电动管道风机推进器的制作方法

本发明涉及一种电动管道风机推进器。

背景技术：

1、本公开涉及使用电动机来驱动产生推力的空气动力表面的所有类型的飞行器和地面车辆的推进。这包括所有vtol(竖直起飞和降落)、ctol(常规起飞和降落)、stol(短距起飞和降落)、stovl(短距起飞和竖直降落)飞行器、气垫船、飞艇和经由电动动力传动系统产生推力的运输设备。飞行器上的能源可能是电化学蓄电池、驱动燃料电池或内燃机发电机的氢、驱动发电机(燃气轮机/内燃机)的任何碳燃料或任何其他能源。此类飞行器的示例包括volocoptertm、ehangtm、liliumtm、airbus vahanatm、bell nexustm、eviation alicetm。电力推进的使用使得许多新型车辆配置具有传统动力传动系统(燃气轮机、内燃机)无法实现的独特优势。与此同时，这些类型的车辆存在一些挑战，比如某些电能源(例如电化学)的低能量密度、重型热管理系统(低等级排热)、重型线缆等。

2、us2016061144a1描述了一种具有可变几何形状入口的推进器，该入口具有可拉伸表层。入口表面和出口表面上的可拉伸表层可临时启动，以获得良好的悬停性能。

3、us2011147533a1基于飞行模式使用弹性表面来改变入口管道形状和出口管道形状。

4、us5364230a，用于具有管道式同轴对旋式转子的转子组件的转子叶片子组件。该专利公开并未涵盖管道式同轴对旋式管道推进器，而是涵盖了使这种配置可实现的基础组件。比如us5226350a、wo2000064736a1的其他相关专利涵盖了该布置的其他方面，即动力传动系统，其不是电动和空中系统。

5、us6431494b1描述了在管道风机布置中的对旋式转子，但是其专注于能够进行滚动控制的控制表面上。

6、nasa，《32英寸直径悬浮管道风机概念设计的开发》，2006年(https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070006851.pdf)描述了一种使用磁性边沿轴承而不是中心轮毂轴承的边沿驱动管道风机。nasa蓄水层也具有内置能量存储装置的边沿驱动电机(https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20200000417.pdf)。

7、us 2006049304 a1，使用管道式磁感应空气叶轮转子的安静竖直起飞和降落的飞行器再次使用对旋式风机级。

8、wo2016126231a1，旋转管道风机(rfd)推进系统包括管道中的边沿驱动电机和电化学能量储存装置，其具有包含蓄电池的可移除后罩。转子是磁悬浮的。

9、wo 2015/191017 a1中的电动发动机描述了一种具有边沿驱动电机的电动管道风机，该边沿驱动电机利用从管道外部的能源供应的能量来驱动一系列风机级。据称超导技术被用于从能源中传输能量。

10、us8299669b2，具有横向磁通电机的边沿驱动推进器描述了一种在海洋世界中使用的典型边沿驱动推进器。由于没有提供能量储存装置，因此推测能量来源是外部的。

11、因此，许多已知的用于飞行器的管道推进器的电动动力传动系统分布在飞行器上。能量储存装置通常是蓄电池组或燃料电池，其位于机身或机翼结构内。然后用长线缆将蓄电池组连接到逆变器。逆变器随后经由线缆连接到电动机。然后，电机驱动螺旋桨或管道风机以产生推力。这种布置中存在多个低效率。

12、线缆的重量可以是动力传动系统的总重量的1/10到1/5之间。此外，由于其内部电阻，线缆可能导致高达5-10％的总功耗。

13、由于每个部件的位置相互独立，因此每个部件都需要自己的壳体结构、热管理系统和保护装备。这些会进一步增加整个动力传动系统的重量，使得飞行器的总功率密度和能量密度非常低。

14、此外，动力传动系统的每个元件(即蓄电池、电机和逆变器)产生的热量通常被浪费到环境空气中。这种损失可以高达总功率的10-15％，并可能显著影响整体动力传动系统性能。

15、所有上述因素都可能导致飞行器航程和续航能力低。在一些电动飞行器类别中，比如evtol，当考虑备用电力的需求时，没有足够的电力/能量可用于使飞行器离开地面。

技术实现思路

1、根据本发明，用于飞行器的推进系统的特征在于具有两级对旋式风机系统以产生推力，对旋式风机系统具有由空气动力管道包围的两个风机级，其在管道内具有动力传动系。

2、术语“动力传动系”是指能量储存装置、电动机驱动器和逆变器、发动机控制单元、电力分配单元和热管理系统。

3、在一个实施例中，推进系统具有两个电机，每个电机包括由所述管道中的能量储存装置供电的环形定子，并且每个电机的转子包括围绕每个风机级的末端设置在环中的永磁体，能量通过一个或更多个逆变器供应到定子。

4、由于整个动力传动系统被嵌入到单个单元，因此来自蓄电池，逆变器和电机的布线因为这些部件而彼此相邻。因此，最大限度地减少了布线，从而显著减轻了重量并提高了效率。

5、由于电机、逆变器和蓄电池单元集成在单个单元中，因此可以共享机械壳体、热管理系统和保护设备，从而显著减轻整体重量。

6、在一实施例中，产生到管道风机的热量向下流动流经热交换器，从而获得能量。来自动力传动系统的热量使下游流动膨胀，这有利地增加了推力和整体效率。

7、理想地，蓄电池组提供高功率密度(w/m3)但具有低比能(j/kg)和能量密度(w/m3)，并且位于模块本身内部，而不是如现有技术中的位于中心机身。与蓄电池组位于机身的系统相比，这具有飞行器水平优势和安全优势。中心机身空间被释放出来，以用于更多的有效载荷和在机身中放置燃料电池动力传动系统。燃料电池动力传动系统提供高比能(j/kg)，但能量密度(j/m3)和功率密度(w/m3)低。当蓄电池和燃料电池需要同时使用时，它们会争夺机身体积中的空间，从而导致折衷的解决方案。通过将蓄电池组放置在推进器中(远离机身)，并将燃料电池动力传动系统放置在机身中，飞行器可以利用具有能源和动力来源的优势，实现比仅选择两种能源中的一种的传统动力传动系统更高的总功率密度和比能。安全优势在于，所有蓄电池组不位于飞行器上靠近乘客/货物的一个中心位置，而是分布在飞行器周围的多个推进器中。在一个组出现单个故障的情况下，损坏不会蔓延到所有其他组。

8、推进器模块使用对旋式管道风机架构来产生推力，而不是那些使用开放式螺旋桨或单级管道风机的现有系统。这是有利的，由于管道本身产生的推力，管道风机比相同直径的开放式螺旋桨更有效。此外，在本发明中，管道除了产生推力之外，还充当整个动力传动系统(包括热交换器)的结构壳体。该管道还充当安全护罩，并在叶片失效的情况下保护飞行器和有效载荷。对旋式级具有空气动力学优势和安全性优势。在空气动力学方面，由于涡流损失减少，因此对旋式风机比单级风机具有更高的空气动力学效率。此外，一个风机的故障不会导致推进器的升力完全丧失。剩余的风机级和管道将继续产生一些推力。

9、在通常被浪费的电动动力传动系统的多余热量经由环形热交换器注入到风机的下游流动中的情况下，具有更高空气动力学效率的额外推力产生。多余热量可以经由使用液体冷却剂(通常是电介质)的蓄电池、电机和逆变器的冷却回路获得。除了将废热注入推进器下游流动的优势之外，使用集成的冷却系统的优势还在于，经由单个冷却回路从每个子系统(电机、蓄电池、电力电子设备)收集废热可以减轻重量，降低复杂性。

10、本发明的推进器还具有多个特征，这些特征将使整体噪音产生和心理声学影响显著低于传统的动力传动系统。第一，管道结构有利地使用吸收来自对旋式级的噪音的材料。热交换器应该具有高传热系数，但是也具有抑制来自下游流动的边界层的噪音的表面特征。

11、在本发明的一个实施例中，管道的后边缘几何形状将用锯齿进行修整，以进一步降低噪音。对旋式级中的叶片的设计和数量可以针对低噪声特性进行优化。各种空气动力表面(入口轮叶/出口轮叶、对旋式风机级)的相互分离可以设计成可接受的心理声学信号。

12、本发明的推进器优选地使用边沿驱动电机系统来驱动对旋式风机，而不是传统电力动力传动系统中的轮毂驱动电机。定子位于管道内部，而转子(永磁体)嵌入到环上，该环形成对旋式风机级的外部末端。使用边沿驱动系统具有多个优点。首先，电机安装在蓄电池组旁边的管道中，而不是安装在轮毂中，从而消除了对高功率线缆连接的需要，线缆连接会增加重量并降低效率。其次，电机、逆变器和蓄电池共享电力管理、热管理、结构壳体和保护设备，从而进一步减轻重量并提高效率。第三，由于轮毂不包含电动机，因此可以具有高空气动力学效率，并容纳风机的机械轴承。另一个优点是末端损失低于轮毂驱动系统，从而提高空气动力学效率。此外，由于电机是直接驱动的，因此转速相当低。正常情况下，低转速需要高扭矩和重型电动机，因为在传统系统中，电机必须具有大半径。在本发明中，电机的尺寸可以小且重量轻，同时仍然产生所需的转矩。因此，电机可以舒适地安装在空气动力管道内。

13、传统的电动动力传动系统为动力传动系统的每个部分采用单独的热管理系统，这增加了重量和复杂性。使用电介质液体通过单回路冷却所有动力传动系统子系统具有显著的重量优势。用于蓄电池的电介质液体冷却也能够实现更高的充电速率和热失控保护。除了上述功能外，热管理系统也可以用于模块的除冰。电驱动推进模块没有通常在燃气轮机和活塞发动机上可用的除冰的排气。然而，本文描述的冷却回路可以有利地通过使用由电动动力传动系统系产生的热量为模块执行除冰功能，以对关键的空气动力表面(比如入口整流罩)进行除冰。这可以通过确保模块冷却回路具有穿过关键空气动力表面的通道来实现。

14、推进器在设计中内置了传统动力传动系统中不存在的冗余。在本发明的优选布置中，每个推进器可以具有两组蓄电池组、逆变器和电机，每组驱动对旋式风机的一级。任何一个系统的故障都不会导致推力的完全丧失。推进器可以采用电机、逆变器和蓄电池的电联接和/或对旋式级的机械联接，以实现进一步的冗余。

15、推进器可以在前边缘/后边缘采用各种可变几何系统(例如入口轮叶/出口轮叶)，以优化某些类别的电动车辆的整体任务性能，比如evtol，其需要具有结合良好悬停性能和巡航性能的推进器。

16、推进器可以根据任务周期使用可变螺距系统来优化对旋式级的螺距角。