一种共轴螺旋桨组件及飞行器的制作方法

本技术涉及航空，特别涉及一种共轴螺旋桨组件及飞行器。

背景技术：

1、vtol飞行器(vertical takeoff and landing)因其垂直起降的特性使其场地适应性更优，vtol飞行器能够不依赖机场跑道实施起飞和降落，直升机就是一种典型的vtol飞行器。

2、除英国鹞式和美国f35等少数通过采用特殊设计的尾喷管改变涡喷/涡扇发动机的喷出气流实现垂直起降和悬停的军用飞机之外，绝大多数vtol飞行器都采用近似平行于地面的升力螺旋桨/旋翼(以下简称“螺旋桨”或“旋翼”)旋转产生的垂直升力来抵消重力从而实现垂直起降。

3、在众多vtol飞行器总体布局方案中，集合了纯多旋翼飞行器和固定机翼飞机优势的复合翼vtol飞行器受到众多飞行器设计者的青睐。其中，多旋翼可以带来垂直起降特性，但其平飞时升阻比较低(更接近1：1)，对能源的利用效率不高，进而影响飞行器的航程和航时；固定机翼可以在巡航时提供较高的升阻比(通常接近或超过10：1)，可以大大提升飞行器的航程和航时。

4、但复合翼vtol飞行器也有自身需要解决的问题：提供垂直升力的升力螺旋桨组件(含螺旋桨、电机、机臂等)只在垂直起降阶段起作用，在水平巡航阶段则会成为死重和气动阻力项。因此，设计一套好的升力螺旋桨组件，使得全机死重相对较轻以及水平巡航时候气动阻力相对较小，是复合翼vtol飞行器设计者必须考虑的问题。

5、此外，对于位置合理布置的多旋翼系统，理论上能独立工作和控制的升力电机数量越多，系统安全性越好，电机选型也会越简单，理由在于：升力电机数量越多，允许发生失效的电机数量越多，而这种失效应能满足飞行器仍能安全飞行或受控紧急着陆；对于大致相当的最大起飞重量，数量越多的升力电机，单个升力电机需要承受的负载越小，这有利于电机选型。

6、共轴双桨是vtol飞行器可选的一种升力螺旋桨布置方式，具体说明如下：

7、(1)采用共轴双叶桨方案(而不是多叶桨)，结合锁桨功能，可以在巡航时将所有升力螺旋桨的长轴方向锁定在近似于来流方向，可以减小升力螺旋桨的迎风面积，从而减小迎风阻力；同时将两组双叶桨安装在电机同一侧，也有利于减小两组桨叶之间的轴向距离，进而减小升力螺旋桨对机臂、机翼、尾翼、尾推桨的气动干扰，从而减小全机干扰阻力；更小的桨盘直径允许机身做得更短，有利于减小全机粘滞阻力。

8、(2)对于升力电机安装点相同的情况，采用共轴双桨方案比单独一组双叶桨可以选用桨盘直径更小的桨叶。而更小的桨叶，意味着支撑电机的机臂可以设计得更短，这有利于机臂和机臂支撑结构减重(机臂支撑结构需要承担升力带来的偏心弯矩)，也有利于滚转和偏航控制(有更小的转动惯量)。

9、(3)在升力电机安装点相同的情况，共轴双桨方案相对于单独双叶桨(或多叶桨)方案能独立工作的升力电机转子数量翻倍(基本等同于电机数量增加)，可以有效提升系统安全性，也有利于电机选型。

10、综上可见，共轴双桨方案在航空技术领域具有广大的应用前景。

11、现有技术中，实现共轴双桨布置的方案一般有两种：

12、一是将两个螺旋桨分别与两个电机相连，并将两个电机反向共轴安装，但这会导致两个螺旋桨分别位于电机转子的两侧，进而导致两个螺旋桨的位置较为远离。

13、二是将两个螺旋桨通过机械方式相互连接，并连接同一个动力源，这使得两个螺旋桨之间仅能够按照固定的转速比和相对转向旋转(一般为同轴异向)；由于采用了单一动力源，因此只要动力源失效，则整个轴上的主动升力或推力全部失效。

14、现有技术中：

15、cn211196609u公开了一种由串列双电机驱动的共轴反桨方案，但其不能实现巡航锁桨，且被描述用作航空电动推进单元。

16、cn207134939u公开了一种共轴电机方案，可以驱动双桨，但不能实现巡航锁桨。

17、cn218431732u公开了一种由可折叠共轴螺旋桨方案，利用联动机构(机械式)实现两个螺旋桨的共轴同向联动转动和巡航时锁桨，但仅使用了一台电机驱动，导致单轴负载较大。

18、cn209921598u公开了一种无人机螺旋桨转向锁定装置、螺旋桨，通过分别在螺旋桨的转子、定子(或无人机的其他固定部件)上各自固定磁体，并配置两个磁体一者为电磁铁、另一者为永磁体或电磁铁，从而通过两个磁体相吸的原理使螺旋桨的转子与定子相互固定，并通过调节电流大小赖控制旋翼长度方向与飞行方向之间的夹角，进而实现螺旋桨的锁紧功能。

19、基于此，本实用新型提出一种基于可单独控制双转子转速的共轴双转子电机实现螺旋桨共轴同向或反向旋转的螺旋桨组件方案，配合锁桨功能可以实现巡航时锁桨，用于替代传统的共轴螺旋桨方案。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的共轴螺旋桨不能巡航锁桨(会导致气动阻力较大)或采用单电机驱动双桨导致单电机负载较大的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于共轴电机的共轴螺旋桨组件及飞行器，以便于至少部分地解决上述问题。

2、为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

3、一方面，本实用新型提供一种共轴螺旋桨组件，包括：

4、共轴双转子电机，所述共轴双转子电机包括两个转子，两个所述转子的输出端同轴且同侧布置；

5、螺旋桨，所述螺旋桨有两组并分别固定安装在两个所述转子的输出端上；

6、以及电机控制器，所述电机控制器包括两个控制单元，两个所述控制单元分别用于控制两个所述转子的转速及旋转相位；

7、其中，所述螺旋桨均配置有转向锁定装置。

8、在一优选实施例中，所述共轴双转子电机为内转子电机或外转子电机。

9、在一优选实施例中，每个所述转子均配置有至少一个用于检测其转速及旋转相位的传感器，所述控制单元则分别与对应的所述传感器通信连接，以便于使所述控制单元控制相应的所述转子按照指定的转速及旋转相位工作。

10、在一优选实施例中，两个所述转子之间的相对运动状态包括同向同速运行、同向异速运行、反向同速运行、反向异速运行。

11、在一优选实施例中，所述螺旋桨包括桨毂以及周向均匀固定在所述桨毂上的至少两片桨叶，更靠电机一侧的所述桨毂上开设有供所述转子的输出端或远端桨毂穿过的穿孔；两组所述螺旋桨分别通过各自的桨毂与两个所述转子的输出端可拆卸固定连接。

12、在一优选实施例中，所述桨叶与所述桨毂为一体成型结构，或者所述桨叶与所述桨毂可拆卸固定连接。

13、在一优选实施例中，所述共轴双转子电机还包括两个三相接头，两个所述三相接头分别与两个所述控制单元电性连接，且两个所述三相接头还分别与两个所述转子对应的定子绕组线圈电性连接。

14、另一方面，本实用新型还提供一种飞行器，包括如上所述的共轴螺旋桨组件。

15、在一优选实施例中，所述共轴螺旋桨组件用于提供升力和/或推力。

16、采用上述技术方案，本实用新型的有益效果在于：采用了两个输出轴均位于电机同侧的共轴电机方案，使得与电机输出轴相连的两组螺旋桨轴向位置相对靠近，结合巡航锁桨功能(巡航时将桨叶锁定在阻力最小的方向)，可以有效减小巡航气动阻力；此外，由于采用独立的控制单元分别控制共轴双转子电机的两个转子的转速，因此两个螺旋桨之间的相对转速和转向关系能够根据需要进行非常方便的调整，同时也提升了系统安全性。