CN110435869A - 一种储能式平流层飞艇电机及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能式平流层飞艇电机及控制系统，涉及平流层飞艇电机技术领域，该储能式平流层飞艇电机主要由动力单元、传动单元和储能单元组成。其中，动力单元由定子、转子等组成，可提供驱动/制动力矩；传动单元通过一个离合器和可变传动比的变速箱将动力单元中的转子与储能单元连接；储能单元可储存储能式平流层飞艇电机减速制动时负载的机械能，并在负载需要加速时，再将存储的能量转化为负载的机械能，减小电池重量。应用本发明，不仅提升能源利用率，减小平流层飞艇动力系统对能源系统的容量需求，提高平流层飞艇载荷能力，还提升平流层飞艇电机加减速能力。

Description

一种储能式平流层飞艇电机及控制系统

技术领域

本发明涉及平流层飞艇电机技术领域，特别是涉及一种储能式平流层飞艇电机及控制系统。

背景技术

平流层飞艇属于长航时飞行器，由于其产生升力的方式为浮空，推力需求远低于相同高度飞行的飞机，且对应的飞行高度氧气稀薄，在进气量不足的情况下无法使用航空发动机，所以平流层飞艇普遍采用电推进方式。平流层距离地面高度大于10km，气流流速和方向随时间不断变化，同时由于飞艇横截面较大，气流对飞艇的姿态和航向会产生较大影响。因此，为实现长时定点驻留和定航向飞行，平流层飞艇需频繁调整螺旋桨转速以实现飞艇轨迹和姿态的实时动态控制。然而，平流层飞艇螺旋桨转动惯量大，驱动电机带动螺旋桨加速时需将大量电能转化为机械能，在减速制动时这部分能量或转化为热能使电机控制器相关部件的温度升高，或通过电机中的逆变电路将其转化为电能存储到储能电池中，但这又将增加电池充放电频率，影响电池使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种储能式平流层飞艇电机及控制系统，不仅提升能源利用率，减小平流层飞艇动力系统对能源系统的容量需求，还提高平流层飞艇载荷能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种储能式平流层飞艇电机，包括动力单元、传动单元以及储能单元；

所述动力单元包括转子以及固定在所述储能式平流层飞艇电机内壁上的定子；所述动力单元通过所述转子和所述定子间的电磁力作用产生转矩；

所述传动单元包括离合器和变速箱；所述转子的一端与负载连接，所述转子的另一端与所述离合器的一端连接，所述离合器的另一端与所述变速箱的输入轴连接，所述变速箱的输出轴连接在所述储能单元上；

当所述离合器处于闭合状态时，所述转子与所述变速箱连接以调节所述负载与所述储能单元的传动比。

可选的，所述储能单元为惯量盘。

可选的，所述变速箱为无极变速类或档位调节类的变速机构。

可选的，所述转子的另一端通过传动轴与所述离合器的一端连接，所述离合器的另一端通过传动轴与所述变速箱的输入轴连接。

可选的，所述变速箱的输出轴通过轴承连接在所述储能单元上。

可选的，所述转子位于所述定子之间。

可选的，所述负载为螺旋桨。

一种储能式平流层飞艇电机的控制系统，包括控制器以及储能式平流层飞艇电机；

所述储能式平流层飞艇电机包括动力单元、传动单元以及储能单元；所述动力单元包括转子以及固定在所述储能式平流层飞艇电机内壁上的定子；所述传动单元包括离合器和变速箱；所述转子的一端与负载连接，所述转子的另一端与所述离合器的一端连接，所述离合器的另一端与所述变速箱的输入轴连接，所述变速箱的输出轴连接在所述储能单元上；所述离合器用于控制所述转子与所述变速箱的连接状态，并当所述离合器处于松开状态时所述转子与所述变速箱未连接，当所述离合器处于闭合状态时所述转子与所述变速箱连接；

所述储能式平流层飞艇电机与所述控制器连接；所述控制器用于接收期望转速值，并根据所述期望转速值计算出相应的变速箱控制信号、离合器控制信号和转速控制信号；其中，所述变速箱控制信号用于调整储能单元与负载之间的传动比；所述离合器控制信号包括离合器松开信号和离合器闭合信号；所述转速控制信号包括转子加速信号和转子停止信号；

所述控制器用于当所述储能单元未存储有机械能且所述期望转速值大于当前负载转速值时，将所述转子加速信号和所述离合器松开信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元上电进而驱动所述转子带动负载加速至期望转速值以及控制所述离合器处于松开状态；

所述控制器用于当所述当前负载转速值大于所述期望转速值时，将所述转子停止信号、所述离合器闭合信号和所述变速箱控制信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元断电，以控制所述离合器处于闭合状态进而驱动所述变速箱调整所述负载与所述储能单元的传动比，使所述负载带动所述储能单元转动并减速；其中，在所述负载减速过程中，所述储能单元与所述负载之间的传动比随着负载转速的降低而逐渐增大，直到所述当前负载转速值降低至所述期望转速值为止；

所述控制器用于当所述当前负载转速值降低至所述期望转速值时，将所述转子加速信号和所述离合器松开信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元上电以及控制所述离合器处于松开状态；

所述控制器用于当所述储能单元存储有机械能且所述期望转速值大于当前负载转速值时，将所述转子停止信号、所述离合器闭合信号和所述变速箱控制信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元断电，以控制所述离合器处于闭合状态进而驱动所述变速箱调整所述负载与所述储能单元的传动比，使所述储能单元中的机械能传递给所述负载。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种新型的储能式平流层飞艇电机及控制系统，该储能式平流层飞艇电机主要由动力单元、传动单元和储能单元组成。其中，动力单元由定子、转子等组成，可提供驱动/制动力矩；传动单元通过一个离合器和可变传动比的变速箱将动力单元中的转子与储能单元连接；储能单元可储存储能式平流层飞艇电机减速制动时负载的机械能，并在负载需要加速时，再将存储的能量转化为负载的机械能。应用本发明，不仅提升能源利用率，减小平流层飞艇动力系统对能源系统的容量需求，提高平流层飞艇载荷能力，还提升平流层飞艇电机加减速能力。

附图说明

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例储能式平流层飞艇电机的结构示意图；

图2为本发明实施例储能式平流层飞艇电机控制过程示意图。

具体实施方式

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。

目前，平流层飞艇螺旋桨转动惯量大，驱动电机带动螺旋桨加速时需将大量电能转化为机械能，在减速制动时这部分能量或转化为热能使电机控制器相关部件的温度升高，或通过电机中的逆变电路将其转化为电能存储到储能电池中，但这又将增加电池充放电频率，影响电池使用寿命。为了解决上述问题，本发明提供了一种储能式平流层飞艇电机及控制系统，不仅提升能源利用率，减小平流层飞艇动力系统对能源系统的容量需求，还提高平流层飞艇载荷能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的新型的储能式平流层飞艇电机，包括动力单元110、传动单元120和储能单元130。其中，动力单元110具体包括转子112以及定子111，传动单元120包括离合器121、变速箱122、传动轴123和轴承124，储能单元130包括惯量盘131以及其他附件。

动力单元120中的定子111为多块，分别固定于储能式平流层飞艇电机的内壁上，转子112位于定子111之间，转子112的一端用于连接负载，转子112的另一端通过传动轴123与传动单元120中的离合器121的一端相连，离合器121的另一端通过传动轴123与变速箱122的输入轴连接，变速箱122的输出轴通过轴承124连接在储能单元130上。其中，动力单元110或者储能式平流层飞艇电机均通过定子111与转子112间的电磁力作用产生转矩。

优选的，变速箱122可以是无极变速类或档位调节类的变速机构，功能为实现较大范围的转速比或者传动比调节。储能单元130为一个质量主要集中于边缘的惯量盘131，惯量盘131的转动惯量较大。负载为螺旋桨。

传动单元120中离合器121用于控制动力单元110中的转子112与传动单元120中的变速箱122的连接状态，当离合器121处于松开状态时，转子112产生的力矩或螺旋桨所受的阻力矩就无法传递到变速箱122，此时储能式平流层飞艇电机的工作状态与传统电机相同。当离合器121处于闭合状态时，转子112与变速箱122连接，可调节转子112(负载)与储能单元130的传动比。

该储能式平流层飞艇电机的动力单元110可根据外界控制系统的指令产生相应的转矩，驱动负载和传动单元120。传动单元120中的离合器开合状态和变速箱传动比均由外界控制系统的控制信号决定，不同的离合器开合状态与变速箱传动比的动态组合可使储能单元130适配不同的电机减速制动过程。

实施例二

本实施例提供的储能式平流层飞艇电机的控制系统，包括控制器100和储能式平流层飞艇电机。

储能式平流层飞艇电机包括动力单元110、传动单元120和储能单元130。其中，动力单元110具体包括定子111以及转子112，传动单元120包括离合器121、变速箱122、传动轴123和轴承124，储能单元130包括惯量盘131以及其他附件。

动力单元120中的定子111为多块，分别固定于储能式平流层飞艇电机的内壁上，转子112位于定子111之间，转子112的一端用于连接负载，转子112的另一端通过传动轴123与传动单元120中的离合器121的一端相连，离合器121的另一端通过传动轴123与变速箱122的输入轴连接，变速箱122的输出轴通过轴承124连接在储能单元130上。离合器121用于控制转子112与变速箱122的连接状态，并当离合器121处于松开状态时转子112与变速箱122未连接，当离合器121处于闭合状态时转子112与变速箱122连接。其中，动力单元110或者储能式平流层飞艇电机均通过定子111与转子112间的电磁力作用产生转矩。

储能式平流层飞艇电机与控制器100连接；控制器100用于接收期望转速值，并根据期望转速值计算出相应的变速箱控制信号、离合器控制信号和转速控制信号；其中，转速控制信号包括转子加速信号和转子停止信号；离合器控制信号包括离合器松开信号和离合器闭合信号；变速箱控制信号用于调整储能单元130与负载之间的传动比。

控制器100用于当储能单元130未存储有机械能且期望转速值大于当前负载转速值时，将转子加速信号和离合器松开信号发送至储能式平流层飞艇电机，以控制动力单元110上电进而驱动转子112带动负载加速至期望转速值以及控制离合器121处于松开状态。

控制器100用于当当前负载转速值大于期望转速值时，将转子停止信号、离合器闭合信号和变速箱控制信号发送至储能式平流层飞艇电机，以控制动力单元110断电，以控制离合器121处于闭合状态进而驱动变速箱122调整负载与储能单元130的传动比，使负载带动储能单元130转动并减速；其中，在负载减速过程中，储能单元130与负载之间的传动比随着负载转速的降低而逐渐增大，直到当前负载转速值降低至期望转速值为止。

控制器100用于当当前负载转速值降低至期望转速值时或者当前负载转速值等于期望转速值时，将转子加速信号和离合器松开信号发送至储能式平流层飞艇电机，以控制动力单元110上电进而在电磁力作用下驱动定子111与转子112产生转矩从而克服空气和零件摩擦产生的阻力矩，以及控制离合器121处于松开状态。

控制器100用于当储能单元130存储有机械能且期望转速值大于当前负载转速值时，将转子停止信号、离合器闭合信号和变速箱控制信号发送至储能式平流层飞艇电机，以控制动力单元110断电，以控制离合器121处于闭合状态进而驱动变速箱122调整负载与储能单元130的传动比，使储能单元130中的机械能传递给负载。

现通过上述控制系统说明负载的加减速过程。如图2所示，控制器100收到期望转速，计算出相应的变速箱控制信号、离合器控制信号和转速控制信号并发送给储能式平流层飞艇电机。储能式平流层飞艇电机接收上述控制信号后，第一次加速时，传动单元120的离合器121松开，动力单元110的转子112只带动负载加速至期望转速。在收到新的转速控制信号时(期望转速低于当前负载转速)，储能式平流层飞艇电机的动力单元110断电，不产生动力或制动力，传动单元120的离合器121闭合，变速箱122调整惯量盘131与负载之间传动比为1：1000，使负载带动惯量盘131转动并迅速减速，在减速过程中，变速箱122的传动比动态调整，随着负载转速的降低而逐渐增大，直至负载的转速降低到期望转速为止，该过程中，负载的机械能分为三部分传递，如公式(1)所示：E_load＝E_Air+E_I+E_f。

其中E_load为负载机械能，E_Air为气流运动机械能，E_I为零件之间摩擦损耗的能量，E_f为惯量盘机械能。当负载转速降低到期望转速时，离合器121松开传动轴，同时动力单元110上电，提供合适的转矩使负载刚好克服在该期望转速下空气和零件摩擦产生的阻力矩。当负载需要再次加速时，变速箱122调整转速比，离合器121调整开合状态并咬合传动轴123，惯量盘131的机械能传递给负载，若负载转速达不到期望转速，则动力单元110提供转矩加速负载转动使其达到期望转速。

该新型储能式平流层飞艇电机可实现将电机制动时的机械能存储在电机内部的惯量盘中，实现加减速时部分能量的循环利用。同时传动单元中离合器和变速箱可根据负载的加减速情况动态调整相应的开合状态和传动比，满足负载的加减速要求。

相比于传统的平流层飞艇电机，将负载制动时需要减小的机械能转换为电能或热能，本发明的传动单元可以将负载制动时需要减小的机械能直接转移到储能单元中，减小能量损失，降低电机的发热情况与故障率，为飞艇的长时间工作提供保障。同时可以减小电池重量，提升飞艇的任务载荷重量，减少电池的充放电次数，使飞艇的飞行任务更加多样化。

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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种储能式平流层飞艇电机，其特征在于，所述储能式平流层飞艇电机包括动力单元、传动单元以及储能单元；

所述动力单元包括转子以及固定在所述储能式平流层飞艇电机内壁上的定子；所述动力单元通过所述转子和所述定子间的电磁力作用产生转矩；

所述传动单元包括离合器和变速箱；所述转子的一端与负载连接，所述转子的另一端与所述离合器的一端连接，所述离合器的另一端与所述变速箱的输入轴连接，所述变速箱的输出轴连接在所述储能单元上；

当所述离合器处于闭合状态时，所述转子与所述变速箱连接以调节所述负载与所述储能单元的传动比。

2.根据权利要求1所述的储能式平流层飞艇电机，其特征在于，所述储能单元为惯量盘。

3.根据权利要求1所述的储能式平流层飞艇电机，其特征在于，所述变速箱为无极变速类或档位调节类的变速机构。

4.根据权利要求1所述的储能式平流层飞艇电机，其特征在于，所述转子的另一端通过传动轴与所述离合器的一端连接，所述离合器的另一端通过传动轴与所述变速箱的输入轴连接。

5.根据权利要求1所述的储能式平流层飞艇电机，其特征在于，所述变速箱的输出轴通过轴承连接在所述储能单元上。

6.根据权利要求1所述的储能式平流层飞艇电机，其特征在于，所述转子位于所述定子之间。

7.根据权利要求1所述的储能式平流层飞艇电机，其特征在于，所述负载为螺旋桨。

8.一种储能式平流层飞艇电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器以及储能式平流层飞艇电机；

所述储能式平流层飞艇电机包括动力单元、传动单元以及储能单元；所述动力单元包括转子以及固定在所述储能式平流层飞艇电机内壁上的定子；所述传动单元包括离合器和变速箱；所述转子的一端与负载连接，所述转子的另一端与所述离合器的一端连接，所述离合器的另一端与所述变速箱的输入轴连接，所述变速箱的输出轴连接在所述储能单元上；所述离合器用于控制所述转子与所述变速箱的连接状态，并当所述离合器处于松开状态时所述转子与所述变速箱未连接，当所述离合器处于闭合状态时所述转子与所述变速箱连接；

所述储能式平流层飞艇电机与所述控制器连接；所述控制器用于接收期望转速值，并根据所述期望转速值计算出相应的变速箱控制信号、离合器控制信号和转速控制信号；其中，所述变速箱控制信号用于调整储能单元与负载之间的传动比；所述离合器控制信号包括离合器松开信号和离合器闭合信号；所述转速控制信号包括转子加速信号和转子停止信号；

所述控制器用于当所述储能单元未存储有机械能且所述期望转速值大于当前负载转速值时，将所述转子加速信号和所述离合器松开信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元上电进而驱动所述转子带动负载加速至期望转速值以及控制所述离合器处于松开状态；

所述控制器用于当所述当前负载转速值大于所述期望转速值时，将所述转子停止信号、所述离合器闭合信号和所述变速箱控制信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元断电，以控制所述离合器处于闭合状态进而驱动所述变速箱调整所述负载与所述储能单元的传动比，使所述负载带动所述储能单元转动并减速；其中，在所述负载减速过程中，所述储能单元与所述负载之间的传动比随着负载转速的降低而逐渐增大，直到所述当前负载转速值降低至所述期望转速值为止；

所述控制器用于当所述当前负载转速值降低至所述期望转速值时，将所述转子加速信号和所述离合器松开信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元上电以及控制所述离合器处于松开状态；

所述控制器用于当所述储能单元存储有机械能且所述期望转速值大于当前负载转速值时，将所述转子停止信号、所述离合器闭合信号和所述变速箱控制信号发送至所述储能式平流层飞艇电机，以控制所述动力单元断电，以控制所述离合器处于闭合状态进而驱动所述变速箱调整所述负载与所述储能单元的传动比，使所述储能单元中的机械能传递给所述负载。