能够悬停的飞行器的制作方法

本申请要求于2016年12月30日提交的欧洲专利申请第16207524.6号的优先权，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种能够悬停的飞行器，特别是直升机或推力换向式飞机。

背景技术：

已知的直升机包括机身、从机身向上突出的主旋翼以及设置在机身尾部的尾旋翼。此外，已知的直升机包括涡轮机、将运动从涡轮机传递至主旋翼的主传动组以及将运动从主传动组传递至尾旋翼的附加传动组。主旋翼和尾旋翼各自包括：

-固定壳体；

-主轴，其通过主传动组或附加传动组驱动从而围绕其自身的轴线旋转；

-毂，其通过主轴驱动旋转；以及

-多个桨叶，它们相对于毂被铰接。

本领域需要向主旋翼和尾旋翼的旋转部件、即主轴、毂和桨叶提供电力。例如，电力可用于启动由嵌在桨叶中的多个电导体形成并适于通过焦耳效应加热相关桨叶的除冰或防冰系统，或者用于启动桨叶上的一些可动表面。为了给主旋翼的旋转部件提供所需的电力，已知的直升机通常包括由连接至主传动组和集电环的轴操作的发电机。集电环通过产生摩擦接触而将电力从与发电机电连接的固定导体传输至主旋翼或尾旋翼的旋转导体。尽管表现良好，但先前描述的方案留有改进的余地。事实上，集电环的制造和维护复杂，并且易于受到磨损的影响。特别是在旋转速度比主旋翼更高的反力矩尾旋翼中，这种缺点更加严重。此外，在雷击的情况下，主旋翼和尾旋翼的固定导体与旋转导体之间必要的导电路径的存在可能将危险的电流峰值从固定导体传播到旋转导体，或反过来也一样。

因此，在工业中存在将电力传输至主旋翼或尾旋翼的旋转部件且同时以简单、低成本的方式消除上述缺点的需求。此外，存在利用集成在旋翼头部的有限尺寸内以便允许高效的散热和/或可以容易地改造现有的主旋翼或尾旋翼的方案来传输电力的需求。

ep-a-2629407公开了一种根据权利要求1的前序部分所述的飞行器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于能够悬停的飞行器的旋翼，其满足上述要求中的至少一个。

上述目的通过涉及权利要求1所述的能够悬停的飞行器的本发明得到实现。

附图说明

为了更好地理解本发明，在下文中通过非限制性例子并参照附图公开了四个优选实施方式，其中：

-图1是包括根据本发明的主旋翼和尾旋翼的直升机的示意图；

-图2是图1的主旋翼的第一实施方式的横截面；

-图3是图1的主旋翼的第二实施方式的横截面；

-图4是图1的主旋翼的第三实施方式的横截面；

-图5是图1的主旋翼的第四实施方式的横截面；并且

-图6是图1的尾旋翼的实施方式的横截面，其仅出于说明性目的示出。

具体实施方式

参照图1，附图标记1表示能够悬停的飞行器、特别是直升机。直升机1基本上包括(图1)具有机头5的机身2；装配到机身2的顶部上并可围绕轴线a旋转的主旋翼3；以及装配到在与机头5相对的一端从机身2突出的垂直安定面上的反力矩尾旋翼4。更具体地，主旋翼3为直升机1提供使其升高的升力以及使其向前移动的推力，而旋翼4在垂直安定面上施力以在机身2上产生矫直力矩。矫直力矩平衡主旋翼3在机身2上施加的力矩，否则该力矩会使机身2围绕轴线a旋转。直升机1还包括：

-一对涡轮机6(仅示出其中一个)；

-主传动组7，其传递来自涡轮机6的运动；以及

-附加传动组8，其将运动从主传动组7传递至尾旋翼4。

参照图2，旋翼3基本上包括：

-支撑元件10，其固定至机身2；

-主轴11，其可相对于支撑元件10围绕轴线a旋转；

-毂12，其与主轴11整体地旋转；以及

-多个桨叶13(图2中仅示出其中两个)，它们铰接在毂12上。

在所示的实施方式中，支撑元件10相对于轴线a是固定的。此外，支撑元件10、主轴11和毂12是中空的。

旋翼3还包括行星齿轮系17，其将运动从主传动组7的端轴(未示出)传递至主轴11和毂12。

详细地，行星齿轮系17与轴线a同轴并且包括：

-太阳齿轮20，其被驱动为围绕轴线a旋转并包括径向外齿；

-多个行星齿轮21(图2中仅示出两个)，它们各自包括与太阳齿轮20啮合的径向内齿以及与支撑元件10限定的径向内齿啮合的径向外齿；以及

-承载件22，其与行星齿轮21和主轴11整体地旋转并且与它们连接。

特别地，支撑元件10用作行星齿轮系17的固定冠部23。行星齿轮21围绕平行于轴线a并围绕轴线a转动的相关轴线e旋转。

有利地，旋翼3包括：

-磁场源30，其被驱动为以第一旋转速度ω1围绕轴线a旋转；以及

-导电元件32，其操作性地连接至主轴11并且被驱动为以不同于第一旋转速度ω1的第二旋转速度ω2旋转。

导电元件32与源30电磁耦合，使得在使用中在导电元件32自身中磁性地引起电动势。

以这种方式，源30和导电元件32形成发电机，由于旋转差速ω2-ω1，该发电机在主轴11中并因此在毂12和桨叶13中引起电动势。在所示的实施方式中，发电机是轴向磁通电机，其中由源30产生的磁场主要定向为平行于轴线a。在所示的实施方式中，源30包括多个永磁体81，而导电元件32是绕组。

旋翼3还包括：

-轴35，其平行于轴线a伸长并固定至支撑结构10；以及

-支撑元件36，其支撑源30并且可围绕轴线a以旋转速度ω1旋转；以及

-行星齿轮系37。

支撑元件36包括：

-围绕轴线a伸长的轴38；

-与轴线a正交地从轴38突出的一对盘39。

盘39包括各自的面部40，这些面部沿轴线a彼此面对并且永磁体81装配到其上。

行星齿轮系37基本上包括：

-由轴38的轴向端齿轮45限定的径向外齿，其在轴向上设置在支撑结构10的相同侧；

-多个行星齿轮46，它们围绕与轴线a平行并与轴线a错开的各自的轴线f延伸，并且各自具有相对于相关轴线f的径向外齿，该径向外齿与端齿轮45的径向外齿啮合；

-承载件47，其与行星齿轮46整体地旋转并且在轴向的一侧上连接至行星齿轮46，并在轴向的另一侧上连接至轴35；以及

-环形的环48，其连接至毂12并与其整体地旋转，并且包括相对于轴线a的径向内齿，该径向内齿与行星齿轮46的径向外齿啮合。

行星齿轮46围绕各自的围绕轴线a转动的轴线f旋转。除了环48之外，毂12还包括管状的主体51和一对环52、53，环52、53朝向轴线a并与轴线a正交地从主体51延伸。环52在轴35的轴向相对一侧上限定毂12的边界。环53在轴向上插在环52、48之间。此外，环48朝向轴线a并与轴线a正交地从主体51延伸。导电元件32装配到环52上。环52在轴向上插在支撑元件26的盘39之间。以这种方式，导电元件32面向永磁体81。因此，永磁体81根据法拉第定律在导电元件32上引起电动势。环52、53分别环绕轴38和轴35，同时其间具有径向间隙。

因此，可以认定旋翼3内围绕轴线a具有相对的旋转速度的三个组件：

-支撑结构10和轴35，它们围绕轴线a是固定的；

-支撑元件36和源30，它们围绕轴线a在第一方向上以旋转速度ω1旋转；以及

-主轴11、具有导电元件32的毂12，它们围绕轴线a在与第一方向相反的第二方向上以旋转速度ω2旋转。

旋翼3还包括中空的导流板85，其连接至毂12的轴向端部并且与毂12整体地旋转。导流板85相对于支撑结构10在轴向相对的一侧上限定旋翼3的边界。导流板85容纳一个盘39、轴38的与轴46相对的轴向顶端部以及环52。此外，导流板85容纳用于控制永磁体81和导电元件32的电子控制单元86以及其他系统，例如ac/dc转换器。在一个实施方式中，导流板85设置有电力储存装置89，其通过在导电元件32内流动的电流充电。导流板85由金属制成并包括多个导热环90，在所示的实施方式中，导热环90连接至环52。导电元件32通过电线87与桨叶13电连接。以这种方式，桨叶13可获得电流。在一个实施方式中，桨叶13包括嵌在桨叶13自身内部并且被供应电流的电路。该电路用作防冰系统。在另一个实施方式中，桨叶13包括被供应电流的致动器。

相对于轴线a，旋翼3还包括：

-轴承100，其相对于轴线a在径向上插在轴38与毂12之间；

-一对轴向间隔开的轴承101，它们相对于轴线a在径向上插在轴35与主轴11和毂12之间。

在使用中，主传动组7的端轴驱动行星齿轮系17的太阳齿轮20围绕轴线a旋转。因此，行星齿轮21和承载件22也围绕轴线a旋转，从而驱动主轴11、毂12和桨叶13围绕同一轴线a旋转。桨叶13被毂12驱动为围绕轴线a旋转，并且可以通过已知的方式相对于毂12移动。毂12、环48并因此导电元件32围绕轴线a以旋转速度ω2绕轴线旋转。

同时，行星齿轮系37接收来自围绕轴线a以旋转速度ω2旋转的环48的运动，并且驱动支撑元件36并因此驱动源30和永磁体81围绕轴线a以旋转速度ω1旋转。特别地，与毂12为一体的环48与关于轴线a固定的行星齿轮46啮合，并且行星齿轮46与和支撑元件36以及源30整体地旋转的齿轮45啮合。结果，源30以旋转速度ω1旋转，导电元件32以与旋转速度ω1不同的旋转速度ω2旋转，并且永磁体81和导电元件32沿轴线a彼此面对。因此，根据法拉第定律，在与毂12整体地旋转的导电元件32中磁性地引起电动势。电线87将电动势从毂12上的导电元件32传递至桨叶13。该电动势用于多种目的。例如，它可用于给桨叶13内的电路供电并提供除冰或防冰功能。替代地或组合地，电动势可以用于操作装配到桨叶13上的致动器，例如，用于主动气动控制。由源30和导电元件32的运行产生的热量由于空气在导流板85内连续流动而通过对流并且由于导流板85由金属制成并包括用于散热的环90而通过传导被消散。

在涡轮机6发生故障的情况下，储存在容纳在导流板85中的电力储存装置89中的电力例如可以用于在安全完成自转操纵所需的有限时间量内维持毂12的自转。

参照图3，3’整体表示根据本发明第二实施方式的主旋翼。

旋翼3’与旋翼3类似，并且在下文中仅描述其与旋翼3的不同之处；在可能的情况下，将用相同的附图标记表示旋翼3、3’的对应或等同的部分。特别地，旋翼3’与旋翼3的不同之处在于，代替环52、53和环48，毂12’包括：

-环形的盘52’，其朝向轴线a从主体51的设置在导流板85那一侧的轴向端部突出并且位于与轴线a正交的平面上；

-圆柱形的壁53’，其朝向支撑结构10从盘52’的径向内端部突出、与轴线a同轴并具有小于主体51的轴向长度；以及

-环48’，其从壁53’的与盘52’相对的轴向端部突出并位于与轴线a正交的平面上。

特别地，环48’相对于轴线a包括：

-径向外部49’，其在与轴线a相对的一侧上在壁53’的径向外侧上延伸；以及

-径向内部50’，其朝向轴线a在壁53’的径向内侧上延伸。

支撑元件36’与支撑元件36的不同之处在于包括：

-管状的主体105’，其围绕轴线a延伸、环绕轴35的设置在导流板85那一侧的轴向端部并且可相对于固定轴35以旋转速度ω1围绕轴线a旋转；

-盘106’，其位于与轴线a正交的平面上，并且从主体105’的设置在支撑结构10那一侧的轴向端部径向突出；

-管状的壁107’，其围绕轴线a延伸、在径向上与主体105’相对、在轴向上从盘106’的径向外端部突出并且通过径向间隙与毂12’的主体51分开；以及

-盘108’，其在径向上从壁107’的与盘106’相对的轴向端部并朝向轴线a突出。

盘108’通过轴向间隙与盘52’分开，并且通过径向间隙与壁107’分开。永磁体81装配在盘108’和盘106’上并且在轴向上彼此面对。环48’的部分49’在轴向上插在盘106’、108’之间，并将导电元件32支撑在永磁体81之间的轴向插入位置。支撑元件36’与支撑元件36的不同之处在于包括：

-承载件110’，其在轴向上从轴35的轴向端部突出并且位于与轴线a正交的平面上；以及

-多个行星齿轮111’，它们装配到承载件110’上，并且各自与环48’的部分50’的径向内齿和主体105’的径向外齿啮合。

以这种方式，行星齿轮系37’由固定的行星齿轮111’、与永磁体81一起以旋转速度ω1旋转的主体105’以及与毂12一起以旋转速度ω2旋转的环48’形成。相对于轴线a，旋翼3’还包括：

-一对轴向间隔开的轴承115’，它们在径向上插在轴35与主体105’之间；

-轴承116’，其在轴向上插在壁53’与盘106’之间；以及

-轴承117’，其在径向上插在壁53’与承载件110’之间。

旋翼3’的操作类似于旋翼4的操作，因此不进行详细描述。

参照图4，3”整体表示根据本发明第二实施方式的旋翼。

旋翼3”与旋翼3类似，并且在下文中仅描述其与旋翼3的不同之处；在可能的情况下，将用相同的附图标记表示旋翼3、3”的对应或等同的部分。

特别地，旋翼3”与旋翼3的不同之处在于，轴35与太阳齿轮20整体地旋转并且与其连接，支撑元件36”与轴35整体地旋转并且与其连接，并且旋翼3”不包括行星齿轮系37。以这种方式，源30和永磁体81被太阳齿轮20驱动为围绕轴线a以旋转速度ω2旋转。

旋翼3”的操作与旋翼3类似，并且仅在其与旋翼3的操作不同的方面进行描述。特别地，太阳齿轮20驱动由轴35、支撑元件36”、源30和永磁体81形成的整个组件以旋转速度ω1旋转。

参照图5，旋翼3”’与旋翼3类似，并且在下文中仅在其与旋翼3的不同的方面进行描述；在可能的情况下，将用相同的附图标记表示旋翼3、3”’的相应或等同的部分。特别地，旋翼3”’与旋翼3的不同之处在于，轴35与太阳齿轮20整体地旋转并与其连接，并且被驱动为以旋转速度ω0旋转。

此外，旋翼3”’与旋翼3的不同之处在于，行星齿轮系37”’接收来自以旋转速度ω0旋转的轴35的运动，并驱动支撑元件36”’、源30和永磁体81围绕轴线b以旋转速度ω1旋转。

应注意，旋翼3”’中的旋转速度ω1大于旋翼3中的旋转速度ω1。因此，产生电动势的旋转差速ω2-ω1在旋翼3”’中比在旋翼3中大。旋转速度ω0、ω1、ω2指向相同方向。

因此，可以认定旋翼3”’内围绕轴线a具有相对的旋转速度的三个组件：

-轴35，其在第一方向上围绕轴线a以旋转速度ω0旋转；

-支撑元件36”’和源30，它们围绕轴线a在第一方向上以旋转速度ω1旋转；以及

-主轴11、具有导电元件32的毂12，它们围绕轴线a在与第一方向相反的第一方向上以旋转速度ω2旋转。

旋翼3”’的操作与旋翼3类似，并且仅在其与旋翼3的操作不同的方面进行描述。特别地，太阳齿轮20驱动轴35和行星齿轮系37”’的行星齿轮46以旋转速度ω0旋转。后者继而驱动支撑元件36”’、源30和永磁体81围绕轴线b以旋转速度ω1旋转。

参照图6，反力矩旋翼4基本上包括：

-装配到机身2上的中空外壳150；

-中空主轴151，其可横切于轴线a围绕轴线b以旋转速度ω2旋转，并通过设置在主轴151的轴向端部处的锥齿轮152连接至附加传动组8的端轴157；

-毂153，其与主轴151整体地旋转并与其连接；以及

-多个桨叶154(图6中仅示出其中两个)，它们铰接到毂153上并沿分别的纵向轴线d延伸。

锥齿轮152和主轴151容纳在外壳150内。毂153和桨叶154在外壳150的外部延伸。

旋翼4还包括控制杆155，其沿轴线b延伸并且可相对于主轴151沿轴线b滑动。控制杆155包括在与齿轮152相对的一侧上的轴向端部，该轴向端部固定至杠杆156。杠杆156横切于轴线b延伸并且与相关轴线d偏心地连接至桨叶154。这样，杆155沿轴线b的运动引起桨叶154沿相关轴线d的旋转以及相关俯仰角度的调节。

更详细地，外壳150包括：

-沿轴线b伸长的主体160；以及

-一对环形的盘161，它们在轴线b的相对两侧从主体160径向突出并且位于与轴线b正交的相关平面上。盘161包括相关表面162，其在轴向上彼此面对并且分别的磁场的源163、特别是永磁体164装配到其上。

毂153包括：

-连接至主轴151的主体165，其相对于锥齿轮152在轴向相对的一侧上设置在外壳150的轴向端部的前部；以及

-主体166，其连接至主体165并环绕外壳150的、与锥齿轮152相对的轴向开口端部。更详细地，桨叶154铰接到主体165上。沿着轴线b从主体165朝向锥齿轮152，主体166包括：连接至主体165的环形的环167；固定有导电元件169的环形的环168；以及装配有用于控制导电元件169的电子控制单元171的环形的环170。环168在轴向上插在盘161之间。导电元件169在轴向上插在永磁体164之间。以这种方式，以旋转速度ω2旋转的导电元件169与以旋转速度ω1＝0旋转的磁场的源163磁耦合。因此，源163和导电元件169形成发电机，由于旋转差速ω2-ω1＝ω2，该发电机根据法拉第定律在主轴151中并因此在毂152和桨叶154中引起电动势。在所示的实施方式中，发电机是轴向磁通电机，其中由源163产生的磁场主要平行于轴线b指向。导电元件169通过电线172电连接至桨叶154。以这种方式，桨叶154可获得电流。在一个实施方式中，桨叶154包括嵌在桨叶154自身内部并被供应电流的电路。该电路用作防冰系统或除冰系统。在另一个实施方式中，桨叶154包括用电流操作的致动器、灯或其他系统。最后，相对于轴线b，旋翼4包括：径向插在控制杆155与主轴152之间的多个轴承180；径向插在主轴152与外壳150的径向内表面之间的轴承181；以及径向插在外壳150的径向外表面与相关盘167、170之间的轴承183。

在使用中，附加传动组8的端轴157驱动锥齿轮152以旋转速度ω2围绕轴线b旋转。因此，毂152和桨叶154以及导电元件169也被驱动为以旋转速度ω2围绕轴线b旋转。桨叶154被毂152驱动为围绕轴线b旋转，并且可以通过已知的方式相对于毂152移动。此外，相对于桨叶154的相关轴线d的俯仰角可以通过控制杆155沿轴线b的滑动运动来调节。源163和永磁体164装配到外壳150上并且围绕轴线b是固定的，即，源163和永磁体可以看作是围绕轴线b以旋转速度ω1＝0旋转。由于导电元件169和源163之间的不同旋转速度，根据法拉第定律，在与毂152一体地旋转的导电元件169中磁性地引起电动势。电线170将电动势从毂152上的导电元件169传递至桨叶154。该电动势用于多种目的。例如，它可用于给桨叶154内的电路供电并提供除冰或防冰功能。替代地或组合地，电动势可用于操作装配到桨叶154上的致动器。

通过前面的描述，根据本发明的旋翼3、3’、3”、3”’和方法的优点将变得显而易见。

特别地，磁场的源30是固定的或者被驱动为以旋转速度ω1旋转，旋转速度ω1小于导电元件32被驱动为围绕相同的轴线a旋转的旋转速度ω2。由于源30和导电元件32电磁耦合，因此根据法拉第定律在导电元件32上、即在旋转的毂12上引起电动势。因此，可以在与支撑元件36、36’、36”没有任何物理接触的情况下在旋翼3、3’、3”、3”’的旋转部分、即毂12和桨叶13上产生电动势并因此产生电流。该电流可用于不同目的，例如，用于给嵌在桨叶13内的电路供电并形成除冰或防冰系统，和/或用于驱动设置在桨叶13上的致动器。由于上述构造，可以在支撑结构10与毂12之间没有任何集电环的情况下在毂12和/或桨叶13中产生电动势。以这种方式，完全避免了通常影响集电环的磨损作用以及对集电环的周期性和耗时维护的需要。另外，在固定导体和旋转导体之间不存在必要的导电路径显著降低了损坏导电元件32的风险。此外，由源30和导电元件32形成的发电机具有抑制的轴向尺寸，因此可以容易地集成在旋翼3、3’、3”、3”’的常规尺寸中，而不需要对其进行任何重新设计。出于同样的原因，由源30和导电元件32形成的发电机可以容易地在已经存在的旋翼3、3’、3”、3”’内进行改装。参照旋翼3、3’、3”’，行星齿轮系37、37’允许在减小的轴向尺寸的情况下增大导电元件32与磁场的源30之间的旋转差速ω2-ω1。因此，支撑元件32和毂12可以制造得更小并且重量更有效，因为旋转差速ω2-ω1越大，导电元件32中引起给定电力值所需的力矩就越低。力矩越低，支撑元件32和毂12的直径越小并因此重量越小，这在有效载荷上具有明显的优点。当毂12的旋转速度ω2必须与主旋翼3、3’、3”’中一样慢时，这是特别有利的。此外，电力可以存储在电力储能装置89中，该电力储能装置89例如可以容纳在导流板85中。该电力能量装置89可用于在涡轮机6发生故障的情况下驱动毂12旋转，以便维持直升机1的自转。最后，源30和导电元件32至少部分地容纳在导流板85内。这样，通过在导流板85内自然流动的空气简化了对流散热，并通过导流板85由金属材料制成并且设置有散热环90的事实简化了传导散热。导流板85也可以容易地移除，从而允许容易地检查和维护源30和永磁体81。

显然，可以对根据本发明的旋翼3、3’、3”、3”’和方法进行改变，但不脱离所附权利要求中限定的范围。特别地，由源30和导电元件32形成的发电机可以是径向磁通电机，其中由源30产生的磁场主要相对于轴线a径向地指向。此外，旋翼3、3’、3”、3”’可以包括用于驱动旋翼3、3’、3”、3”’的电动马达，以替代机械式的主传动组和附加传动组7。在这种情况下，旋翼3、3’、3”、3”’将包括装配有源30的定子和装配有电路32的转子。飞行器1可以是推力换向式飞机而不是直升机。