[发明专利]多旋翼无人机磁悬浮驱动电机

说明书

本发明披露的多旋翼无人机动力系统中的驱动电机磁悬浮技术，使无人机旋翼中所产生的升力以磁悬浮力的形式传递到无人机体，不再通过电机轴承传递力，从而消除了轴承中的摩擦力和摩擦损耗，提高了电机的驱动效率，且磁悬浮力与升力随遇平衡，无需控制器，因此其制造成本与传统非磁悬浮电机相当，制造也相对容易。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体地说，是提出一种具有磁悬浮特性的多旋翼无人机用的电机驱动的动力装置及其实施方法。

背景技术

在无人机领域，多旋翼无人机是一个使用广泛的品种。多旋翼无人机也称多轴无人机，无人机由成双数的电机提供动力，每个电机轴上安装一台旋翼构成的动力装置，驱动电动机提供旋翼或称桨叶旋转的动力，安装在无人机电机轴上的旋翼将空气向下推，同时转子也会受到空气的一个轴向反作用力，这个反作用力就是转子上的升力，但是只有转子上的升力转移到定子体，即无人机机体的时候，才能真正成为无人机的升力，这个力传递的媒介就是电机定转子间的轴承。各电机所获得的升力之和等于大于无人机重力，无人机便能克服重力影响升空并滞留在空中。

由于轴承在转速的作用下存在摩擦力，当电机旋转、特别是高速旋转时，在轴承中会产生很大的摩擦力和摩擦损耗，引起轴承发热。轴承的散热、润滑也成为影响电机长期正常运行的关键技术之一。为此，轴承产品的质量受到无人机电机制造厂商的关注。

磁悬浮轴承以非接触结构避免了摩擦力的因素，是解决传统轴承摩擦问题的一个重要替代结构。但是，现有磁悬浮电机通常采用的是主动磁悬浮技术，必须由一个复杂的控制系统调节各方向的励磁电流，还增加了额外的控制能量消耗，降低驱动系统的效率，且控制器还需要配置许多传感器和复杂的控制装置、加上电磁线圈甚至软件开销，所以整个控制系统的成本非常昂贵，使高科技的磁悬浮技术很难进入传统电机领域。

发明内容

本发明的目的是通过技术创新，挖掘利用电机本身的潜能，在不增添任何器件的前提下，利用电机中已有的现成磁场结构的潜力，一个磁场两用，既能支持电机的机电能量转换，将电能变成机械能，提供无人机的升力，又能额外产生一种随动磁悬浮力，来实现不需要控制器的简单磁悬浮结构，从根本上降低磁悬浮结构成本，减小甚至消除轴承中的摩擦损耗，在提高机组机械性能和效率的同时，大幅降低主动磁悬浮技术必须付出的、存在于传统磁悬浮电机高成本，从而使磁悬浮电机驱动的无人机获得一个很高的性价比。

本发明的装置是这样实现的，一种主要用于多旋翼无人机的磁悬浮驱动电机装置，电机为由定子、转子、轴承等构成的传统径向磁场结构，定子磁路叠片齿槽内镶嵌有电枢绕组，转子表面安装有成双数的磁铁，相邻磁铁的磁极异性布置，磁力线从一个磁极按电机径向流经定子磁轭，从其他径向回到转子两边的另二个异性磁极，然后通过转子磁轭完成磁力线回路，其特征是，电机轴承采用转动和轴向移动的二自由度轴承，二自由度即依转子轴旋转的自由度和沿转子轴向移动的自由度，使旋翼产生的、处于转轴上的升力越过电机轴承，直接转移到定子上。

这些结构使旋翼在转轴上所产生的升力，通过磁悬浮力而不再作为传统推力轴承的承压力通过轴承传递到电机定子体和无人机机体，从而减轻甚至消除电机轴承中的摩擦力和摩擦损耗。

本发明的无人机磁悬浮驱动电机，机组结构几乎与传统永磁电机结构完全相同，所不同的仅仅是轴承中的微小区别，且技术原理也非常简单，靠电机本身磁场，在实现电机功能的同时，一场两用产生轴向磁悬浮力，既能与无人机升力自动平衡，又可以用该磁悬浮力克服无人机组重力影响，达到磁悬浮力与重力保持随遇平衡，无须额外控制器，使摩擦力减小甚至接近于零，提高了电机的机械效率，同时降低了轴承中的摩擦发热，轴承散热问题得到缓解，降低轴承润滑保养成本，机组寿命得到延长，等等。相反的，机组成本却十分低廉，相对于已有的复杂的磁悬浮轴承来说，反过来还大大降低了成本，免除了传统磁悬浮控制器和电磁铁的耗能，提高了机组的驱动效率，使有限的机载电能能维持更长的无人机滞空时间或工作时间。

附图说明

图1、主动磁悬浮空气压缩机结构原理示意图