所述驱动装置提供动力电源，或与所述增程器同时向所述驱动装置提供动力电源；所述增程器发出的电量可向所述动力电池充电；

所述驱动装置，用于基于所述增程器和/或所述动力电池提供的动力电源驱动所述多旋翼飞机。

2.根据权利要求1所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，所述双绕组起动发电一体机包括第一发电机绕组和第二发电机绕组；

所述逆变器包括分别连接所述第一发电机绕组和第二发电机绕组的第一逆变器和第二逆变器；所述第一逆变器和第二逆变器各自独立控制所述第一发电机绕组和第二发电机绕组。

3.根据权利要求1所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，所述驱动装置包括多个双绕组驱动电机以及与各双绕组驱动电机对应设置的后级逆变器；

各双绕组驱动电机均通过各自的后级逆变器与所述增程器和动力电池电连接。

4.根据权利要求3所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，所述多个双绕组驱动电机与所述多旋翼飞机各旋翼对应设置，用于基于所述增程器和/或动力电池提供的动力电源驱动所述多旋翼飞机上各旋翼转动。

5.根据权利要求3所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，所述双绕组驱动电机包括第一驱动电机绕组和第二驱动电机绕组：

所述后级逆变器包括第一后级逆变器和第二后级逆变器，所述第一后级逆变器和所述第二后级逆变器各自独立控制所述第一驱动电机绕组和所述第二驱动电机绕组。

6.根据权利要求2所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，所述增程器还包括原动机，与所述双绕组起动发电一体机连接，用于向所述双绕组起动发电一体机提供动力源。

7.根据权利要求6所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，所述原动机为微型燃气轮机。

8.根据权利要求1-7任一项所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，所述增程器，还用于根据所述多旋翼飞机的驱动功率需求确定单独向所述驱动装置提供动力电源，或和所述动力电池同时向所述驱动装置提供动力电源。

9.根据权利要求1-7任一项所述的增程式多旋翼飞机动力系统，其中，还包括能量回收装置，用于收集所述增程器发出的多余能量，向所述动力电池充电。