本发明涉及一种动力装置，尤其涉及一种尾座式垂直起降无人机动力装置。
背景技术：
尾座式垂直起降无人机是指无人机起降与悬停状态时，无人机机身以竖直方向升降和悬停，主要由动力装置提供升力；平飞状态时机身姿态与固定翼无人机一致，无人机机身以水平方向前飞，主要由机翼提供升力，由动力装置提供平飞推力或拉力。与无人直升机和无人机旋翼机相比，尾座式垂直起降无人机前飞速度快、航程远；与固定翼无人机相比，对起降设备和场地无依赖，能快速稳定的定点悬停和起降。尾座式垂直起降无人机兼具三种热门无人机型直升机、旋翼机和固定翼的优点，可以高效稳定的执行范围更广的任务。
无人机混合动力装置是指由两个或多个能同时运转的驱动单元提供动力，它依据无人机实际行驶状态选择不同驱动单元独立或联合提供动力。按照动力传输路线分类，无人机混合动力装置可分为串联式、并联式和混联式三种类型，其中并联式混合动力装置体积小、质量轻、能量利用率高，是目前无人机最常用的混合动力形式。并联式混合动装置包括一台发动机和一台电机，电机与发动机有行星齿轮机构和传动机构的转速耦合方式，以及齿轮式、链式、皮带式和电磁式的转矩耦合方式，其中电磁式的转矩耦合方式是一种非接触式耦合方式，产生的机械损失小，电机与发动机同轴连接，电机本身充当耦合装置，结构紧凑，传递效率高。
目前常用的无人机并联式混合动力装置功能较为单一，电机发电主要是为机载设备供电以及动力装置自身控制和驱动单元供电，电机与发动机输出轴耦合只在发动机起动阶段提供起动力矩，整体动力装置输出形式单一，且能量利用率低。由于尾座式无人机在垂直升降和悬停阶段需要动力装置提供大功率输出，水平巡航飞行阶段需要动力装置保持在能耗较低的水平，因此传统的混合动力装置无法在满足水平阶段大功率输出的同时，在巡航阶段维持能量消耗率在较低的水平。如果采用单一发动机工作，无法实现在垂直起降阶段保持大的输出功率，并且控制动力装置在较高的升重比；或是采用单一电机带动旋翼工作，由于电池能量密度低，无法在水平飞行阶段提高长时间的续航能力。
技术实现要素：
本发明克服了现有技术的不足，提供一种尾座式垂直起降无人机动力装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种尾座式垂直起降无人机动力装置，包括：无人机、控制器、主动力输出单元、两个副动力输出单元，以及锂电池；所述主动力输出单元包括发动机、连接在发动机上的主电机，以及连接在主电机转子上的主螺旋桨，所述主电机电性连接有调理单元；所述调理单元包括整流模块、稳压模块、逆变模块以及充电模块，所述调理单元电性连接有锂电池，所述副动力输出单元包括副螺旋桨、副电机与电调，所述锂电池与电调电性连接，所述电调与电机电性连接，所述副螺旋桨安装在副电机输出轴上；所述控制器用于控制主动力输出单元、副动力输出单元以及调理单元的工作状态。
本发明一个较佳实施例中，当无人机垂直起降或悬停时，所述主动力输出单元与所述副动力输出单元同时工作。
本发明一个较佳实施例中，所述调理单元能够将所述锂电池供给的标准直流电逆变为频率可调的三相交流电。
本发明一个较佳实施例中，当无人机平飞时，所述主动力输出单元持续工作并提供牵引力，此时所述副动力输出单元根据动力需求对外做功；
当主动力输出单元提供的牵引力能够达到目标要求时，所述副动力输出单元不工作；
当主动力输出单元提供的牵引力未达到目标要求时，所述副动力输出单元提供额外动力。
本发明一个较佳实施例中，所述电调能够将锂电池供给的标准直流电转变为频率可调的三相直流电，由电调产生的三相直流电驱动副电机带动副螺旋桨转动。
本发明一个较佳实施例中，所述控制器控制逆变模块与电调的使能和/或频率。
本发明一个较佳实施例中，所述主动力输出单元安装在无人机中心轴机头处，所述副动力输出单元对称分布在无人机两侧机翼。
本发明一个较佳实施例中，所述主电机包括主电机外转子与主电机定子，所述主电机定子通过安装支架安装在发动机缸体上，所述主电机转子通过螺栓安装在发动机输出轴上。
本发明一个较佳实施例中，所述控制器根据动力装置逻辑控制调整单元、整流模块、逆变模块以及充电模块。
本发明一个较佳实施例中，所述调理单元能够将主电机产生的三相交流电整流稳压为标准直流电给锂电池充电。
本发明一个较佳实施例中，所述无人机姿态转换时，所述主动力输出单元与所述副动力输出单元的工作状态根据无人机的动力需求进行动力输出形式的切换。
本发明一个较佳实施例中，所述主电机通过电磁式转矩耦合的方式为发动机输出轴提供附加转矩。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)主动力输出单元安装在无人机中心轴上，两个副动力输出单元对称安装在无人机两侧机翼上，这种对称式的布局能够使无人机在升降或平飞时，始终保持重心位于无人机的中心，提高无人机的飞行稳定性。
(2)无人机升降和悬停的过程中，主动力输出单元与副动力输出单元同时分别带动主螺旋桨与副螺旋桨旋转，提高无人机升降过程中所需的动力总成，保持较大的输出功率，控制无人机具有较高的升重比。
(3)无人机水平巡航飞行阶段，需要保持在能耗较低的水平，此时主动力输出单元提供牵引力，副动力输出单元根据无人机的动力需求选择不工作或适当提供额外动力，通过这种混合动力输出，能够根据无人机实际行驶状态选择不同动力单元独立或联合提供动力，能够灵活控制无人机的动力总成。
(4)通过增加两个副动力输出单元，以及主电机在发动机工作阶段与发动机输出轴转矩耦合提供附加扭矩的形式，实现无人机不同飞行姿态相匹配的动力驱动方式，同时电磁式的转矩耦合方式是一种非接触式的耦合方式，产生的机械损失小，电机与发动机同轴连接，电机本身充当耦合装置，结构紧凑，传递效率较高。
(5)主电机产生的不稳定的三相交流电能够通过调理单元整流稳压成标准直流电，从而能够对锂电池进行充电，锂电池进行储能，实现动力的循环使用，提高无人机续航时间。
附图说明
图1是本发明的优选实施例的尾座式垂直起降无人机动力装置结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的无人机动力输出形式图；
图3是本发明的优选实施例的无人机垂直起降及悬停阶段动力装置工作状态及动力传输路线图；
图4是本发明的优选实施例的无人机水平飞行阶段动力装置工作状态及动力传输路线图；
附图标记：
1、主动力输出单元，2、副动力输出单元，3、主螺旋桨，4、主电机外转子，5、发动机输出轴，6、主电机定子，7、发动机，8、调理单元，9、锂电池，10、控制器，11、副螺旋桨，12、副电机输出轴，13、副电机，14、电调，15、整流模块，16、逆变模块，17、稳压模块，18、充电模块。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1，一种尾座式垂直起降无人机动力装置，包括：无人机、控制器10、主动力输出单元1、两个副动力输出单元2，以及锂电池9；主动力输出单元1包括发动机7、连接在发动机7上的主电机，以及连接在主电机转子上的主螺旋桨3，主电机电性连接有调理单元8；调理单元8包括整流模块15、稳压模块17、逆变模块16以及充电模块18，调理单元8电性连接有锂电池9，副动力输出单元2包括副螺旋桨11、副电机13与电调14，锂电池9与电调14电性连接，电调14与电机电性连接，副螺旋桨11安装在副电机输出轴12上；控制器10用于控制主动力输出单元1、副动力输出单元2以及调理单元8的工作状态。
当无人机垂直起降或悬停时，主动力输出单元1与副动力输出单元2同时工作，调理单元8能够将锂电池9供给的标准直流电逆变为频率可调的三相交流电。
如图2所示，无人机直接动力输出方式为螺旋桨旋转产生平行于无人机机头朝向方向的牵引力，螺旋桨包括位于机头的主螺旋桨3和位于机翼两侧的副螺旋桨11。
如图3所示，无人机升降和悬停的过程中，主动力输出单元1与副动力输出单元2同时分别带动主螺旋桨3与副螺旋桨11旋转，提高无人机升降过程中所需的动力总成，保持较大的输出功率，控制无人机具有较高的升重比。
换言之，在尾座式垂直起降无人机垂直起降及悬停时，主动力输出单元1与副动力输出单元2同时工作对外输出功，调理单元8的逆变模块16和副动力输出单元2的电调14的使能和频率由控制器10控制。由调理单元8的逆变模块16由控制器10使能后，调理单元8逆变锂电池9供给的标准直流电为频率可调三相交流电，由三相交流电驱动主电机外转子4转动后，主电机外转子4带动发动机7输出轴5转动，同时控制器10控制发动机7工作，直至发动机7脱离主电机可独立运行。由主电机拖动发动机7工作后，控制器10根据无人机动力需求使能调理单元8并改变其输出频率，调理单元8产生的三相交流驱动主电机外转子4转动，主电机通过电磁式转矩耦合的方式为发动机7输出轴5提供附加转矩。由主电机拖动发动机7工作后，控制器10根据无人机动力需求使能并控制副动力输出单元2的电调14，电调14将锂电池9供给的标准直流电转变为频率可调的三相直流电，由电调14产生的三相直流电驱动副电机13，副电机13拖动副电机输出轴12，带动副螺旋桨11转动对外输出功。
如图4所示，当无人机平飞时，主动力输出单元1持续工作并提供牵引力，此时副动力输出单元2根据动力需求对外做功，当主动力输出单元1提供的牵引力能够达到目标要求时，副动力输出单元2不工作；当主动力输出单元1提供的牵引力未达到目标要求时，副动力输出单元2提供额外动力，电调14能够将锂电池9供给的标准直流电转变为频率可调的三相直流电，由电调14产生的三相直流电驱动副电机13带动副螺旋桨11转动，控制器10控制逆变模块16与电调14的使能和/或频率。
无人机水平巡航飞行阶段，需要保持在能耗较低的水平，此时主动力输出单元1提供牵引力，副动力输出单元2根据无人机的动力需求选择不工作或适当提供额外动力，通过这种混合动力输出，能够根据无人机实际行驶状态选择不同动力单元独立或联合提供动力，能够灵活控制无人机的动力总成。
在无人机平飞阶段，由于无人机升力主要由机翼提供，动力装置提供牵引力，动力装置不需提供大功率输出。因此将副动力输出单元2关闭，仅在调整或者切换姿态需要额外的牵引力或升力时开启；主动力输出单元1发动机7根据无人机牵引力需求工作，同时输出轴带动主电机外转子4转动，主电机外转子4磁铁与定子绕组切割产生三相电，调理单元8切换至输入模式，将三相电变压至稳定的标准电给锂电池9充电。
换言之，在无人机平飞时，主动力输出单元1持续工作并提供牵引力，副动力输出单元2根据动力需求对外做功，调理单元8的逆变模块16和副动力输出单元2的电调14的使能和频率由控制器10控制。由发动机7拖动主电机外转子4转动，主电机产生不稳定的三相交流电，由控制器10根据动力装置控制逻辑控制调理单元8整流模块15、逆变模块16和充电模块18，调理单元8将主电机产生的三相交流电整流稳压为标准直流电并给锂电池9充电。控制器10根据无人机动力需求使能并控制副动力输出单元2的电调14，电调14将锂电池9供给的标准直流电转变为频率可调的三相直流电，由电调14产生的三相直流电驱动副电机13，副电机13拖动副电机输出轴12，带动副螺旋桨11转动对外输出功。
本发明在无人机姿态转换时，主动力输出单元1和副动力输出单元2工作状态根据无人机动力需求按照上述的动力输出形式进行切换。
一个主动力输出单元1安装在无人机中心轴机头处，两个副动力输出单元2对称分布在无人机两侧机翼，这种对称式的布局能够使无人机在升降或平飞时，始终保持重心位于无人机的中心，提高无人机的飞行稳定性。
主电机包括主电机外转子4与主电机定子6，主电机定子6通过安装支架安装在发动机7缸体上，主电机转子通过螺栓安装在发动机7输出轴5上控制器10根据动力装置逻辑控制调整单元、整流模块15、逆变模块16以及充电模块18。
调理单元8能够将主电机产生的三相交流电整流稳压为标准直流电给锂电池9充电，无人机姿态转换时，主动力输出单元1与副动力输出单元2的工作状态根据无人机的动力需求进行动力输出形式的切换，主电机通过电磁式转矩耦合的方式为发动机7输出轴5提供附加转矩，
通过增加两个副动力输出单元2，以及主电机在发动机7工作阶段与发动机7输出轴5转矩耦合提供附加扭矩的形式，实现无人机不同飞行姿态相匹配的动力驱动方式，同时电磁式的转矩耦合方式是一种非接触式的耦合方式，产生的机械损失小，电机与发动机7同轴连接，电机本身充当耦合装置，结构紧凑，传递效率较高。
主电机产生的不稳定的三相交流电能够通过调理单元8整流稳压成标准直流电，从而能够对锂电池9进行充电，锂电池9进行储能，实现动力的循环使用，提高无人机续航时间。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
技术特征：
1.一种尾座式垂直起降无人机动力装置，包括：无人机、控制器、主动力输出单元、两个副动力输出单元，以及锂电池；其特征在于，
所述主动力输出单元包括发动机、连接在发动机上的主电机，以及连接在主电机转子上的主螺旋桨，所述主电机电性连接有调理单元；
所述调理单元包括整流模块、稳压模块、逆变模块以及充电模块，所述调理单元电性连接有锂电池，
所述副动力输出单元包括副螺旋桨、副电机与电调，所述锂电池与电调电性连接，所述电调与电机电性连接，所述副螺旋桨安装在副电机输出轴上；
所述控制器用于控制主动力输出单元、副动力输出单元以及调理单元的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：当无人机垂直起降或悬停时，所述主动力输出单元与所述副动力输出单元同时工作。
3.根据权利要求2所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：所述调理单元能够将所述锂电池供给的标准直流电逆变为频率可调的三相交流电。
4.根据权利要求1所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：当无人机平飞时，所述主动力输出单元持续工作并提供牵引力，此时所述副动力输出单元根据动力需求对外做功；
当主动力输出单元提供的牵引力能够达到目标要求时，所述副动力输出单元不工作；
当主动力输出单元提供的牵引力未达到目标要求时，所述副动力输出单元提供额外动力。
5.根据权利要求4所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：所述电调能够将锂电池供给的标准直流电转变为频率可调的三相直流电，由电调产生的三相直流电驱动副电机带动副螺旋桨转动。
6.根据权利要求3或5所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：所述控制器控制逆变模块与电调的使能和/或频率。
7.根据权利要求1所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：所述主动力输出单元安装在无人机中心轴机头处，所述副动力输出单元对称分布在无人机两侧机翼。
8.根据权利要求1所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：所述主电机包括主电机外转子与主电机定子，所述主电机定子通过安装支架安装在发动机缸体上，所述主电机转子通过螺栓安装在发动机输出轴上。
9.根据权利要求1所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：所述控制器根据动力装置逻辑控制调整单元、整流模块、逆变模块以及充电模块。
10.根据权利要求1所述的一种尾座式垂直起降无人机动力装置，其特征在于：所述调理单元能够将主电机产生的三相交流电整流稳压为标准直流电给锂电池充电。
技术总结
本发明公开了一种尾座式垂直起降无人机动力装置，包括：无人机、控制器、主动力输出单元、两个副动力输出单元，以及锂电池；所述主动力输出单元包括发动机、连接在发动机上的主电机，以及连接在主电机转子上的主螺旋桨，所述主电机电性连接有调理单元；所述调理单元包括整流模块、稳压模块、逆变模块以及充电模块，所述调理单元电性连接有锂电池，所述副动力输出单元包括副螺旋桨、副电机与电调，所述锂电池与电调电性连接，所述电调与电机电性连接，所述副螺旋桨安装在副电机输出轴上；所述控制器用于控制主动力输出单元、副动力输出单元以及调理单元的工作状态。
技术研发人员：刘超;王凌峰;许祥胜;龙伟成
受保护的技术使用者：江苏心源航空科技有限公司
技术研发日：.08.05
技术公布日：.11.05
