一种文丘里管式磁悬浮动力系统及其飞行器的制作方法

本发明属于旋翼飞行器，具体涉及一种文丘里管式磁悬浮动力系统及其飞行器。

背景技术：

1、目前国内外对磁悬浮技术的各种应用方兴未艾，较成熟的应用主要集中在磁悬浮列车方面。近年来，磁悬浮技术的不断发展，将磁悬浮技术运用到旋翼飞行器上成为一种新的旋翼系统设计思路，其核心部件则是集成动力的磁悬浮旋翼系统。磁悬浮动力旋翼系统主要原理是：由螺旋桨叶和内环转子组成的磁悬浮旋翼环安装在飞行器机身涵道的凹槽内，通过磁悬浮支承方式，将旋翼旋转产生的升力通过磁力传递到外环，再传递到机身。

2、将磁悬浮技术运用于旋翼飞行器支承方面，发挥了外缘支承的优点，即螺旋桨嵌入在旋翼飞行器机身内部，螺旋桨得到良好的保护，旋翼飞行器的隐蔽性也得到提升；而磁悬浮支承主要运用高转速领域，采用该方法解决了旋翼飞行器采用外缘支承方式时，常规机械轴承由于支承处转速高无法满足性能要求的问题，旋翼环的转速上限得以提高；另外，由于磁悬浮支承无接触、无摩擦的特性，系统的摩擦降低，理论上消除了系统的振动，旋翼飞行器的工作效率得到了提高。

3、现有的旋翼飞行器的升力主要由旋翼旋转产生，如何提供额外的升力增加结构是需要探究的难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中如何提供额外的升力增加结构问题，本发明提供了一种文丘里管式磁悬浮动力系统及其飞行器。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种文丘里管式磁悬浮动力系统，包括旋翼环、定子环以及驱动旋翼环在定子环内转动的旋转驱动系统，所述旋翼环上连接有桨叶，所述旋翼环与定子环之间设置有轴向支撑系统和径向支撑系统，所述定子环的内壁与旋翼环之间设置有与外界连通的第二间隙，所述旋翼环上开设有与第二间隙连通的升力增加结构，所述升力增加结构包括文丘里结构。

4、采用该技术方案后，通过利用文丘里结构原理设计了额外升力增加结构，该结构能使旋转部件产生一个额外的升力，并起到降低旋翼环重量的作用，也可有效提高散热效果。

5、作为优选，所述文丘里结构设置有数个，数个所述文丘里结构沿旋翼环的周向布设，所述文丘里结构由两个圆锥台孔洞连接而成，且两个圆锥台孔洞的小头端连通，两个圆锥台孔洞的大头端分别设置在旋翼环的上表面和下表面，靠近旋翼环上表面的圆锥台孔洞的长度大于另一个圆锥台孔洞的长度，所述文丘里结构与轴向支撑系统交错布设。

6、采用该技术方案后，文丘里结构分上下两个流道，下流道短，上流道长。气流有沿流道壁法线方向离开的趋势，空气因此被拉伸空气膨胀，压力降低。根据伯努利原理和附壁效应，气流速度上升，同时贴壁流动，使得上方涵道压强减小，则旋翼环将受到一个向上的力，以达到产生一个额外的升力的效果。

7、作为优选，所述各个文丘里结构之间间隔15-180度布设。

8、作为优选，所述定子环靠近桨叶的两端均向靠近桨叶的方向延伸形成延伸部，所述延伸部和桨叶或旋翼环之间设置有第一间隙，第一间隙的宽度从远离旋翼环的一端到靠近旋翼环的一端逐渐增大，第一间隙和第二间隙组成涵道式冷却系统，所述旋翼环上设置有与延伸部配合的容纳槽。

9、采用该技术方案后，通过设置涵道式冷却系统当桨叶旋转的时候，桨叶下部气流向下流动，通过定子环左下侧外伸的结构产生正压区，将气流引导到旋翼环与定子环的间隙中。同时桨叶上部也产生方向向下的气流，定子环左上侧外伸的结构产生负压区，将气流从旋翼环与定子环的间隙中吸引出来，最终产生气流通路，起到对旋转驱动系统的冷却作用。

10、作为优选，延伸部的倾斜角度为30-60度。

11、作为优选，所述轴向支撑系统包括设置在旋翼环的上表面的第一上支撑磁铁，所述定子环上与第一上支撑磁铁对应处设置有第二上支撑磁铁，所述径向支撑系统包括设置在旋翼环远离桨叶的一侧的第一侧支撑磁铁，所述定子环上与第一侧支撑磁铁对应处设置有第二侧支撑磁铁，所述定子环的上表面、下表面以及远离桨叶的一侧侧面均设置有滚珠槽，所述滚珠槽内均设置有滚珠，所述第一上支撑磁铁、第二上支撑磁铁、第一侧支撑磁铁和第二侧支撑磁铁均为电磁铁，所述旋翼环或定子环上设置有若干用于测量旋翼环与定子环轴向间距和径向间距的测距机构，所述测距机构与电磁铁的控制系统电连接。

12、采用该技术方案后，当桨叶产生的升力与旋转部件自身的重力相等时，控制第一上支撑磁铁和第二上支撑磁铁的引力转变为斥力并逐渐增大，桨叶产生的升力通过第一上支撑磁铁和第二上支撑磁铁之间的斥力传递给定子环，从而使飞行器升空。在特殊情况下，当瞬间升力大于电磁体控制产生的斥力时，旋翼环将与滚珠接触，使旋翼环正常旋转，达到保护电磁铁和维持动力旋翼系统正常运行的功能，当第一上支撑磁铁和第二上支撑磁铁为电磁铁时，可实现对旋翼环在还未产生升力情况下的主动抬升，以减小盘式电机驱动定子环旋转所需的扭矩，实现旋翼环的零摩擦启动。

13、作为优选，所述轴向支撑系统和径向支撑系统均为永磁体结构，所述永磁体结构包括分别设置在旋翼环或定子环上的永磁阵列和感应轨。

14、采用该技术方案后，当上支撑磁铁为永磁铁时应当以斥力型悬浮方式工作。

15、作为优选，还包括设置在旋翼环中部的中央连接器，连接在旋翼环上的桨叶均与中央连接器连接。

16、作为优选，所述旋转驱动系统包括盘式电机，所述盘式电机的电机转子间隔布置在定子环下表面上，所述盘式电机的电机定子设置在旋翼环上与电机转子对应处。

17、采用该技术方案后，盘式电机定子驱动旋翼环转子旋转，为桨叶旋转提供动力。

18、作为优选，所述桨叶的根部和末端均为圆盘结构，且所述桨叶上布设有鱼鳞坑结构。

19、采用该技术方案后，在桨叶表面设计鱼鳞坑结构，该结构在桨叶表面形成凹槽，这些凹槽可阻止气流漩涡的形成，有效地降低桨叶表面的脉动压力，噪声的大小与声音压强脉动的对数值正比，所以降低压强脉动可以降低桨叶高速旋转时产生的噪声。

20、作为优选，所述定子环的外表面还设置有二级保护装置，所述二级保护装置包括壳体，所述壳体与定子环之间通过圆锥滚珠轴承连接，所述定子环上对称设置有两组弹簧伸缩结构，每组弹簧伸缩结构均由若干个弹簧推杆组成，所述定子环上设置有与弹簧推杆配合的推杆保持器，所述弹簧推杆包括与定子环连接的第一弹簧，所述第一弹簧连接有杆体，所述杆体的一端穿过所述推杆保持器且连接有滚轮，所述杆体位于滚轮和推杆保持器之间的区域设置有配重块，所述壳体上远离第一弹簧的一侧设置有若干第二弹簧，所述第二弹簧连接有第一摩擦片，所述滚轮嵌设在第一摩擦片上的凹槽内，所述定子环上与第一摩擦片位置对应处设置有第二摩擦片。

21、采用该技术方案后，当系统在运转过程中，旋翼环由于突发的扰动与定子环产生锁死现象，桨叶由于旋转惯性带动定子环旋转，此时定子环上的第二摩擦片与二级保护装置的第一摩擦片产生相对转动。定子环转动的同时带动上/下弹簧推杆、上/下配重块和上/下滚轮转动，当转动达到一定速度时，上/下配重块由于离心力向外运动，带动上/下弹簧推杆向外运动。上/下弹簧推杆通过上/下滚轮推动第一摩擦片向外运动，此时第二摩擦片与第一摩擦片产生间隙，摩擦力减小为0，旋翼环和定子环自由旋转直至旋转自然停止。二级保护装置能有效保证旋翼环与定子环之间不因锁死而产生结构损坏，二级保护装置与内部的定子环通过圆锥滚珠轴承连接，圆锥滚珠轴承起到径向滑动与轴向支承双重作用。当磁悬浮旋翼与二级保护装置的相对速度大于临界速度时，配重块所受的离心力将带动弹簧推杆推动二级保护装置，进而使第一摩擦片和第二摩擦片脱离接触状态，起到保护作用。

22、作为优选，当定子环与二级保护装置的相对速度大于临界速度时，配重块所受的离心力将带动弹簧推杆推动二级保护装置向外移动，进而使第一摩擦片与第二摩擦片脱离接触状态，所述临界速度的计算公式如下：

23、根据牛顿第二定律得：

24、

25、其中， 为第一弹簧弹力，为径向支反力，为配重块质量，为二级保护装置旋转角速度，为配重块距旋转轴的半径，为弹簧推杆质量，为弹簧推杆加速度。

26、为使第一摩擦片脱离第二摩擦片，将带入上式，求得临界角速度为：

27、。

28、采用该技术方案后，临界角速度代表二级保护装置生效所需的最小角速度，其中，可以通过调节第一弹簧和第二弹簧刚度、配重块质量、配重块安装位置来调整临界角速度，达到期望的控制目标。

29、作为优选，所述推杆保持器为固定设置在定子环外表面上的套筒，所述杆体与所述套筒滑动连接。

30、作为优选，还包括设置在旋翼环中部的中央连接器，连接在旋翼环上的桨叶均与中央连接器连接，所述旋转驱动系统包括盘式电机，所述盘式电机的电机转子布置在定子环下表面上，所述盘式电机的电机定子设置在旋翼环上与电机转子对应处。

31、作为优选，所述桨叶的根部和末端均为圆盘结构，且所述桨叶上布设有鱼鳞坑结构。

32、一种飞行器，含有文丘里管式磁悬浮动力系统。

33、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

34、1. 本发明通过设计涵道式冷却系统，利用旋转桨叶上下空气均流向下的特性以及定子环外伸结构，形成上部负压和下部正压，使旋翼环与定子环之间的间隙中气体流动，内部驱动电机散发的热量随气体散出，解决了密集结构下电机的散热问题。

35、2. 通过设计额外升力增加结构，利用旋翼环与定子环之间的间隙中流动的气体，在旋翼环上设置文丘里管结构，使得上方涵道压强减小，则旋翼环将会受到一个向上的升力并起到降低旋翼环重量的作用，也可有效提高散热效果。

36、3. 通过设计二级保护装置，在旋翼环与定子环之间因扰动锁死时，打开二级保护装置外壳与定子环之间的锁止机构，使得旋翼环与定子环同时自由转动直至自然停止，有效保证了旋翼环与定子环之间不因锁死而产生结构损坏。

37、4. 当第一上支撑磁铁和第二上支撑磁铁为电磁铁时，通过主动控制第一上支承磁铁和第二上支承磁铁在旋翼旋转前通电，第一上支承磁铁和第二上支承磁铁产生引力，吸引旋翼和旋翼环向上抬升一定距离，旋翼环不与盘式电机上表面接触，实现零摩擦启动。

38、5. 通过设计桨叶鱼鳞坑结构，减少桨叶在旋转过程中产生的噪声。