组合式风扇与马达的制作方法

无。

背景技术：

正在开发电池供电的新型飞行器。现有类型的升力风扇对这种飞行器可能没有吸引力，因为它们不够符合空气动力学、重量过大、和/或它们消耗过多的功率。更适合于满足这种新飞行器需求的新型升力风扇将是期望的。

技术实现要素：

无。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1是图示多旋翼机的实施例的图，该多旋翼机使用组合式风扇与马达。

图2是图示组合式风扇与马达的实施例的图。

图3是图示上磁体阵列、下磁体阵列和相关联的定子的实施例的图。

图4是图示表面安装型磁体阵列和嵌入型磁体阵列的实施例的图。

图5是图示组合式风扇与马达的内部横截面的实施例的图。

图6是图示组合式风扇与马达中的冷却特征的实施例的图。

图7是图示具有叶轮的磁体托架的实施例的图。

图8是图示用于锁定组合式风扇与马达的磁性锁的实施例的图。

具体实施方式

本发明可以以许多方式实施，包括实施为过程；设备；系统；物质的组成；在计算机可读存储介质上具体实施的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被构造成执行存储在联接到处理器的存储器上的指令和/或由联接到处理器的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或本发明可采用的任何其他形式可被称为技术。一般来说，在本发明的范围内，可更改所公开的过程的步骤的次序。除非另有陈述，否则描述为被构造成执行任务的诸如处理器或存储器之类的部件可实施为被暂时构造成在给定时间执行任务的通用部件或者被制造成执行该任务的专用部件。如本文中所使用的，术语“处理器”指代一个或多个装置、电路和/或处理核心，其被构造成处理诸如计算机程序指令之类的数据。

下文连同图示本发明的原理的附图提供了本发明的一个或多个实施例的详细描述。结合此类实施例描述了本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅受权利要求限制，并且本发明涵盖许多替代物、修改和等同物。在以下描述中阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的提供这些细节，并且可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求书实践本发明。为清楚起见，未详细描述与本发明有关的技术领域中已知的技术材料，使得不会不必要地使本发明模糊。

本文中描述了升力风扇（或更具体地，组合式风扇与马达）的各种实施例。在一些实施例中，升力风扇包括定子（其被构造成输出磁场）、第一壳体（其包括至少一个叶片，并且在一个示例中，第一壳体是顶壳体或上壳体）、第二壳体（例如，底壳体或下壳体）和磁体阵列（其中磁体阵列联接到第一壳体抑或第二壳体，并且联接到磁体阵列的壳体响应于磁体阵列对由定子输出的磁场磁性地作出响应而旋转）。首先，描述了可使用组合式风扇与马达的示例飞行器。然后，描述了组合式风扇与马达的各个方面和/或实施例。

图1是图示多旋翼机的实施例的图，该多旋翼机使用组合式风扇与马达。注意，此处所示的飞行器仅是示例性的，并且组合式风扇与马达可用于各种飞行器中。

在所示的示例中，多旋翼机（100）具有两个推进系统：向前推进系统（102）和垂直推进系统（104）。向前推进系统（102）用于沿着纵向（横滚）轴线向前推进多旋翼机。如此处所示，向前推进系统（102）中的升力风扇的叶片被定向成在垂直平面中旋转。向前推进系统（102）以类似于固定翼飞行器的方式产生升力以保持飞行器在空中飞行（例如，其中多旋翼机的向前推进在翼上方和下方引起气流，该气流进而在翼的底部上诱导向上的空气动力）。

在垂直推进系统（104）中，升力风扇的叶片被定向成在水平平面内旋转。垂直推进系统（104）用于沿着垂直（偏航）轴线使飞行器移动（例如，向上或向下）。垂直推进系统（104）以类似于直升机的方式产生升力，其中升力由向下的气流产生。

在各种实施例中，可针对特定类型的飞行（例如，向前飞行与垂直飞行）来优化向前推进系统（102）和垂直推进系统（104）中叶片的形状和/或俯仰角。

当多旋翼机飞行时，推进系统中的一个可关闭（如果需要），而另一推进系统保持打开。例如，如果多旋翼机（100）以恒定的高度向前飞行，则垂直推进系统（104）可关闭以节省电力和/或因为向前推进系统（102）在以这种方式飞行时更有效。或者，如果多旋翼机在空中悬停在恒定的位置处，则向前推进系统（102）可关闭。

在示例性多旋翼机中，垂直推进系统（104）的升力风扇使用组合式风扇与马达来实施（下文描述了其各种实施例）。如此处和在一些后续示例中所示，组合式风扇与马达可以是相对低轮廓的（例如，相对短的）。这在多旋翼机向前飞行时是期望的，因为与较高的升力风扇相比，它更符合空气动力学。而且，由于马达与风扇进行组合（例如，马达被容纳在风扇的内部），因此存在一个一体件。一般而言，使单个部件附接到飞行器比两个部件更符合空气动力学。例如，如果将马达单元“隐藏”在风扇单元后面，则其仍然将比单个组合式风扇与马达不那么符合空气动力学（例如，所有其他因素相同的情况下）。

在这个示例中，垂直推进系统（104）中的升力风扇具有两个叶片，并且在此处所示的状态下，这些叶片被定向成使得一个叶片向前指向且另一叶片向后指向。该取向在多旋翼机向前飞行时提供最小的风阻力，并且在一些实施例中，升力风扇能够在中途停止，其中上壳体被定向成使得一个叶片（例如，第一叶片）向前指向且另一叶片（例如，第二叶片）向后指向。具有三个或更多个叶片的组合式风扇与马达将导致在向前飞行期间阻力更大，并且说明了为什么具有两个叶片的组合式风扇与马达比具有三个或更多个叶片的组合式风扇与马达更有吸引力（至少对于此处所示的示例来说是这样，在多旋翼机飞行时，升力风扇能够停止）。

下图示出了组合式风扇与马达的示例。

图2是图示组合式风扇与马达的实施例的图。在一些实施例中，如此处所示，实施来自图1的垂直推进系统（104）中的升力风扇。在图201中，示出了示例性组合式风扇与马达的横截面，该组合式风扇与马达具有附接到上壳体（202）的叶片（200）。上壳体的另一半（此处未示出）将具有附接到上壳体的该部分的另一个叶片。换句话说，示例性组合式风扇与马达具有两个叶片。

在这个示例中，上壳体（202）和下壳体（204）基本上对称（忽略附接到上壳体的叶片）。如下文将更详细描述的，上壳体（202）和下壳体（204）在各个点处连接在一起，例如使用螺钉或螺栓。当组合式风扇与马达在飞行期间绕固定轴（206）旋转时，这些连接使该组合式风扇与马达稳定。例如，仅具有上壳体而没有下壳体的一些其他升力风扇在旋转时将更容易“摇摆”。

固定轴（206）落座于上壳体（202）和下壳体（204）的中间并被它们包住。由于多个球轴承（208），叶片（200）、上壳体（202）、下壳体（204）和被附接部分能够绕轴（206）旋转。在这个示例中，存在用于上壳体的两层球轴承以及用于下壳体的两层球轴承，但自然地，可使用任何数量的层和/或球轴承。

图220示出了替代性视图，为的是更好地观察定子（222）。此处还示出的定子壳体（224）用于使定子保持在适当位置和/或将定子连接到升力风扇的其余部分。注意，磁体阵列和定子的大小被设计成使得它们具有相对大的直径（例如，磁体阵列和定子靠近上壳体和下壳体的外边缘落座，而不是更靠近中心落座）。在这个示例中，磁体阵列和定子具有相对大的直径，因为在该马达拓扑的情况下和/或对于像这样的每分钟相对缓慢旋转的直接驱动应用来说，具有较大直径的磁体阵列和定子的马达更好。

在这个示例中，马达包括磁体的两个阵列和定子（222），该定子使用磁力（例如，吸引和/或排斥）来旋转组合式风扇与马达。下图更详细地示出了定子和两个磁体阵列（210）。磁体阵列可替代地被称为磁体的阵列（例如，因为磁体阵列包括围绕圆布置或布置为圆的多个磁体）。

图3是图示上磁体阵列、下磁体阵列和相关联的定子的实施例的图。在所示的示例中，使用分解视图更详细地示出了来自图2的两个磁体阵列和定子（210）。这些部件与示例性组合式风扇与马达的马达相关联，其中组合式风扇与马达由于磁力（例如，而不是诸如来自皮带、齿轮等的机械力）而旋转。

在这个示例中，上磁体阵列（300）和下磁体阵列（304）是磁体的完整且平坦的圆形阵列，并且是无刷马达的一部分（至少在这个示例中）。例如，如特写视图（306）所示的，每个阵列由多个磁体组成。各个磁体可具有各种形状。在一些实施例中，磁体基本上是正圆柱形环形物的扇区，其中第一表面是具有基本上圆形或梯形形状的上表面，并且第二表面和第三表面（例如，基本上彼此相对且邻近于顶表面）是平坦的矩形或非圆形表面。在一些实施例中，磁体基本上是直立梯形棱镜。在一些实施例中，上磁体阵列（300）使其基本上所有的磁场都面向下，并且下磁体阵列（304）使其基本上所有的磁场都面向上。

在这个示例中，定子（302）是圆形阵列，当定子和两个磁体阵列处于其正常位置中时，该圆形阵列“夹于”上磁体阵列和下磁体阵列之间。在一个示例中，在定子和每个磁体阵列之间存在1.2mm的气隙（例如，在定子上方和在定子下方1.2mm）。在一些实施例中，定子包括安装到定子壳体的线绕组（未示出）。例如，定子可包括安装到定子壳体的三相利兹线绕组。

定子（302）产生变化的磁场，该磁场（在各个时间）吸引或排斥上磁体阵列和下磁体阵列。在这个示例中，定子（302）联接到或以其他方式连接到固定轴（例如，图2中的206），使得定子也是固定的。上磁体阵列（300）联接到（例如，可旋转的）上壳体（例如，图2中的202），其中上壳体响应于上磁体阵列对由定子输出的磁场磁性地作出响应而旋转。即，上磁体阵列将被磁性地吸引到由定子输出的磁场（或被由定子输出的磁场磁性地排斥），并且所联接的上磁体阵列和上壳体将希望移得更靠近（或移开）。因为它们能够旋转，因此该运动对应于所联接的上磁体阵列和上壳体绕固定轴旋转。

类似地，（例如，可旋转的）下磁体阵列（304）联接到可旋转的下壳体（例如，图2中的204），并且所联接的下磁体阵列和下壳体响应于由定子输出的磁场而旋转。因此，通过调节由定子输出的磁场，上壳体、下壳体和所附接的叶片旋转（例如，由于磁力），而轴和所连接的定子保持固定。换句话说，通过由定子产生的（变化的）磁场来控制组合式风扇与马达的旋转。

将电能（例如，来自电池）转换成机械能（例如，升力风扇的旋转）的一些电动马达使用诸如皮带或齿轮之类的机械装置来这样做。使用磁体阵列和定子的升力风扇可更轻，并且对于一些应用（例如，电池供电的飞行器）来说，更轻的重量可以是有吸引力的选择。尽管使用磁体来旋转升力风扇可能比齿轮或皮带增加更多的重量，但是齿轮和皮带增加了复杂性并降低了可靠性。由于这些原因，在这个示例中（其中由于它是飞行器应用，因此可靠性是期望的），磁体阵列用于旋转升力风扇。

此处所示的磁体的布置被称为轴向磁通马达。定子和磁体阵列的替代性布置将是把它们放置在其中固定轴和两个壳体对接（例如，在图2中的球轴承（208）附近）的弯曲表面上；这被称为径向磁通马达。此处所示的轴向磁通马达布置可比径向磁通马达更有吸引力的一个原因是，在径向磁通马达中，定子是圆柱形，而不是平坦的环形形状。这引起对于径向磁通构型来说轴向厚度更大，这对于阻力是不利的。另一个原因是径向磁通马达更难以制造。而且，径向磁通构型倾向于经历间隙的更多变化，例如，因为在径向磁通构型中磁体上的离心负载倾向于闭合间隙和/或因为在径向磁通马达中定子在其加热时的热膨胀倾向于闭合间隙。由于这些原因，轴向磁通马达可比径向磁通马达更有吸引力。

在一些实施例中，上磁体阵列（300）和下磁体阵列（304）包括三极磁体。三极磁体可具有两个北极表面和一个南极表面（作为示例），其中基本上所有的场都进入（或离开）北极，在南极之间基本上均匀地分开并离开南极。底表面具有可忽略量的离开场（或进入场）。与一些其他类型的磁体阵列（诸如，海尔贝克阵列或交替极磁体阵列）相比，三极磁体由于电磁性能更好（例如，产生具有更期望的场线布置的磁场）和/或制造特性更好（例如，降低制造复杂性和/或成本）可更有吸引力。

上磁体阵列和下磁体阵列中的磁体可以以各种方式附接到组合式风扇与马达或被包括在组合式风扇与马达中。以下诸图示出了一些示例。

图4是图示表面安装型磁体阵列和嵌入型磁体阵列的实施例的图。为简单起见，此处未示出其他图中所示的一些元件或部件（诸如，固定轴）。在所示的示例中，图400示出了上磁体阵列（406）和下磁体阵列（408）的横截面视图，其中磁体是嵌入型磁体。在这个示例中，使用填充物（410）使嵌入型磁体在上壳体（402）和下壳体（404）的主体中保持在适当位置。在一些实施例中，使用磁体粉末形成嵌入型磁体，向该磁体粉末施加磁场（例如，以将磁体粉末定向成沿着期望的轴线）和压力。

图420示出了上磁体阵列（426）和下磁体阵列（428）的横截面视图，其中磁体分别安装到上壳体和下壳体的表面。上壳体（422）具有附接到其平坦的向下面向的表面（428）的磁体（426），该表面面向可旋转的下壳体（424）。可旋转的下壳体（424）类似地具有表面安装到其平坦的向上面向的表面（432）的磁体。可使用各种技术来附接磁体。在一个示例中，磁体被结合并型锻到铝托架，然后所述铝托架进而被螺栓连接到上壳体和下壳体的平坦表面。

图400和图420两者都示出了可如何使用空气来冷却定子和/或磁体阵列的示例。在这个示例中，下壳体具有入口孔（未示出），空气经由所述入口孔进入升力风扇。空气穿过下壳体（例如，经由一些空气入口孔或管）上升，并且然后在上壳体和下壳体的两个平坦表面之间向外辐射。在一些实施例中，入口孔具有勺状部（scoop）（例如，以辅助空气的吸入）。

以下诸图示出了与来自图2的组合式风扇与马达相关联的更多特征。

图5是图示组合式风扇与马达的内部横截面的实施例的图。在所示的图中，存在将上壳体（500）和下壳体（502）彼此连接的一圈螺栓（504）。在一个示例中，存在将这两个壳体彼此连接的大约8至32个此类螺栓。如上文所描述，通过将上壳体和下壳体彼此连接（在这个示例中，使用一圈螺栓（504）），这使组合式风扇与马达在其旋转时更加稳定。自然地，这些螺栓的数量和位置仅是示例性的，而并不旨在为限制性的。

该图还示出了磁体托架（506），其可用于将上磁体阵列（从该视图不可见）和下磁体阵列（508）分别附接到上壳体（500）和下壳体（502）的（平坦）表面。在一些实施例中，磁体托架为u形，其具有两个平坦的内表面。上磁体阵列可附接到磁体托架的上内表面，并且下磁体阵列可附接到磁体托架的上内表面，使得这两个阵列彼此面对且定子（未示出）在它们之间。替代地，可存在两个磁体托架：一个用于上磁体阵列和壳体，且另一个用于下磁体阵列和壳体。（一个或多个）磁体托架使用多个上托架螺栓（510）而附接到上壳体（500），并且使用多个下托架螺栓（512）而附接到下壳体（502）。在一个示例中，每个半部/壳体可存在大约6至32个螺栓。在上文所描述的一个示例中，在定子和每个磁体阵列之间存在1.2mm的气隙。孔514示出了用于将空气吸入到升力风扇中并冷却定子和/或磁体阵列的空气入口孔的示例。

在一些实施例中，由于定子和磁体阵列之间的相对小的间隙，因此使用若干技术来防止和/或减轻定子和磁体阵列之间的刷磨（brushing）。例如，使定子在两个磁体阵列之间保持在适当位置的定子壳体可被制成为足够硬，使得其不挠曲并且不会引起定子与旋转的磁体阵列接触。在一些实施例中，将定子壳体的厚度制成为足够厚（例如，大约1.25英寸）和/或将具有足够硬度的材料用于定子壳体（例如，铝或碳纤维复合材料）。

图2中所示的升力风扇组件实施例包括一些冷却特征。下图更详细地讨论那些特征。

图6是图示组合式风扇与马达中的冷却特征的实施例的图。图601示出了向下看升力风扇的成角度视图。在那个示例中，空气通过底壳体（604）中的多个空气入口孔（608）进入升力风扇。从底壳体的外部挤出的勺状部（610）有助于将空气拉进入口孔（608）中。空气穿过上壳体（602）和下壳体（604）之间的空间，并且具体地越过这两个壳体之间的部件，包括两个磁体阵列和定子（606）。如果这些部件过热，则它们可能无法恰当地操作。

空气（具有从磁体阵列和/或定子去除的任何热量）通过叶轮（600）离开组合式风扇与马达。在这个示例中，叶轮附接到上壳体（602）和下壳体（604），例如分别附接到图4中的向下面向的表面（430）和向上面向的表面（432）。

图620示出了向上看升力风扇的成角度视图。从该视图可看到在下壳体的外部弯曲表面和下壳体的平坦内表面中的空气入口孔（608），空气经由所述空气入口孔进入。在一些实施例中，为了进一步改善气流，可加宽入口孔，可倒圆入口拐角，和/或可增加用于连接这两个孔的打印管。用于改善冷却和/或气流的其他修改（例如，对升力风扇的除了入口孔之外的其余部分）包括增加沿着气流路径的间隙、增加空气流过的面积和/或重新定位或移动部件以使空气流动顺畅。

在这个示例中，仅下壳体具有空气入口孔。这样做的原因是，上壳体（至少在这个示例中）包括风扇叶片或以其他方式附接到风扇叶片，这使得负载高得多，且因此与下壳体相比上壳体更厚。这使得在上壳体中的用于空气流动的切口孔变得更坚固。而且，重力倾向于引起物体向下掉落。与底部上的入口相比，上壳体上的空气入口孔可引起更多的碎屑和/或雨水积聚在内部。此处所示的叶轮和入口的数量和位置仅是示例性的，而并不旨在为限制性的。

下图示出了叶轮的替代性视图，其中上壳体和下壳体分开。

图7是图示具有叶轮的磁体托架的实施例的图。在这个示例中，磁体是表面安装的，并且叶轮是磁体托架的一部分。如上文所描述的，磁体托架可用于将磁体阵列附接到壳体的表面。在所示的图中，叶轮是磁体托架（700）的一部分，并且从磁体阵列（702）的外圆形边缘径向向外延伸。

在该图中，仅示出了单个磁体托架。存在对应的磁体托架（未示出），其中两个托架被设计成彼此连接，其中这两个托架上的叶轮彼此对齐。注意，例如，叶轮中的各个孔（例如，用于螺栓或螺钉）在磁体阵列的内环和外环附近，以恰当地对准各个部分。

替代地，叶轮可使用单件形成和/或与磁体托架分开地形成。例如，磁体阵列被实施为嵌入型磁体，且因此不存在磁体托架，叶轮可并入到其他部件中和/或作为独立部分。

当所有部分均被连接时，磁体阵列和定子之间的间隙是相对小的，并且定子和（一个或多个）磁体阵列之间的任何摩擦（例如，当组合式风扇与马达旋转时）都将是不期望的。在这个示例中，磁体阵列（702）涂覆有用于减小磁体阵列的摩擦的物质（例如，磁体阵列变得光滑和/或更平滑）。这减轻了定子与（一个或多个）磁体阵列接触的任何摩擦的负面影响（例如，由于摩擦引起的热量和/或磨损）。在一些实施例中，诸如特氟龙之类的聚四氟乙烯（ptfe）用作涂层。

返回到图1，在一些实施例中，锁被用于在组合式风扇与马达在中途停止时（例如，当向前飞行时）将组合式风扇与马达锁定于所示的位置（即，其中一个叶片向前指向，且另一叶片向后指向）中。下图示出了磁性锁的示例。自然地，可采用其他类型的锁（例如，机械锁）。

图8是图示用于锁定组合式风扇与马达的磁性锁的实施例的图。图800示出了处于闩锁状态的锁。在所示的状态下，旋转磁体（804a）和固定磁体（806a）彼此平行且足够靠近，使得它们彼此被磁性地吸引。例如，在图1中，当垂直推进系统（104）关闭并且多旋翼机向前飞行时，磁力可足以阻止组合式风扇与马达来回移动。

旋转磁体（804a）经由臂802附接到组合式风扇与马达的旋转部分（例如，壳体、磁体阵列等），而固定磁体（806a）经由凸出部（808a）附接到组合式风扇与马达的不旋转部分（例如，定子、轴等）。存在多个臂、旋转磁体、固定磁体和凸出部，它们分布成一个圆并且定位成使得当它们被锁定时（如图800中所示），组合式风扇与马达被锁定在适当位置，其中一个叶片面向前且另一叶片面向后。见例如图1。

图820示出了处于解闩锁和未旋转状态的锁，其中臂（802b）被抬起，使得旋转磁体（804b）和固定磁体（806b）相距足够远并且组合式风扇与马达自由旋转。抬起的臂（802b）暴露出附接到臂的底侧的止动部分（822）以及邻近于固定圆形框架上的凸出部（808b）的制动器（824）。当锁处于闩锁状态时，止动部分落座于制动器中。在这个示例中，止动部分的形状像管并且制动器的形状像v，但是可使用任何适当的形状。

为了打开锁，可从图800中所示的状态和/或位置稍微和/或缓慢地旋转组合式风扇与马达。止动部分（822）将由于旋转而从制动器（824）中出来，从而引起两个磁体稍微分开（未示出）。这将减小两个磁体之间的磁力和/或吸引力的量。随着组合式风扇与马达旋转得更快，离心力最终将超过磁体之间的磁吸引力，从而引起臂更充分地抬起。

为了将锁锁定，使组合式风扇与马达减速，直到拉下臂的重力的量超过向上/向外推动臂的离心力的量。止动部分将触及固定的圆形框架。止动部分沿着固定的圆形框架行进直到遇到制动器。此时，组合式风扇与马达旋转得非常缓慢，使得当止动部分进入制动器时，组合式风扇与马达将停止旋转（例如，由于两个磁体之间的磁力，这两个磁体由于制动器而永远不会更靠近在一起）。

在一些实施例中，也弹簧力也被用于锁定组合式风扇与马达。例如，锁可包括螺旋扭转弹簧或其他弹簧。

尽管出于清楚理解的目的已详细地描述了前述实施例，但是本发明并不限于所提供的细节。存在实施本发明的许多替代性方式。所公开的实施例是说明性的而非限制性的。