无人飞行器专用混合动力发电系统的制作方法

1.本实用新型涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人飞行器专用混合动力发电系统。


背景技术：

2.电力驱动无人飞行器近年发展迅猛，已广泛应用在众多领域并发挥重要作用。但由于垂直起降过程中飞行器的螺旋桨需要很大的做功功率，消耗大部分飞行器上电池的电能，而现有技术制造的高功率电池的能量质量密度比较低，使得飞行器续航能力有限，留空时间短，更无法提供较大的有效载重量。部分特殊场合使用的电力驱无人飞行器为了增加航程和留空时间，增加简易的发电机组为飞行器提供部分能量，但因发动机、发电机以及储能单元不能充分协同，不能把效能发挥到最佳。此外，现有技术中使用交流发电机，通过整流方式转换成直流电与储能单元、驱动电机并联工作，工作过程中电流脉动冲击大，发电机组功率因数低，设备负何重，故障率高；发电机组处于开环工作状态，无法闭环控制，无法与飞行器总控精准协同，无法智能交互控制。


技术实现要素：

3.本实用新型为解决现有技术的不足，提供了一种可与飞行器核心控制单元高效协同的无人飞行器专用混合动力发电系统。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
5.一种无人飞行器专用混合动力发电系统，其包括微型涡轮发电一体机、发电机控制器、发动机控制器、飞控模块和飞机燃油系统。其中，发电机控制器与所述微型涡轮发电一体机电性连接，所述发电机控制器接收发电量的目标指令和微型涡轮发电一体机的反馈信息，并控制所述微型涡轮发电一体机的输出功率、输出电压和输出电流，所述发电机控制器将所述微型涡轮发电一体机产生的交流电转换成直流电；发动机控制器控制微型涡轮发电一体机的燃料供给量；飞控模块向所述发电机控制器和所述发动机控制器发送操作指令；飞机燃油系统向所述微型涡轮发电一体机提供燃料。
6.在一些实施例中，该无人飞行器专用混合动力发电系统还包括与所述发电机控制器电性连接的储能单元，所述发电机控制器转换的至少部分直流电储存在所述储能单元内。
7.在一些实施例中，所述微型涡轮发电一体机包括机匣、主轴、压气机叶轮、定子、转子、透平叶轮、压气机壳和燃料燃烧装置。所述主轴的两端均贯穿所述机匣，且所述主轴与所述机匣可转动连接；所述压气机叶轮与所述主轴的一端连接；所述定子与所述机匣连接，所述发电机控制器与所述定子电性连接；所述转子设置在所述压气机叶轮上，所述转子随所述压气机叶轮转动并使所述定子产生电流；所述透平叶轮与所述主轴的另一端连接；所述压气机壳的一端设置有进气口，所述压气机壳设在所述压气机叶轮和所述机匣的外侧，所述压气机壳与所述压气机叶轮之间设有与所述进气口连通的进气通道；所述进气通道与
所述燃料燃烧装置连接并用于向所述燃料燃烧装置提供助燃气体，所述燃料燃烧装置用于燃烧燃料并且产生的燃气推动所述透平叶轮绕着所述主轴的轴线转动；所述飞机燃油系统与所述燃料燃烧装置连接并向所述燃料燃烧装置提供燃料；所述压气机壳和/或所述燃料燃烧装置与所述机匣固定连接。
8.在一些实施例中，所述燃料燃烧装置包括涡轮机壳、供油喷嘴和火花塞。所述涡轮机壳的一端与所述压气机壳连接，所述涡轮机壳远离所述压气机壳的一端设置有排气口，所述涡轮机壳的内部设置有增压室和燃烧室，所述进气通道的一端与所述增压室连通，所述涡轮机壳上还设有多个使所述增压室与所述燃烧室连通的气孔，所述涡轮机壳与所述透平叶轮之间设有与所述排气口连通的排气通道，所述排气通道的一端与所述燃烧室连通；所述供油喷嘴和所述火花塞均与所述涡轮机壳和所述发动机控制器连接，所述供油喷嘴还与所述飞机燃油系统连接，所述供油喷嘴和所述火花塞的一端位于所述燃烧室内。
9.在一些实施例中，所述涡轮机壳包括相互连接的增压室壳和燃烧室壳，所述燃烧室壳被包围在所述增压室壳内，所述气孔设置在所述燃烧室壳上。
10.在一些实施例中，所述压气机叶轮可随所述主轴同步转动，所述主轴可带动所述透平叶轮同步转动。
11.在一些实施例中，所述转子为永磁体，所述定子为线圈结构。
12.在一些实施例中，所述机匣包括机座、法兰安装盘、盖板和轴套。所述定子嵌入所述机座内，所述机座的一端敞开；所述法兰安装盘与所述机座的敞开端可拆卸连接，所述法兰安装盘上设置有通孔；所述盖板与所述法兰安装盘连接以封堵所述通孔；所述轴套的一端与所述机座连接，所述轴套的另一端与所述盖板连接；所述主轴依次贯穿所述机座和所述盖板，所述轴套套设在所述主轴上，且所述轴套与所述主轴之间可转动连接。
13.在一些实施例中，所述机座通过紧固件与所述压气机壳连接，所述法兰安装盘通过紧固件与所述涡轮机壳连接。
14.在一些实施例中，所述轴套与所述主轴之间设置有轴承。
15.与现有技术相比，本实用新型可与飞行器核心控制单元高效协同工作，可以精确控制微型涡轮发电一体机输出电压、电流，精准跟随直流电网动态变化，根据飞行器飞控模块需要，随时可以与直流电网进行并网、脱网操作，安全快速；本实用新型中的微型涡轮发动一体机与发电机控制器协同飞控模块闭环工作，工作过程中电流脉动冲击小，把机械能转化为可控直流电源，能精准地与储能单元进行直流电并网；此外，本实用新型可根据飞控模块需求进行发电量调节，实现互联互通，可根据航线策略进行发电工况规划和执行。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
17.图1是本实用新型实施例的。
18.图2是本实用新型实施例中微型涡轮发电一体机的剖视图。
19.图3是本实用新型的实施例中机匣的剖视图，图中上下对称，仅示出了上半部分。
20.图4是图2中a处的局部放大视图。
21.附图标记说明如下：
22.图中：100、微型涡轮发电一体机；200、发电机控制器；300、发动机控制器；400、飞控模块；500、飞机燃油系统；600、储能单元；1、机匣；101、机座；102、法兰安装盘；103、盖板；104、轴套；2、主轴；3、压气机叶轮；4、定子；5、转子；6、透平叶轮；7、压气机壳；8、燃料燃烧装置；801、涡轮机壳；8011、增压室壳；8012、燃烧室壳；802、火花塞；803、供油喷嘴；9、紧固件；10、轴承；11、进气口；12、进气通道；13、增压室；14、排气通道；15、排气口；16、燃烧室；17、气孔；18、螺栓。
具体实施方式
23.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
24.参见图1-图4所示，本实用新型提供了一种无人飞行器专用混合动力发电系统，其包括微型涡轮发电一体机100、发电机控制器200、发动机控制器300、飞控模块400和飞机燃油系统500。发电机控制器200与微型涡轮发电一体机100电性连接，发电机控制器200接收发电量的目标指令和微型涡轮发电一体机100的反馈信息，并控制微型涡轮发电一体机100的输出功率、输出电压和输出电流，发电机控制器200将微型涡轮发电一体机100产生的交流电转换成直流电；发动机控制器300控制微型涡轮发电一体机100的燃料供给量；飞控模块400向发电机控制器200和发动机控制器300发送操作指令；飞机燃油系统500向微型涡轮发电一体机100提供燃料。
25.在一些实施例中，该无人飞行器专用混合动力发电系统还包括与发电机控制器200电性连接的储能单元600，所述发电机控制器200转换的至少部分直流电储存在储能单元600内。在具体实施时，所述储能单元600可以为锂电池。
26.本实用新型中的发电机控制器200主要是由计算机和电力电子器件组成，微型涡轮发电一体机100的三相电缆与电机控制器u、v、w端相连，通过计算机控制电力电子器件变换后，交流电源转换成可调节的直流电源，从直流端输出与直流电网并网使用。计算机接收发电量的目标指令和微型涡轮发电一体机100上的传感器反馈信息，运算后通过电力电子器件对微型涡轮发电一体机100进行励磁或弱磁控制，达到调节输出功率、输出电压、输出电流的目的，使得发电系统成为可控、可编辑的直流电源。
27.发电机控制器200和发动机控制器300共同监测微型涡轮发电一体机100的运行状态，通过1553b总线接受上飞控模块400的操作指令。为达到上述操作指令的目标，计算出微型涡轮发电一体机100工作需要的条件和参数，通过执行机构满足微型涡轮发电一体机100的工作条件，并由传感器监测运行状态，计算后进行动态调节，让系统在最佳运行状态下满足飞控模块400下达的目标。
28.航空煤油、天然气、酒精等一种或多种燃料通过微型涡轮发动一体机转化为机械能，微型涡轮发动一体机与发电机控制器200协同飞控模块400闭环工作，把机械能转化为可控直流电源，能精准地与储能单元600进行直流电并网，为飞行器提供电能。发电机控制
器200可以采用高速永磁发电机控制器200，其可以精确控制微型涡轮发电一体机100输出电压和电流，精准跟随直流电网动态变化，根据飞行器飞控模块400需要，随时可以与直流电网进行并网、脱网操作，安全快速。并网后可根据飞控模块400需求进行发电量调节，实现互联互通，协同工作，可根据航线策略进行发电工况规划和执行。
29.本实用新型中的发电机控制器200可通过计算机与电力电子器件对发电机进行增强励磁或弱磁控制，可以按目标值进行发电量的调节，即功率、电压、电流匀可以通过某一磁通角进行磁场的控制，使得微型涡轮发电一体机100的发电量可控。发电机控制器200中的计算机可以通过1553b总线获取发电量信息，也可以与微型涡轮发电一体机100协同运行，创造发电过程所需要的条件。用电端的直流电网负何发生变化时，发电机控制器200亦可通过传感器监测并反馈到发电机控制器200中的计算机进行运算和调节，从而达到精准跟随直流电网动态变化而调节输出量。本实用新型具备了高精度可控的发电组件，计算接收任务后能快速实现并网、脱网、动态调节等功能。
30.发电机控制器200和发动机控制器300可以在接收到飞控模块400的指令后计算出微型涡轮发电一体机100所需要的工作负何，根据微型涡轮发电一体机100的特性表优化出最佳工作参数，并下达与执行，使得系统工作状态最优。
31.参见图2至图4所示，上述的微型涡轮发电一体机100包括机匣1、主轴2、压气机叶轮3、定子4、转子5、透平叶轮6、压气机壳7和燃料燃烧装置8。其中，主轴2的两端均贯穿机匣1，且主轴2与机匣1可转动连接，主轴2可绕着自身的轴线转动；压气机叶轮3与主轴2的左端连接，主轴2在转动时可带动压气机叶轮3转动；定子4与机匣1固定连接，转子5设置在压气机叶轮3上，转子5随压气机叶轮3转动并使定子4产生电流；定子4通过三相电缆与发电机控制器200的u、v、w端电性连接；在具体实施时，转子5为永磁体，定子4为线圈结构；当压气机叶轮3在转动时，转子5相对定子4转动，定子4切割转子5的磁感线从而在定子4内产生电流；透平叶轮6与主轴2的右端连接，透平叶轮6在转动时带动主轴2转动；压气机壳7的一端设置有用于助燃气体进入的进气口11，压气机壳7设在压气机叶轮3和机匣1的外侧，压气机壳7与压气机叶轮3之间设有与进气口11连通的进气通道12，压气机叶轮3上的叶片位于进气通道12内，压气机叶轮3在转动时将进气口11处的空气吸入进气通道12；进气通道12与燃料燃烧装置8连接并用于向燃料燃烧装置8提供助燃气体(例如空气)，燃料燃烧装置8用于燃烧燃料并且产生的燃气推动透平叶轮6绕着主轴2的轴线转动；所述飞机燃油系统500与燃料燃烧装置8连接并向燃料燃烧装置8提供燃料；压气机壳7和/或燃料燃烧装置8与机匣1固定连接。
32.本实用新型中微型涡轮发电一体机100的原理为：燃料燃烧装置8内燃烧反应产生的高压气体在排出的过程中推动透平叶轮6转动，再由透平叶轮6带动主轴2转动，与此同时在主轴2上固定的压气机叶轮3随着主轴2一同转动，在压气机叶轮3上叶片的作用下进气口11的空气被吸入进气通道12，进气通道12内的空气随后进入燃料燃烧装置8从而为燃料燃烧装置8提供助燃气体。
33.本实用新型提供的微型涡轮发电一体机100中，压气机叶轮3与透平叶轮6共用同一轴系，打破了发动机、发电机、压气机需要独立设计生产的现状，集发动机、发电机、压气机的功能于一身，其不需要装配减速机，传动机构更为简单，轴系的整体长度较短，使得该发电机一体机总体尺寸减小，重量降低，有利于提高功重比。当其被应用在飞行器上时，可
以有效地提高飞行器的续航里程和载重量，大幅提升飞行器的总体性能。
34.在一些实施例中，燃料燃烧装置8包括涡轮机壳801、供油喷嘴803和火花塞802。其中，涡轮机壳801的左端与压气机壳7连接，涡轮机壳801远离压气机壳7的一端设置有排气口15，涡轮机壳801的内部设置有增压室13和燃烧室16，进气通道12的一端与增压室13连通，涡轮机壳801上还设有多个使增压室13与燃烧室16连通的气孔，涡轮机壳801与透平叶轮6之间设有与排气口15连通的排气通道14，透平叶轮6上的叶片位于排气通道14内，排气通道14的一端与燃烧室16连通；供油喷嘴803和火花塞802均与涡轮机壳801和发动机控制器300连接，供油喷嘴803和火花塞802的一端位于燃烧室16内，供油喷嘴803的另一端与供油管路连接，供油喷嘴803用于向燃烧室16内喷射雾化的燃料；所述供油喷嘴803还与飞机燃油系统500连接，由飞机燃油系统500向供油喷嘴803提供燃料。以上燃料燃烧装置8的结构设计较为简单，有利于进一步缩小发电一体机的尺寸，进而提高功重比。
35.在一些实施例中，如图2所示，涡轮机壳801包括相互连接的增压室壳8011和燃烧室壳8012，燃烧室壳8012被包围在增压室壳8011内，因此燃烧室16将处于增压室13的内部，气孔均匀设置在燃烧室壳8012上。进气通道12内的助燃气体在压气机叶轮3的作用下进入增压室13，助燃气体进入增压室13之后流速减小，助燃气体在增压室13内的压强变大，助燃气体透过气孔进入燃烧室16并与燃料充分混合。通过使燃烧室16处于增压室13的内部并在燃烧室壳8012上均匀设置在燃烧室壳8012上，可以实现助燃气体从不同的方向进入燃烧室16，有利于使助燃气体与燃料充分均匀混合，进而实现燃料的充分燃烧。
36.在一些实施例中，压气机叶轮3和透平叶轮6均与主轴2固定连接，压气机叶轮3可随主轴2同步转动，主轴2可带动透平叶轮6同步转动，压气机叶轮3与透平叶轮6具有相同的转速。
37.在一些实施例中，机匣1包括机座101、法兰安装盘102、盖板103和轴套104。定子4嵌入机座101的左端面内，机座101的右端为敞开结构；法兰安装盘102与机座101的敞开端通过螺栓连接，法兰安装盘102上设置有通孔，盖板103与法兰安装盘102连接以封堵法兰安装盘102上的通孔，机座101、法兰安装盘102和盖板103共同构成一个封闭的空腔；轴套104的一端通过螺栓18与机座101固定连接，轴套104的另一端通过螺栓18与盖板103固定连接；主轴2依次贯穿机座101和盖板103，轴套104套设在主轴2上，且轴套104与主轴2之间可转动连接。在一些实施例中，为了实现轴套104与主轴2之间可转动连接，可以在所述轴套104与主轴2之间设置两个轴承10。
38.在一些实施例中，机座101通过紧固件9与压气机壳7连接，法兰安装盘102通过紧固件9与涡轮机壳801连接。此种连接方式具有简单快捷的优点，有利于提高装配效率。
39.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。