一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟

技术领域

本发明属航空飞行器领域，具体涉及一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟。

技术背景

旋翼式飞行器的升力和推力由高速旋转的旋翼形成，而旋翼旋转的动力来自于引擎。现有的旋翼式飞行器，包括各种旋翼式直升飞机，其旋翼和引擎是两套分离的和独立的系统，通过传动机构连接在一起。

与一般旋翼式飞行器相比，旋翼式飞碟的特殊性在于：旋翼式飞碟的旋翼系统及其动力系统需要安装在碟壳内。碟壳内部空间有限，限制了旋翼系统及其动力系统的结构和布局。因此，如何充分地利用碟壳内部有限的空间，设计结构紧凑、布局合理、重量轻、动力转换效率高，并且，易于操纵和控制的旋翼系统及其动力系统，是旋翼式飞碟设计的首要问题。

旋翼在碟壳内高速旋转时，由于气动涡流、旋翼的柔性，以及飞碟的机动飞行等因素，可能发生旋翼与碟壳的触碰，产生故障，甚至导致严重的事故，详见专CN1120008A，存在着如上所述的缺点。因此，如何避免旋翼在高速旋转的情形下与蝶壳内部的接触和摩擦，减少旋翼高速旋转时的噪声以及蝶壳和蝶舱的振动，提高动力转换效率，降低能耗，同时，保证旋翼以及飞碟的运行安全，是旋翼式飞碟设计的重要问题之一。

与一般旋翼式飞行器类似，飞碟旋翼旋转时会产生反扭矩，详见专利CN1114279A，存在着飞碟碟体受到不可控反扭矩的问题。因此，如何克服旋翼式飞碟的反扭矩问题也是旋翼式飞碟设计的另一重要问题。

发明内容

本发明的目的在于充分地利用碟壳内部有限的空间，设计和构造一种结构紧凑、布局合理、重量轻、动力转换效率高，并且拥有易于操纵和控制的旋翼系统及其动力系统的旋翼式飞碟。

本发明的一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟，包括碟壳、碟舱、旋翼系统，以及控制系统，其中所述的旋翼系统为磁悬浮电动力旋翼系统，由磁悬浮旋翼轮、电动力环、磁悬浮轴、磁悬浮导轨组成；电动力环以及磁悬浮轴和磁悬浮导轨固定于碟壳；磁悬浮旋翼轮悬浮于电动力环和磁悬浮轴以及磁悬浮导轨约束的空间中，在电磁推力下环绕磁悬浮轴旋转运行。

所述的磁悬浮旋翼轮由桨叶、磁悬浮内环、磁悬浮外环组成，桨叶沿径向(X-X)连接于磁悬浮内环和磁悬浮外环之间，形成叶轮；磁悬浮导轨分磁悬浮内环导轨和磁悬浮外环导轨，磁悬浮内环导轨由内环上导轨槽和内环下导轨槽组成，磁悬浮外环导轨由外环上导轨槽和外环下导轨槽组成；磁悬浮旋翼轮的磁悬浮内环在径向(X-X)上环绕磁悬浮轴，在轴向(Y-Y)上置于内环上导轨槽和内环下导轨槽之间；磁悬浮旋翼轮的磁悬浮外环在径向(X-X)上内嵌于电动力环，在轴向(Y-Y)上置于外环上导轨槽和外环下导轨槽之间。

磁悬浮旋翼轮的磁悬浮内环与磁悬浮轴在径向(X-X)上，基于磁极同性相斥、异性相吸的原理，依靠永磁体或电磁体或超导磁体，形成斥力型或引力型磁悬浮径向轴承，使磁悬浮旋翼轮在径向(X-X)上悬浮于磁悬浮轴上；磁悬浮旋翼轮的磁悬浮内环与磁悬浮内环导轨在轴向(Y-Y)上，基于磁极同性相斥、异性相吸的原理，依靠永磁体或电磁体或超导磁体，形成斥力型或引力型磁悬浮轴向轴承，使磁悬浮内环悬浮于内环上导轨槽和内环下导轨槽之间；磁悬浮旋翼轮的磁悬浮外环与磁悬浮外环导轨在轴向(Y-Y)上，基于磁极同性相斥、异性相吸的原理，依靠永磁体或电磁体或超导磁体，形成斥力型或引力型磁悬浮轴向轴承，使磁悬浮外环悬浮于外环上导轨槽和外环下导轨槽之间。

旋翼系统的磁悬浮旋翼轮与电动力环和磁悬浮轴构成磁悬浮电动引擎，电动力环为定子，磁悬浮旋翼轮为转子，磁悬浮轴为转轴，电动力环依电磁转换原理，控制电动力环中的流通电流变化，产生沿圆环的旋转磁场，该旋转磁场对磁悬浮旋翼轮的磁悬浮外环中磁场产生磁场力作用，推动磁悬浮旋翼轮旋转。

作为本发明的进一步改进，在于碟壳内可共轴地在轴向(Y-Y)上叠放安装两套独立的磁悬浮电动力旋翼系统，即上旋翼系统和下旋翼系统，形成共轴的轴向双磁悬浮电动力旋翼，其中，上旋翼系统与下旋翼系统的旋转方向相反，桨叶倾斜方向相反，能在保证推动力同轴同向的前提下克服或对消旋翼旋转时所形成的反扭矩，并且，可通过对上旋翼系统和下旋翼系统速度以及速度差的控制，实现飞碟自旋角度和自旋角速度的自动控制。

作为本发明的另一种改进，在于碟壳内可共轴地在径向(X-X)上叠放安装两套独立的磁悬浮电动力旋翼系统，即内旋翼系统和外旋翼系统，形成共轴的径向双磁悬浮电动力旋翼，其中，内旋翼系统与外旋翼系统的旋转方向相反，桨叶倾斜方向相反，能在保证推动力同轴同向的前提下克服或对消旋翼旋转时所形成的反扭矩，并且，可通过对内旋翼系统和外旋翼系统速度以及速度差的控制，实现飞碟自旋角度和自旋角速度的自动控制。

本发明所设计的磁悬浮电动力飞碟充分地利用碟壳内部有限的空间，设计结构紧凑、布局合理、重量轻、动力转换效率高，并且其旋翼系统及其动力系统易于操纵和控制；旋翼悬浮结构的设计避免旋翼在高速旋转的情形下与蝶壳内部的接触和摩擦，减少旋翼高速旋转时的噪声以及蝶壳和蝶舱的振动，提高动力转换效率，降低能耗，同时，保证旋翼以及飞碟的运行安全；本发明所提到的两套改进方案在满足以上要求的前提下，克服了旋翼反扭矩的问题，能够实现飞碟稳定且易于实现的动力控制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1：脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟侧视剖面示意图；

图2：脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟俯视示意图；

图3：共轴的轴向双脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟侧视剖面示意图；

图4：共轴的径向双脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟侧视剖面示意图；

图5：旋翼轮径向磁悬浮结构示意图；

图6：旋翼轮径向磁悬浮结构侧视剖面示意图；

图7：旋翼轮轴向磁悬浮结构示意图；

图8：电动力引擎实施例示意图。

具体实施方式

实施例一：单旋翼磁悬浮点动力旋翼飞碟

参考图1和图2，单旋翼脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟包括：碟壳1、碟舱2、旋翼系统3，以及控制系统4，其中，旋翼系统3为磁悬浮电动力旋翼系统，由磁悬浮旋翼轮5、电动力环6、磁悬浮轴7、磁悬浮导轨8组成；电动力环6以及磁悬浮轴7和磁悬浮导轨8固定于碟壳1；磁悬浮旋翼轮5由桨叶9、磁悬浮内环10、磁悬浮外环11组成，桨叶9沿径向(X-X)连接于磁悬浮内环10和磁悬浮外环11之间，形成叶轮；磁悬浮导轨8分磁悬浮内环导轨12和磁悬浮外环导轨13，磁悬浮内环导轨12由内环上导轨槽14和内环下导轨槽15组成，磁悬浮外环导轨13由外环上导轨槽16和外环下导轨槽17组成；磁悬浮旋翼轮5的磁悬浮内环10在径向(X-X)上环绕磁悬浮轴7，在轴向(Y-Y)上置于内环上导轨槽14和内环下导轨槽15之间；磁悬浮旋翼轮5的磁悬浮外环11在径向(X-X)上内嵌于电动力环6，在轴向(Y-Y)上置于外环上导轨槽16和外环下导轨槽17之间。

脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟的磁悬浮旋翼轮5，依靠由磁悬浮内环10与磁悬浮轴7组成的磁悬浮径向轴承，在径向(X-X)上悬浮于磁悬浮轴7上；磁悬浮旋翼轮5的磁悬浮内环10，依靠由磁悬浮内环10和磁悬浮内环导轨12组成的磁悬浮轴向轴承，在轴向(Y-Y)上悬浮于内环上导轨槽14和内环下导轨槽15之间；磁悬浮旋翼轮5的磁悬浮外环11，依靠由磁悬浮外环11和磁悬浮外环导轨13组成的磁悬浮轴向轴承，在轴向(Y-Y)上悬浮于外环上导轨槽16和外环下导轨槽17之间。

脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟磁悬浮旋翼轮5与电动力环6和磁悬浮轴7构成磁悬浮电动引擎。脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟的电动力引擎可依一般电机原理设计，电动力环6为定子，磁悬浮旋翼轮5为转子，磁悬浮轴7为转轴，形成一般电动机的结构。

脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟的电动力引擎采用永磁同步电动力引擎，其结构如图8所示。

永磁同步电动机结构简单紧凑，损耗低，效率高，易于操纵和控制。永磁同步电机转子有各种不同的结构，为便于原理的描述，本实施例采用简单的插入式结构，在磁悬浮外环11上嵌入成对的永磁体23，形成励磁磁场；作为定子的电动力环6有定子铁心24，定子铁心24的内圆均匀分布着定子槽25，定子槽25内按一定规律排布三相对称的定子绕组26，形成旋转磁场，推动作为转子的磁悬浮旋翼轮5转动。

实施例二：旋冀轮径向磁悬浮结构

一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟，其磁悬浮旋翼轮5在径向(X-X)上依磁悬浮原理悬浮于磁悬浮轴7。

如图5和图6所示设计磁悬浮旋翼轮5的径向磁悬浮结构，在磁悬浮旋翼轮5的磁悬浮内环10和磁悬浮轴7的外沿上安放成对的磁体22，磁悬浮内环10的磁体极性为，N极朝内，S极朝外；磁悬浮轴7的磁体极性为，S极朝内，N极朝外。根据磁体同极相斥的原理，磁悬浮内环10外沿的磁极N与磁悬浮轴7外沿的磁极N形成斥力。因此，图5和图6所示的磁悬浮旋翼轮5径向磁悬浮结构可实现磁悬浮旋翼轮5在飞碟径向(X-X)上的悬浮。

磁体22可采用同质均匀分布的永磁材料。理想情形下，磁悬浮内环10的外沿与磁悬浮轴7的外沿成等间距状态。当磁悬浮旋翼轮5受扰动时，其磁悬浮内环10的外沿与磁悬浮轴7的外沿可能偏离等间距位置，然而，由于磁场强度随间距的增大而减弱，随间距的减小而增强，所以，磁悬浮内环10与磁悬浮轴7将自动地回复到等间距的位置。可见，永磁式旋翼轮的径向磁悬浮结构是一个自然的稳定结构。

磁体22也可以采用电磁材料。采用电磁体设计磁悬浮旋翼轮5的径向(X-X)悬浮结构可以获得良好的可控性，易于实施各种先进控制策略，获得最佳的磁悬浮旋翼轮5轴向(X-X)磁悬浮效果。

图5和图6中磁悬浮内环10的磁体可改变为超导材料，当其处于超导状态的时，依据Meissner效应，磁悬浮内环10将与磁悬浮轴7形成斥力，从而实现超导磁悬浮。此时，若磁悬浮轴7上的磁体为永磁体，超导磁悬浮也能获得自然的稳定结构；若磁悬浮轴7上的磁体为电磁体，超导磁悬浮也能获得良好的可控性，并可依据自动控制理论实施各种先进的控制策略。

实施例三：旋翼轮轴向磁悬浮结构

一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟，其磁悬浮旋翼轮5在轴向(Y-Y)上依磁悬浮原理悬浮于磁悬浮导轨8，即：磁悬浮内环10悬浮于内环上导轨槽14和内环下导轨槽15之间，磁悬浮外环11悬浮于外环上导轨槽16和外环下导轨槽17之间。

如图7所示设计磁悬浮旋翼轮5的轴向磁悬浮结构，使磁悬浮内环10和磁悬浮外环11的磁体极性为，N极在上，S极在下；内环上导轨槽14和外环上导轨槽16的磁体极性为，S极在上，N极在下；内环下导轨槽15和外环下导轨槽17的磁体极性为，S极在上，N极在下。根据磁体同极相斥的原理，磁悬浮内环10上方的磁极N与内环上导轨槽14下方的磁极N形成斥力，磁悬浮内环10下方的磁极S与内环下导轨槽15上方的磁极S形成斥力；磁悬浮外环11上方的磁极N与外环上导轨槽16下方的磁极N形成斥力，磁悬浮外环11下方的磁极S与外环下导轨槽17上方的磁极S形成斥力。因此，图7所示的磁悬浮旋翼轮5径向磁悬浮结构可实现磁悬浮旋翼轮5在飞碟轴向(Y-Y)上的悬浮。

图7所示的磁悬浮旋翼轮5径向磁悬浮结构中，磁体可采用同质均匀分布的永磁材料。考虑重量等因素，对磁悬浮导轨8的上下导轨槽设计和选择不同的磁场强度，使磁悬浮环处于上导轨槽和下导轨槽近似等间距的位置。当磁悬浮旋翼轮5受气流影响上下震动时，其磁悬浮内环10和磁悬浮外环11可能偏离等间距位置，然而，由于磁场强度随间距的增大而减弱，随间距的减小而增强，所以，磁悬浮内环10和磁悬浮外环11将自动地回复到等间距的位置。可见，永磁式旋翼轮的轴向磁悬浮结构是一个自然的稳定结构。

图7所示的磁悬浮旋翼轮5径向磁悬浮结构中，磁体也可采用电磁材料。采用电磁体设计磁悬浮旋翼轮5的轴向(Y-Y)悬浮结构可以获得良好的可控性，易于实施各种先进控制策略，获得最佳的磁悬浮旋翼轮5轴向(Y-Y)磁悬浮效果。

图7中磁悬浮旋翼轮5的磁悬浮内环10和磁悬浮外环11的磁体可改变为超导材料，当其处于超导状态的时，依据Meissner效应，磁悬浮旋翼轮5的磁悬浮环将与上导轨槽和下导轨槽形成斥力，从而实现磁悬浮。此时，若内磁悬浮导轨12和外磁悬浮导轨13上的磁体为永磁体，超导磁悬浮也能获得自然的稳定结构；若内磁悬浮导轨12和外磁悬浮导轨13上的磁体为电磁体，超导磁悬浮也能获得良好的可控性，并可依据自动控制理论实施各种先进的控制策略。

实施例四：电动力引擎

一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟，其旋翼系统3的磁悬浮旋翼轮5与电动力环6和磁悬浮轴7构成磁悬浮电动引擎。脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟的电动力引擎可依一般电机原理设计，电动力环6为定子，磁悬浮旋翼轮5为转子，磁悬浮轴7为转轴，形成一般电动机的结构。

脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟的电动力引擎的结构和原理可以是同步电动机式的、异步电动机式，以及直流电动机式的。

脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟电动力引擎的一个典型的实施方案是永磁同步电动力引擎，其原理性结构如图8所示。

永磁同步电动机结构简单紧凑，损耗低，效率高，易于操纵和控制。永磁同步电机转子有各种不同的结构，为便于原理的描述，本实施例采用简单的插入式结构，在磁悬浮外环11上嵌入成对的永磁体23，形成励磁磁场；作为定子的电动力环6有定子铁心24，定子铁心24的内圆均匀分布着定子槽25，定子槽25内按一定规律排布三相对称的定子绕组26，形成旋转磁场，推动作为转子的磁悬浮旋翼轮5转动。

实施例五：共轴的轴向双磁悬浮电动力旋翼系统

一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟，在改进其旋翼系统以克服旋翼反扭矩问题时，采用共轴的轴向双磁悬浮电动力旋翼系统。共轴的轴向双磁悬浮电动力旋翼系统包括上旋翼系统18和下旋翼系统19。上下两个旋翼系统采用相同的结构组成，均由磁悬浮旋翼轮5、电动力环6、磁悬浮轴7、磁悬浮导轨8组成。

工作时，上下两个旋翼系统各自的电动力环产生的旋转磁场旋转方向相反，带动各自的磁悬浮旋翼轮也以相反的方向旋转。上下两个磁悬浮旋翼轮保持相同的绝对转速，可以抵消各自产生的反扭矩，保持碟壳稳定；上下两个旋翼系统同时提供升力或前进动力，大大提高飞碟的动力性能，

实施例六：共轴的径向双磁悬浮电动力旋翼系统

一种脱离地球引力的磁悬浮动力旋翼飞碟，在改进其旋翼系统以克服旋翼反扭矩问题时，采用共轴的径向双磁悬浮电动力旋翼系统。共轴的径向双磁悬浮电动力旋翼系统包括内旋翼系统20和外旋翼系统21。上下两个旋翼系统采用相同的结构组成，均由磁悬浮旋翼轮5、电动力环6、磁悬浮轴7、磁悬浮导轨8组成。

工作时，内外两个旋翼系统各自的电动力环产生的旋转磁场旋转方向相反，带动各自的磁悬浮旋翼轮也以相反的方向旋转。内外两个磁悬浮旋翼轮保持额定的绝对转速差，可以抵消各自产生的反扭矩，保持碟壳稳定；内外两个旋翼系统同时提供升力或前进动力，提高了飞碟的动力性能。

共轴径向双磁悬浮电动力旋翼系统由于采用双旋翼系统同平面放置，使其两个磁悬浮旋翼轮相互间的气流扰动大大减小，提高了旋翼系统的可控性和稳定性。此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。