固定翼磁动力无人机的制作方法

本实用新型涉及一种固定翼磁动力无人机，尤其涉及一种在携带小容量蓄电池的情况下就能长时间飞行的固定翼磁动力无人机,属于航行器技术领域。

背景技术：

小型无人机由于成本低、易于使用等特点，在消费和工业领域得到越来越广泛的使用。目前国内外无人机主要有三类，第一类为固定翼无人机，第二类为传统类型无人直升飞机，第三类为电动多轴无人机。第一类的固定翼无人机飞行效率高但无法垂直起降，使用场地受限；第二类的传统无人直升机可垂直起降，但机械及动力传动结构复杂，成本高、安全性低且操作难度大；第三类电动多轴无人机操作简单，但多数采用蓄电池组提供能源，由于蓄电池的所存储的电能有限，造成无人机飞行时间受限，一般为半小时左右。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的缺点，本实用新型的发明目的是提供一种固定翼磁动力无人机，其飞行时间长。

为实现所述发明目的，本实用新型提供一种固定翼磁动力无人机，其包括控制系统和驱动器，其特征在于，所述驱动器为磁动力驱动器，磁动力驱动器至少包括一个定子和一个转子，定子设置于转子外周，所述定子交错设置有呈N极性和S极性的永久磁铁，所述定子至少包括第一定子绕组、第二定子绕组第三定子绕组，通过第一定子绕组输入交变电流，通过第二定子绕组输出交变电能；第二定子定子绕组输出的部分能源经转换施加于第三定子绕组，通过控制施加于第三定子绕组的电能的相对施加于第一定子绕组的交变电流的相角而改变转子的转速。

优选地,控制系统至少包括第一蓄电池组、第二蓄电池组和第一DC/AC转器，第一DC/AC转换器用于将第一蓄电池组和第二蓄电池组提供的电能交替地转换为第一三相交流电并施加于第一定子绕组。

优选地，控制系统还包括第一充电器，其用于将供电源提供的能源交替地存储于第一蓄电池组和第二蓄电池组中。

优选地，控制系统还至少包括整流器和第二DC/AC转换器，整流器用于对第二定子绕组输出的电能进行整流；第二DC/AC转换器用于将整流器提供的电能转换为第二三相交流电并施加于第三定子绕组。

优选地，控制系统还包括第二充电器、第三蓄电池组和第四蓄电池组，第二充电器用于整流器提供的能源交替地存储于第三蓄电池组和第四蓄电池组中，第二DC/AC转换器交替地将第三蓄电池组和第四蓄电池组提供的能源转换为第二三相交流电。

优选地，控制系统还包括发动机控制器，其用于控制第一DC/AC转换器和第二DC/AC转换器输出的交流电的相角。

优选地，所述供电源为光伏能源。

优选地，所述光伏能源来源于贴附于无人机的光伏电池膜。

与现有技术相比，本实用新型提供的固定翼磁动力无人机，由于其采用了磁动力驱动器，其飞行时间长，可长期执行任务。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例提供的磁动力固定翼无人机的示意图；

图2是本实用新型一个实施例提供的用于无人机的光伏电源模块的电路图；

图3是本实用新型一个实施例提供的固定翼无人机的控制系统的组成示意图；

图4是本实用新型提供的磁动力驱动器的组成示意图；

图5是本实用新型一个实施例提供的发动机模块的控制流程图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本实用新型的实施方式。此外，对图中相同或者相当的部分赋予相同符号，不再进行反复的说明。

图1是本实用新型提供的磁动力固定翼无人机的示意图。如图1所示，本实用新型提供的无人机至少包括机壳21、螺旋浆、设置在机壳内的控制系统和由控制系统控制的用于驱动螺旋浆进行旋转的磁动力驱动器，所述机壳21上粘附有太阳能电池膜23，所述太阳能电池膜与无人机的壳体非平面表面贴附设置，如此设置，可减小无人机飞行过程中，太阳能电池膜对风的阻力。太阳能电池膜主要包括窗层以及设置在窗层上的光伏电池，光伏电池依次包括n+发射极层、p型基极层、背表面场层以及重掺杂的p型和n型层，其中，n+型发射极层由InGA(Al)构成，p型基极层由InGa(Al)构成；背表面场层用于降低复合损耗，背表面场层驱动来自基极层界面表面附近的区域的少数载流子，以使复合损耗的影响最小化；重掺杂的p型和n型层形成隧道二极管。该太阳能电池膜可以被成形在符合具有非平面配置的支撑件的表面上，可以利用粘合剂将支撑件附接到无人机顶部及固定翼的上表面上。

图2是本实用新型一个实施例提供的用于无人机的光伏电源模块的电路图，如图2所示，根据本实用新型的一个实施例提供的用于无人机的光伏电源模块包括N行和M列光伏电池桥单元；每行彼此相邻的两个光伏电池桥单元相并联，每列彼此相邻的两个光伏电池桥单元相串联，且每行的位于第1列的光伏电池桥单元与位于第M列的光伏电池桥单元相连接。每个光伏电池桥单元包括第一光伏电池（例如11A、12A、1MA、21A、22A、2MA、N1A、N2A，…，NMA），第二光伏电池（例如11B、12B、1MB、21B、22B、2MB、N1A、N2B，…，NMB）、第三光伏电池（例如11C、12C、1MC、21C、22C、2MC、N1C、N2C，…，NMC）和第四光伏电池（例如11D、12D、1MD、21D、22D、2MD、N1D、N2D，…，NMD），第一光伏电池的正极端与第二光伏电池的正极端相连，并作为列相连的第一引出端子；第一光伏电池的负极端与第三光伏电池的正极端相连，并作为行相连的第一引出端子；第二光伏电池的负极端与第四光伏电池的正极端相连并作为行相连的第二引出端子；第三光伏电池的负极端与第四光伏电池的负极端相连并作为列相连的第四引出端子。彼此相邻的两个光伏电池桥单元的列相连的第二引出端子和列相连的第一引出端子首尾相连，第一行的列相连的第一引出端子相连接并向外提供正极性电压，第N行的列相连的第二引出端子相连接并向外提供负极性电压；彼此相邻的两个光伏电池桥单元的行相连的第二引出端子和行相连的第一引出端子首尾相连，第1列的行相连的第一引出端子与第M行的行相连的第二引出端子相连，如此形成立体供电的结构，如果某一块或者几块光伏电池处于阴影中，其内阻增大，并不影响其它光伏电池向外供电，从而提高了光伏电源的利用率。根据本实用新型的一个实施例，光伏电池桥单元中的第一光伏到第四光伏电池应该粘接于无人机顶和机翼的不同部位触，如此配置，均衡光伏电池桥单元向外供电的性能。

图3是本实用新型一个实施例提供的固定翼无人机的控制系统的组成示意图；如图3所示，驱动器利用第一蓄电池组或第二蓄电池组所存储的电能驱动螺旋浆旋转，从而使无人机进行飞行。本实用新型中，驱动器优选磁动力驱动器，磁动力驱动器至少包括一个定子5和一个转子4，定子4设置于转子5外周，所述转子5至少包括交错设置有呈N极性和S极性的永久磁铁，所述定子至少包括第一定子绕组U1、V1和W1，它们分别设置于三个绕线柱或者三个线槽中；定子还至少包括第二定子绕组U2、V2和W2，第二定子绕组U2、V2和W2分别设置于另三个绕线柱或者三个线槽中，定子还至少包括第三定子绕组U3、V3和W3，它们分别与第一定子绕组设置于相同的三个绕线柱或者三个线槽中。后续结合图4详细说明。

根据本实用新型的一个实施例，无人机的控制系统包括第一充放电模块，其包括充电器1、第一电池组E1、第二电池组E2、第一转换开关K1、第二转换开关K2、第一电池组采样电路、第二电池组采样电路和第一蓄电池控制模块7，其中，第一电池组E1采样电路由电阻R3和R4组成，电阻R3和R4相串联后并联在第一电池组两端，其中间节点对地电压为V1；第二电池组E2采样电路由电阻R5和R6组成，电阻R5和R6相串联后并联在第一电池组两端，其中间节点对地电压为V2。第一蓄电池控制模块7根据采样电路所采样的电池组的值控制第一转换开关K1和第二转换开关K2的工作状态，以使充电器1通过第一转换开关K1交替给第一电池组E1和第二电池组E2充电；以使第一电池组E1和第二电池组E2充电交替给第一DC/AC转换器15提供直流电能。本实施例中，由于在无人机的机壳上粘附了太阳能电池膜，其将太阳能转换为电能，无人机在飞行的过程中，第一充电器1将太阳能转换的电能交替存储于第一电池组E1或者第二电池组E2，如此，补充了第一电池组E1或者第二电池组E2能源的消耗，从而延长了无人机的续航时间。

无人机的控制系统还包括MPPT控制模块，其依据光伏电池输出电压、输出电流的采样值，调节充电器1功率，在环境温度、光强发生变化时，使太阳能电池总处于最大功率输出状态，提高太阳能电池的使用效率。如图3所示，电阻R1和R2相串联而后并联到光伏电源两端，其中间节点用于取出光伏电源的取样电压；光伏电源的负极通过电阻R7接地，R7为电流采样电阻，MPPT控制模块根据采样电压和采样电流的值给DC/AC转换器1提供控制信号。第二开关K2和DC/AC转换器15之间还有设置有二极管D1，二极管D1用于控制电流的方向。

无人机的控制系统还包括第二充放电模块，其包括充电器11、第三电池组E3、第四电池组E4、第三转换开关K3、第四转换开关K4、第三电池组采样电路、第四电池组采样电路、第二DC/AC转换器12和第二蓄电池控制模块14，其中，第三电池组采样电路由电阻R8和R9组成，电阻R8和R9相串联后并联在第三电池组E3两端，其中间节点对地电压为V3；第四电池组采样电路由电阻R10和R11组成，电阻R10和R11相串联后并联在第二电池组两端，其中间节点对地电压为V4。第二蓄电池控制模块14根据采样电路所采样的电池组的值控制第三转换开关K3和第四转换开关K4的工作状态，以使第二充电器11通过第三转换开关K3交替给第三电池组E3和第四电池组E4充电；以使第三电池组E3和第四电池组E4充电交替给第二DC/AC转换器12提供直流电能。第四开关K4和DC/AC转换器12之间还有设置有二极管D2，二极管D2用于控制电流的方向。由于在定子绕组中设置了第二定子绕组U2、V2和W2，在无人机飞行的过程中，转子转动，从而在第二定子绕组U2、V2和W2产生感应电流，该感应电流经整流器整流转换为直流电，第二充电器将该直流电能交替存储于第三电池组或者第四电池组，将第三电池组或者第四电池组输出的直流电转换为与第一三相交流电同频的交流电，从而产生旋转磁场，以进一步驱动转子旋转，改变第一三相交流电的每一相与第一三相交流的每一相的相角差，就可改变转子转速，从而节省了第一电池组和第二电池组的能源。

根据本实用新型的一个实施例提供的无人机的控制系统还包括发动机控制模块、第一采样电路16和第二采样电路13，其中第一采样电路16用于采样DC/AC转换器15所输出的第一三相交流电的每一相的电压和电流，第二采样电路13用于采样DC/AC转换器12所输出的第二相交流电电的每一相的电压和电流，发动机控制模块根据电压和电流的采样值分别控制第DC/AC转换器15和DC/AC转换器12输出的交流信号的相角。本实用新型的一个实施例中，可控制DC/AC转换器15和DC/AC转换器12输出的三相交流电，使它们中的每一相同频同相，如此，进一步地节省蓄电池组的电能。后续结合图5详细说明其工作过程。

本实用新型提供的一个实施例中，在有微风的情况下，微风驱动无人机的螺旋浆旋转，螺旋浆带动转子旋转，优选地在第二定子绕组U2、V2和W2产生感应电能，该电能补充存储于第三电池组E3或者第四电池组E4中。在有光的情况下，将光伏能存储于第一电池组E1或者第二电池组E2中，如此，使得无人机携带的第一电池组、第二电池组、第三电池组和第四电池组的容量不必太大，从而减轻了无人机的载荷，也进一步的延长了无人机的续航时间。

固定翼无人机的磁动力驱动器还包括本地控制器，其包括人机接口和通信控制接口，所述人机接口用连接按键和显示器；通信控制接口用于与本地个人计算机和/或网络进行连接。

图4是本实用新型提供的磁动力驱动器的组成示意图，如图4所示，磁动力驱动器的包括转子5和设置于转子外周的定子4，所述转子5包括转子磁铁保持架18和交错设置并呈N极性和S极性的永久磁铁。磁铁保持架由非磁性材料制作。只要是非磁性材料，则磁铁保持件的材质没有特别限定。在一个实施方式中，磁铁保持件由非磁性金属(例如铝、钛合金等)形成。如果永久磁铁的温度太高，则永久磁铁有可能减磁。即， 永久磁铁的磁力有可能变弱。通过利用非磁性金属来形成磁铁保持件，能够将永久磁铁所产生的热量高效地向外部释放，因此，能够降低产生这样的问题的可能性。在另一实施方式中，磁铁保持件由树脂材料形成。通过由树脂材料形成磁铁保持件，能够减轻磁铁保持件的重量。进而能够获得容易进行磁铁保持件的成形这样的优点。

永久磁铁优选使用稀土类磁铁。一般而言，与相同大小的铁素体磁铁相比，稀土类磁铁具有较强的磁力。作为稀土类磁铁可以使用例如钐钴磁铁或者钕磁铁。本实用新型的实施方式中特别优选钕磁铁。 钕磁铁与钐钴磁铁相比，相同大小时具有较强的磁力。因此，可以使用例如小型的永久磁铁。与使用相同尺寸的钐钴磁铁的情况相比，通过使用钕磁铁能够提高能量转换装置的输出(能够取出较大的能量)。但是，本实用新型的实施方式并不排除稀土类磁铁以外的永久磁铁。永久磁铁使用铁素体磁铁当然也是可以的。

所述定子至少包括线圈保持件，线圈保持件形成为环状，沿其径向至少均匀设置有六个绕线柱或者线槽。定子还至少包括第一定子绕组，其三个线圈U1、V1和W1分别设置于三个绕线柱或者三个线槽中；定子绕组中设置了第二定子绕组，其三个线圈U2、V2和W2分别设置于另三个绕线柱或者三个线槽中，设置第一定子绕组的三个线圈U1、V1和W1的三个线柱或者线槽与设置第二定子绕组的三个线圈U2、V2和W2的三个线柱或者线槽交错设置并相隔等间距，定子绕组中设置有第三定子绕组，其三个线圈U3、V3和W3分别与第一定子绕组的三个线圈U1、V1和W1同柱或者同槽设置，如此，使第一定子绕组的三个线圈与第三定子线圈的三个线圈分别紧耦合。

图5是本实用新型提供的发动机模块的控制流程图；如图5所示，发动机模块的控制过程如下：

步骤1：检测第一采样电路所采样DC/AC转换器15所输出第一三相交流电每一相的电流信号和电压信号；检测第二采样电路所采样DC/AC转换器12所输出第二三相交流电每一相的电流信号和电压信号；

步骤2：判断，如果第一三相交流的每一相和第二三相交流电的每一相的电流和电压信号的相位分别达到本地控制器指定的相角或相差，则执行步骤3；否则执行步骤4；

步骤3：使DC/AC转换器12输出的三相交流电分别接入第三定子绕组；

步骤4：给DC/AC转换器15和DC/AC转换器12关发送控制信号，以分别调整DC/AC转换器15所输出第一三相交流电每一相的电流信号和电压信号和DC/AC转换器12所输出第二三相交流电每一相的电流信号和电压信号，而后返回步骤1。

发动机的发动机模块至少包括处理器及存储器，其控制流程可以编成计算机程序并存储于存储器中，处理器能够调用存储器的存储程序并进行执行。该存储程序可以存储于其它存储介质中，并在数据网中进行传送。

本实用新型的实施方式涉及的磁动力驱动器构成为能够将电能(电力)和机械能(动能)中的一方转换为另一方。在一个实施方式中，磁动力驱动器用作发电机。此时，由于无人机的固定翼旋转，转子旋转的动能被赋予给磁动力驱动器。第二定子线圈产生电压。磁动力驱动器将机械能转换为电能。

在另一实施方式中，磁动力驱动器用作电动机。对第一定子线圈和第三定子线圈施加电能，并以规定的电角配置。对第一定子和/或第三定线圈的每一个施加的电压的极性与电角同步被切换。由此，转子旋转。即、磁动力驱动器将电能转换为机械能。

本实用新型虽然以第一定子绕组、第二定子绕组和第三定子绕组均三个线圈为例进行了说明，但并不限于三个，分别可以一个以上的任意个。

本实用新型中，由于采用了光伏电池桥单元的立体结构，节约了成本，减轻了无人机的载荷；由于采用了磁动力驱动器，所以提高了电源的利用效率。如此，大大延长了无人机的飞行时间。

以上结合附图详细说明了本实用新型的工作原理，但是具体实施方式仅是用于示范地说明本实用新型。说明书仅是用于解释权利要求书。但本实用新型的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。