油电混动直驱系统及垂直起降固定翼无人机的制作方法

1.本发明涉及无人机技术领域，具体地说是一种油电混动直驱系统及垂直起降固定翼无人机。


背景技术：

2.申请人于2017年04月17日申请了一种混合动力无人机(申请公布号为：cn106864757a)，该混合动力无人机的动力源主要包括一组高功率密度电源和另一组高能量密度电源，其中高功率密度电源为一高功率锂电池，高能量密度电源为电池、油电混合电源、燃料电池及太阳能电池的一种或几种混合，优选的，油电混合电源由发电/启动一体机和内燃机组成，内燃机在设定条件下可为发电/启动一体机提供动力使其进行发电，发电/启动一体机在发电过程中将电量存储在高功率锂电池内。在上述混合动力无人机中，虽然利用燃油的能量高密度特性，通过内燃机的能量转化为无人机提供长续航里程，但是，无人机螺旋桨的驱动仍是电动机，燃料只是用来发电，上述燃料能量利用方式相比较于利用内燃机直接驱动螺旋桨方式，其燃料能量利用率较低。
3.申请人于2016年06月14日申请的一种垂直起降固定翼飞行器(授权公告号为cn205686609u)及于2021年10月20日申请的一种新型无人机(授权公告为cn217170961u)为本技术中的无人机的实现提供了硬件基础。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种油电混动直驱系统及垂直起降固定翼无人机，该油电混动直驱系统可实现燃油发动机直接驱动螺旋桨转动，从而可提高燃油能量利用率，继而可进一步提高无人机的续航时长；同时，在垂直起降阶段，电动/发电一体机和燃油发动机可联动为无人机提供最大功率，从而可优化燃油发动机的功率需求，大大降低发动机的重量与成本。
5.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种油电混动直驱系统，包括螺旋桨、电动/发电一体机、燃油发动机，所述电动/发电一体机和燃油发动机能够联动或单独实现所述螺旋桨的转动驱动，所述电动/发电一体机还能够启动所述燃油发动机，所述燃油发动机还能够带动所述电动/发电一体机发电,通过所述电动/发电一体机和燃油发动机联动为所述螺旋桨的转动提供最大功率，在所述电动/发电一体机和燃油发动机联动或燃油发动机单独驱动所述螺旋桨转动过程中，当燃油发动机出现故障熄火时，所述电动/发电一体机能够独立实现对所述螺旋桨的转动驱动。
6.优选地，该直驱系统还包括第一离合器、第二离合器，所述第一离合器实现所述螺旋桨的驱动轴与所述电动/发电一体机的驱动轴的连接，所述第二离合器实现所述电动/发电一体机的驱动轴与所述燃油发动机的驱动轴的连接。
7.进一步地，所述螺旋桨为变螺距螺旋桨。
8.进一步地，所述第一离合器和第二离合器均为电磁离合器。
9.一种垂直起降固定翼无人机，包括机身、主翼、鸭翼，在所述机身后部对称设置有两个所述主翼，在所述机身前部对称设置有两个所述鸭翼，该固定翼无人机包括两组上述所述的油电混动直驱系统和蓄电池，所述蓄电池、油电混动直驱系统均与该固定翼无人机的主控制处理器电性连接，两组所述油电混动直驱系统对称设置在两个所述主翼前侧或两个所述鸭翼前侧。
10.优选地，在两个所述螺旋桨的驱动轴之间设置一同步轴。
11.本发明的有益效果是：该油电混合直驱系统可实现燃油发动机直接驱动螺旋桨转动，大大提高了燃油能量转化利用率，在无人机平飞阶段，利用燃油发动机独立驱动螺旋桨转动，继而可大大提高无人机的续航时长，同时燃油发动机还可同步带动电动/发电一体机进行发电，提高了无人机的飞行动力可靠性；无人机垂直起降所需功率约为平飞的三倍，垂直起降时，燃油发动机和电动/发电一体机同时工作，但以电动/发电一体机提供动力为主(电动/发电一体机提供70％左右动力，燃油发动机提供约为30％左右动力)，这样则实现了燃油发动机的功率需求优化，大大降低发动机重量与成本，同时燃油发动机与电动/发电一体机联动，可大幅提高无人机飞行可靠性；在平飞过程中，如果燃油发动机出现故障熄火，也可通过离合器实现与螺旋桨动力分离，然后，由电动/发电一体机提供动力实施紧急降落，保证飞行安全。
附图说明
12.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，下面描述中的附图是本发明的部分优选实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本油电混动直驱系统的整体结构示意图；
14.图2为民用或军用垂直起降固定翼飞机的第一种实施例的整体结构示意图；
15.图3为民用或军用垂直起降固定翼飞机的第二种实施例的整体结构示意图；
16.图4为垂直起降固定翼无人机的第一种具体实施例的整体结构示意图；
17.图中：1螺旋桨、2电动/发电一体机、3燃油发动机、4第一离合器、5第二离合器、6第一机身、61第一鸭翼、611第一副翼、62第一主翼、621第二副翼、63第一垂直尾翼、7第二机身、71第二鸭翼、72第二主翼、721第三副翼、73第二垂直尾翼、8第三机身、81第三鸭翼、82第三主翼、83第三垂直尾翼。
具体实施方式
18.下面将结合具体实施例及附图1-4，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的一部分优选实施例，而不是全部的实施例。本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似变形，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
19.本发明提供了一种油电混动直驱系统(如图1所示)，包括螺旋桨1、电动/发电一体机2、燃油发动机3，电动/发电一体机2为本领域已知技术产品，如申请公布号为cn108616204a的中国发明专利，则公开了一种电动发电一体机，故在此，对于电动/发电一
体机2的详细结构及工作原理不再做详细介绍，燃油发动机3同样为本领域已知技术产品，在实际应用中，燃油发动机3可选用重量较小的汽油发动机作为优选实施例，所述电动/发电一体机2和燃油发动机3能够联动或单独实现所述螺旋桨1的转动驱动，即电动/发电一体机2和燃油发动机3可通过串联联动方式同时实现螺旋桨1的转动驱动，也可电动/发电一体机2和燃油发动机3分别单独实现螺旋桨1的转动驱动，利用燃油发动机3单独实现螺旋桨1驱动时，可大大提高燃油能量利用率，所述电动/发电一体机2还能够启动所述燃油发动机3，所述燃油发动机3还能够带动所述电动/发电一体机2发电,通过所述电动/发电一体机2和燃油发动机3联动为所述螺旋桨1的转动提供最大功率，在所述电动/发电一体机2和燃油发动机3联动或燃油发动机3单独驱动所述螺旋桨1转动过程中，当燃油发动机3出现故障熄火时，所述电动/发电一体机2能够独立实现对所述螺旋桨1的转动驱动，从而可提高螺旋桨1的运行可靠性。
20.为便于实现电动/发电一体机2和燃油发动机3的动力组合控制，在该直驱系统中可增加第一离合器4和第二离合器5，所述第一离合器4实现所述螺旋桨1的驱动轴与所述电动/发电一体机2的驱动轴的连接，所述第二离合器5实现所述电动/发电一体机2的驱动轴与所述燃油发动机3的驱动轴的连接，当需要利用电动/发电一体机2和燃油发电机3联动实现螺旋桨1的驱动时，电动/发电一体机2处于电动驱动工位，同时第一离合器4和第二离合器5同时闭合，实现螺旋桨1的驱动轴、电动/发电一体机2的驱动轴和燃油发动机3的驱动轴的串联，继而实现电动/发电一体机2和燃油发动机3对螺旋桨1的同步驱动；当燃油发动机3出现故障后，需要单独利用电动/发电一体机2进行螺旋桨1驱动时，电动/发电一体机2处于电动驱动工位，同时第一离合器4处于闭合状态，第二离合器5处于断开状态，第二离合器5处于断开状态，从而切断了电动/发电一体机2和燃油发动机3的动力传动路径；当只需要燃油发动机3进行螺旋桨1的驱动时，电动/发电一体机2处于发电工作，同时第一离合器4和第二离合器5同时闭合，燃油发动机3带动螺旋桨1转动，同时带动电动/发电一体机2进行发电。
21.在实际应用中，当电动/发电一体机2和燃油发动机3驱动螺旋桨1转动时，为能够使得电动/发电一体机2和燃油发动机3均可保持在最大功率下进行动力输出，可将螺旋桨1选为变螺距螺旋桨；进一步的，为便于实现第一离合器4和第二离合器5的控制便利性，在此，将第一离合器4和第二离合器5均选用电磁离合器。
22.利用该系统具备的燃油发动机3可直接驱动螺旋桨1转动的特性，可将该系统直接应用到民用或军用无人机上，继而可大大提高无人机的远距离作业能力；同时，可将该系统直接应用到民用或军用载人垂直起降固定翼飞机上，该民用或军用载人垂直起降固定翼飞机，无需跑道，可直接在复杂的地势下进行起飞，利用其常续航时长能力，可将军力直接运输投放到敌后方。因民用或军用载人垂直起降固定翼飞机重量较重且体积较大，在其垂直起飞过程中，为便于飞机获得可靠的俯仰及指向控制，在此，可借鉴现有的直升机的螺旋桨的变矩控制原理实现本油电混动直驱系统内的螺旋桨1的变矩控制。现有的直升机一般都是通过倾斜盘(自动倾斜器)实现螺旋桨力矩变化控制的，即通过改变倾斜盘的位置、倾斜方向和角度，从而实现螺旋桨的力矩变化。在实际应用中，可在螺旋桨1的后侧安装用于控制器力矩变化的倾斜盘，利用倾斜盘位置的变化实现螺旋桨1的力矩恒定变大或变小后，从而实现飞机的上升或下降，利用倾斜盘倾斜方向和角度变化实现螺旋桨1的力矩的周期性
变大或变小，从而实现力矩的不对称性，此时，继而可实现飞机俯仰及指向控制，因螺旋桨1的力矩较大，在飞机起飞过程中，通过螺旋桨1的力矩变化，继而可为悬飞的飞机提供可靠的俯仰及指向控制。在本具体实施例中，给出了民用或军用载人垂直起降固定翼飞机的两种具体实施例，具体的，民用或军用载人垂直起降固定翼飞机的第一种具体实施例(如图2所示)具体实施方式为：该飞机包括第一机身6，在第一机身6的前部左右对称设置有两个第一鸭翼61，在第一机身6的后部左右对称设置有两个第一主翼62，在第一机身6的后部上下对称设置有两个第一垂直尾翼63，两组所述油电混动直驱系统左右对称设置在两个第一鸭翼61的外端，在第一鸭翼61的后侧设置一第一副翼611，在第一主翼62的后侧设置一第二副翼621，在本具体实施例中，当飞机垂直起飞时，第二副翼621不参与垂飞控制，利用螺旋桨1的变矩控制实现垂飞时的俯仰及航向主控制，同时，第一副翼611偏转螺旋桨1产生的下洗气流，从而帮助产生额外的俯仰及指向控制力矩，继而提高了飞机的垂直起飞稳定性；在飞机平飞状态下，利用第一副翼611主要实现飞机的俯仰控制，第二副翼621主要实现飞机的横滚控制；民用或军用载人垂直起降固定翼飞机的第二种具体实施例(如图3所示)具体实施方式为：该飞机包括第二机身7，在二机身7的前部左右对称设置有两个第二鸭翼71，在第二机身7的后部左右对称设置有两个第二主翼72，在第二机身7的后部上下对称设置有两个第二垂直尾翼73，两组所述油电混动直驱系统左右对称设置在两个第二主翼72的外端，在第二主翼72的后侧设置一第三副翼721，当飞机垂直起飞时，利用螺旋桨1的变矩控制实现垂飞时的俯仰及航向主控制，同时，第三副翼721偏转螺旋桨1产生的下洗气流，从而帮助产生额外的俯仰及指向控制力矩，继而提高了飞机的垂直起飞稳定性；在飞机平飞时，利用第三副翼721的偏转实现飞机的俯仰及横滚控制。
23.本发明还提供了一种垂直起降固定翼无人机，包括机身、主翼、鸭翼，在所述机身后部对称设置有两个所述主翼，在所述机身前部对称设置有两个所述鸭翼，该垂直起降固定翼无人机还包括上述内容所述的油电混动直驱系统和蓄电池，所述蓄电池、油电混动直驱系统均与该固定翼无人机的主控制处理器电性连接，主控制处理器能够依据其内部设定控制程序，控制电动/发电一体机2、燃油发动机3、第一离合器4和第二离合器5的实时工作状态，蓄电池能够为电动/发电一体机2提供启动电源，同时用于储存电动/发电一体机2的发电电量，蓄电池同时能够为无人机的柱控制处理器提供运行电源，两组所述油电混动直驱系统对称设置在两个所述主翼前侧或两个所述鸭翼前侧。该固定翼无人机的一种具体实施例的具体实施方式为：该无人机包括第三机身8，在第三机身8的前部左右对称设置有两个第三鸭翼81，在第三机身8的后部左右对称设置有两个第三主翼82，在第三机身8的后部上下对称设置有两个第三垂直尾翼83，两组所述油电混动直驱系统左右对称设置在两个第三主翼82的中部，蓄电池设置在第三机身8内部。
24.在实际应用中，通过螺旋桨1的高速转动则为无人机提供飞行动力，从而实现无人机的飞行；该油电混合直驱系统可实现燃油发动机3直接驱动螺旋桨1转动，大大提高了燃油能量转化利用率，在该固定翼无人机平飞阶段，利用燃油发动机3独立驱动螺旋桨1转动，继而可大大提高无人机的续航时长，同时燃油发动机3还可同步带动电动/发电一体机2进行发电，提高了无人机的飞行动力可靠性；无人机垂直起降所需功率约为平飞的三倍，垂直起降时，燃油发动机3和电动/发电一体机2同时工作，但以电动/发电一体机2提供动力为主(电动/发电一体机2提供70％左右动力，燃油发动机3提供约为30％左右动力)，这样则实现
了燃油发动机3的功率需求优化，大大降低发动机重量与成本，同时燃油发动机3与电动/发电一体机2联动，可大幅提高无人机飞行可靠性；在平飞过程中，如果燃油发动机3出现故障熄火，也可通过离合器实现与螺旋桨1动力分离，然后，由电动/发电一体机2提供动力实施紧急降落，保证飞行安全，为进一步提高无人机飞行可靠性，可在两个所述螺旋桨1的驱动轴之间设置一同步轴，利用同步轴实现两个螺旋桨1的同步转动，当一个螺旋桨1失去驱动动力时，利用同步轴的传动，仍可保证其处于转动状态，继而可提高无人机的飞行可靠性。
25.该垂直起降固定翼无人机起降不受地理环境的限制，同时具备长时航能力，将其应用在物流投递、救援、灭火等领域后，可大大提高上述领域作业效率及能力。
26.除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
27.以上所述结合附图对本发明的优选实施方式和实施例作了详述，但是本发明并不局限于上述实施方式和实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种油电混动直驱系统，其特征是，包括螺旋桨、电动/发电一体机、燃油发动机，所述电动/发电一体机和燃油发动机能够联动或单独实现所述螺旋桨的转动驱动，所述电动/发电一体机还能够启动所述燃油发动机，所述燃油发动机还能够带动所述电动/发电一体机发电,通过所述电动/发电一体机和燃油发动机联动为所述螺旋桨的转动提供最大功率，在所述电动/发电一体机和燃油发动机联动或燃油发动机单独驱动所述螺旋桨转动过程中，当燃油发动机出现故障熄火时，所述电动/发电一体机能够独立实现对所述螺旋桨的转动驱动。2.根据权利要求1所述的油电混动直驱系统，其特征是，该直驱系统还包括第一离合器、第二离合器，所述第一离合器实现所述螺旋桨的驱动轴与所述电动/发电一体机的驱动轴的连接，所述第二离合器实现所述电动/发电一体机的驱动轴与所述燃油发动机的驱动轴的连接。3.根据权利要求2所述的油电混动直驱系统，其特征是，所述螺旋桨为变螺距螺旋桨。4.根据权利要求2所述的油电混动直驱系统，其特征是，所述第一离合器和第二离合器均为电磁离合器。5.一种垂直起降固定翼无人机，包括机身、主翼、鸭翼，在所述机身后部对称设置有两个所述主翼，在所述机身前部对称设置有两个所述鸭翼，其特征在于，该固定翼无人机包括两组依据权利要求1-4中任一项所述的油电混动直驱系统、蓄电池，所述蓄电池、油电混动直驱系统均与该固定翼无人机的主控制处理器电性连接，两组所述油电混动直驱系统对称设置在两个所述主翼前侧或两个所述鸭翼前侧。6.根据权利要求5所述的垂直起降固定翼无人机，其特征是，在两个所述螺旋桨的驱动轴之间设置一同步轴。

技术总结
本发明给出了一种油电混动直驱系统垂直起降固定翼无人机，该油电混动直驱系统包括螺旋桨、电动/发电一体机、燃油发动机，电动/发电一体机和燃油发动机能够联动或单独实现螺旋桨的转动驱动，电动/发电一体机还能够启动燃油发动机，燃油发动机还能够带动电动/发电一体机发电；该固定翼无人机包括两组上述油电混动直驱系统，还包括蓄电池，两组油电混动直驱系统对称设置在两个所述主翼前侧或两个所述鸭翼前侧。该油电混动直驱系统可实现燃油发动机直接驱动螺旋桨转动，从而可提高燃油能量利用率；电动/发电一体机和燃油发动机可联动为无人机提供最大功率，从而可优化燃油发动机的功率需求，大大降低发动机的重量与成本。大大降低发动机的重量与成本。大大降低发动机的重量与成本。


技术研发人员：毛有斌
受保护的技术使用者：山东翔鸿电子科技有限公司
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/10/11