本发明属于磁悬浮旋翼，具体涉及一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统及其飞行器。
背景技术：
1、目前国内外对磁悬浮技术的各种应用方兴未艾，较成熟的应用主要集中在磁悬浮列车方面；近年来，磁悬浮技术的不断发展，将磁悬浮技术运用到旋翼飞行器上成为一种新的旋翼飞行器设计思路。
2、传统旋翼飞行器的旋翼装置由旋翼桨叶、桨毂、旋翼轴组成，旋翼叶片安装在桨毂上，桨毂通过中心的旋翼轴与传动系统相连，动力系统的驱动力通过传动装置经多级齿轮传动减速后传递给旋翼轴，从而带动桨毂和旋翼桨叶旋转；常规旋翼装置的动力通过发动机和传动装置的机械转换和传递，存在动力损失且系统复杂的问题；另一方面传统旋翼飞行器采用中心轴支承，传统的机械轴承存在摩擦和磨损，难以满足旋翼高速旋转的要求；现有的磁悬浮旋翼原理主要是由螺旋桨叶和外环转子组成的磁悬浮旋翼环安装在机身涵道的凹槽内，通过磁悬浮支承方式，将旋翼旋转产生的升力通过磁力传递到外环，再传递到机身；将磁悬浮技术运用于旋翼飞行器支承方面，磁悬浮支承主要运用高转速领域，采用该方法解决了常规机械轴承由于支承处转速高无法满足性能要求的问题，旋翼环的转速上限得以提高；另外，由于磁悬浮支承无接触、无摩擦的特性，系统的摩擦降低，理论上消除了系统的振动，旋翼飞行器的工作效率得到了提高。
3、目前的磁悬浮旋翼结构比较复杂，并且同时存在整体重量较大的问题，对此缺少一种结构更加紧凑，重量更轻的磁悬浮旋翼结构。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统及其飞行器，该装置整体结构采用中置定子包裹转子的方式，使磁悬浮旋翼结构更加紧凑，减少了整体的质量；旋转驱动模块采用圆环状的永磁无刷直流电机驱动，与传统旋转电机相比能够充分利用定子径向空间，可有效减轻磁悬浮旋翼飞行器的重量，且可以提供更大的升力和稳定性。盘式电机驱动线圈通电驱动磁体环旋转带动转子环旋转，为桨叶旋转提供动力。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，包括定子、转子环以及数个桨叶，所述定子包括中心轴以及镜像设置于中心轴上下两端的上限位板和下限位板，所述转子环分布于上下两个所述限位板之间且与中心轴同轴心设置，数个所述桨叶间隔设置于所述转子环的外壁上；上下两个所述限位板以及转子环上设置有互相配合的轴向支撑模块以及旋转驱动模块，所述轴向支撑模块用于使所述限位板与相对侧的转子环之间产生气隙，所述旋转驱动模块用于驱动转子环旋转。
4、进一步的，控制所述定子与所述转子环之间产生轴向气隙，轴向气隙范围为10±(10-2)mm。
5、进一步的，所述定子以及转子环均采用导热性较好的非铁磁性材料，优选为碳纤维。
6、优选的，所述轴向支撑模块包括互相配合的上端磁性配合件以及第二磁性件，所述上端磁性配合件嵌设在所述转子环的上表面，所述第二磁性件嵌设在上端所述限位板的下表面。
7、优选的，所述第二磁性件采用电磁铁，所述上端磁性配合件采用铁环；
8、优选的，所述第二磁性件采用永磁阵列，所述上端磁性配合件采用感应轨；
9、进一步的，所述上端磁性配合件与转子环的表面平齐，所述第二磁性件与所述上限位板的下表面平齐。
10、优选的，所述轴向支撑模块还包括互相配合的下端磁性配合件以及第三磁性件，所述下端磁性配合件嵌设在所述转子环的下表面，所述第三磁性件嵌设在下端所述下限位板的上表面。
11、优选的，所述第三磁性件采用电磁铁，所述下端磁性配合件采用铁环；
12、优选的，所述第三磁性件采用永磁阵列，所述下端磁性配合件采用感应轨。
13、进一步的，下端磁性配合件与所述转子环的下表面平齐，所述第三磁性件与所述限位板的上表面平齐。
14、优选的，所述轴向支撑模块为多个且分别绕所述定子的轴心均匀分布。
15、进一步的，第二磁性件以及第三磁性件的数量为n对，其中n≤4，每对第二磁性件以及第三磁性件绕定子的轴心间隔分布，间隔的角度为360°/n；
16、进一步的，所述第二磁性件以及第三磁性件的数量优选为3对。
17、进一步的，第二磁性件的体积小于第三磁性件的体积。
18、优选的，所述中心轴上嵌设有至少三块第一磁性件，所述转子环靠近中心轴一侧的环壁上设置有与第一磁性件配合的径向磁性配合件。
19、优选的，第一磁性件采用电磁铁，径向磁性配合件采用铁环；
20、优选的，第一磁性件采用永磁阵列，径向磁性配合件采用感应轨；
21、进一步的，控制所述定子与所述转子环之间产生径向气隙，径向气隙范围为5±(5-2)mm；径向气隙小于轴向气隙优势在于径向悬浮控制较为简单，且减少径向气隙能够使整体结构更为紧凑，有效减轻旋翼系统的整体重量。
22、进一步的，第一磁性件的数量为n对，其中n≤4，第一磁性件绕定子的轴心间隔分布，间隔的角度为360°/n；
23、优选地，第一磁性件的数量优选为4对。
24、优选的，所述旋转驱动模块包括盘式电机驱动线圈以及与之配合的磁体环，所述盘式电机驱动线圈嵌设于所述转子环的上表面，所述磁体环嵌设于所述上限位板的下表面，所述盘式电机驱动线圈与磁体环均与所述转子环同轴心设置。
25、进一步的，磁体环采用永磁体。
26、优选的，上下两端限位板的相对侧分别设置有数个滚动组件。
27、进一步的，数个所述滚动组件采用滚轴或滚珠中的一种或多种。
28、进一步的，数个所述滚动组件均采用滚珠，滚珠嵌设于凹槽的内部可自由滚动，滚珠的露出量采用2±0.2mm。
29、优选的，所述中心轴的侧壁上间隔设置有多个滚动组件。
30、进一步的，数个所述滚动组件采用滚轴或滚珠中的一种或多种。
31、进一步的，数个所述滚动组件均采用滚珠，滚珠嵌设于凹槽的内部可自由滚动，滚珠的露出量采用2±0.2mm。
32、优选的，所述定子靠近转子环的一侧设置有数个间隙传感器，所述间隙传感器绕所述定子的轴心间隔设置。
33、优选的，所述转子环上间隔设置有文丘里管，所述文丘里管沿所述转子环的中心轴对称分布。
34、优选的，所述文丘里管的结构包括两个上下拼接在一起的圆台状孔洞，两个所述圆台状孔洞的小头端互相连通，靠近转子环上表面的圆台状孔洞的高度大于另一个圆台状孔洞的高度。
35、优选的，所述上限位板和下限位板靠近桨叶的一侧均向靠近桨叶的方向倾斜延伸形成导向延伸部，所述导向延伸部与桨叶或转子环之间设置有间隙，所述间隙和定子与转子环之间形成的气隙组成涵道式冷却系统。
36、一种飞行器，含有盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统。
37、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
38、1.该装置整体结构采用中置定子包裹转子且桨叶分布于外侧的方式，使磁悬浮旋翼结构更加紧凑，减少了整体的质量，且与外界连通的气隙和外侧的桨叶带动气流流通能更好地实现散热。
39、2.同时磁悬浮定子和转子环采用较好的散热材料能够显著提升旋翼的散热性能，转子环额定转速可以更高，从而提供更大的升力和飞行速度；并且提高了散热性能能够提高磁铁的寿命，减少退磁现象的产生。
40、3.静止时，下限位板上的滚动组件可以支撑转子环，中心轴上的滚动组件尽量防止转子环与定子内侧碰撞卡死，给予悬浮控制器缓冲的时间。
41、4.第二磁性件产生吸引力吸引转子环升高脱离下限位板上的滚动组件，使定子的表面与转子环的表面产生轴向间隙，实现转子无摩擦启动。
42、5.旋转驱动模块采用圆环状的永磁无刷直流电机驱动，与传统旋转电机相比能够充分利用定子径向空间，可有效减轻磁悬浮旋翼飞行器的重量，且可以提供更大的升力和稳定性。盘式电机驱动线圈通电驱动磁体环旋转带动转子环旋转，为桨叶旋转提供动力。
43、6.第二磁性件与上端磁性配合件配合产生主要的悬浮吸引力，第三磁性件与下端磁性配合件配合产生辅助悬浮力，因此第二磁性件的体积小于第三磁性件的体积；随着转速提高，桨叶产生的升力增大，在此过程中控制第二磁性件产生的吸引力逐渐减小；当桨叶产生的升力与旋转部件自身的重力相等时，控制第三磁性件产生的吸引力逐渐增大；第二磁性件的体积小于第三磁性件的体积，对于定子包转子的设置来说，可以使位于下方的第三磁性件起到主要的作用，第二磁性件作为辅助，此设置在保证磁悬浮控制的同时降低整体的重量。
44、7.间隙传感器用于实时检测以及反馈转子环与定子之间的间隙，从而实时调整转子环与定子之间的间隙避免产生碰撞。
45、8.压缩空气从转子环与定子之间的气隙进入文丘里管，当压缩空气从文丘里管的入口进入时，会经过一个逐渐变小的通道，在这个过程中，压缩空气的流速会逐渐增大，同时压强逐渐减小，文丘里管的设置使旋翼环受到一个额外升力的作用。
46、9.桨叶旋转的时候，桨叶下部气流向下流动，通过定子左下侧的导向延伸部产生正压区，将气流从导向延伸部处的间隙引导到转子环与定子之间形成的气隙。同时桨叶上部也产生方向向下的气流，定子左上侧的导向延伸部产生负压区，将气流从转子环与定子之间形成的气隙经过间隙吸引出来，最终产生气流通路，起到对整个盘式电机驱动系统的冷却作用。
1.一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，包括定子(1)、转子环(3)以及数个桨叶(2)，所述定子(1)包括中心轴以及镜像设置于中心轴上下两端的上限位板和下限位板，所述转子环(3)分布于上下两个所述限位板之间且与中心轴同轴心设置，数个所述桨叶(2)间隔设置于所述转子环(3)的外壁上；上下两个所述限位板以及转子环(3)上设置有互相配合的轴向支撑模块以及旋转驱动模块，所述轴向支撑模块用于使所述限位板与相对侧的转子环(3)之间产生气隙，所述旋转驱动模块用于驱动转子环(3)旋转。
2.根据权利要求1所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述轴向支撑模块包括互相配合的上端磁性配合件(6)以及第二磁性件(7)，所述上端磁性配合件(6)嵌设在所述转子环(3)的上表面，所述第二磁性件(7)嵌设在上端所述限位板的下表面；所述轴向支撑模块还包括互相配合的下端磁性配合件(8)以及第三磁性件(9)，所述下端磁性配合件(8)嵌设在所述转子环(3)的下表面，所述第三磁性件(9)嵌设在下端所述限位板的上表面；
3.根据权利要求1所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述中心轴上嵌设有至少三块第一磁性件(5)，所述转子环(3)靠近中心轴一侧的环壁上设置有与第一磁性件(5)配合的径向磁性配合件(4)。
4.根据权利要求1所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述旋转驱动模块包括盘式电机驱动线圈(10)以及与之配合的磁体环(11)，所述盘式电机驱动线圈(10)嵌设于所述转子环(3)的上表面，所述磁体环(11)嵌设于所述上限位板的下表面，所述盘式电机驱动线圈(10)与磁体环(11)均与所述转子环(3)同轴心设置。
5.根据权利要求1所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述上限位板和下限位板的相对侧分别设置有数个滚动组件(12)，所述中心轴的侧壁上间隔设置有多个滚动组件(12)。
6.根据权利要求1所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述定子(1)靠近转子环(3)的一侧设置有数个间隙传感器(13)，所述间隙传感器(13)绕所述定子(1)的轴心间隔设置。
7.根据权利要求1所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述转子环(3)上间隔设置有文丘里管(14)，所述文丘里管(14)沿所述中心轴对称分布。
8.根据权利要求7所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述文丘里管(14)的结构包括两个上下拼接在一起的圆台状孔洞，两个所述圆台状孔洞的小头端互相连通，靠近转子环上表面的圆台状孔洞的高度大于另一个圆台状孔洞的高度。
9.根据权利要求8所述的一种盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统，其特征在于，所述上限位板和下限位板靠近桨叶(2)的一侧均向靠近桨叶的方向倾斜延伸形成导向延伸部(15)，所述导向延伸部(15)与桨叶(2)或转子环(3)之间设置有间隙，所述间隙和定子(1)与转子环(3)之间形成的气隙组成涵道式冷却系统。
10.一种飞行器，其特征在于，含有权利要求1-9任一项所述的盘式电机中置驱动的磁悬浮动力旋翼系统。
