CN106394924A - 一种永磁直线电机型无人机电磁弹射器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种永磁直线电机型无人机电磁弹射器，包括弹射机架、无人机支撑弹射平台、电源系统、制动系统以及控制系统，其特征在于：所述弹射机架能够搭载在运输设备上，所述弹射机架上设置有直线滑轨，无人机支撑弹射平台通过其两侧支撑在弹射机架的直线滑轨上，所述弹射机架上设置有制动系统，无人机搭载在无人机支撑弹射平台上，无人机支撑弹射平台能够在弹射电机的驱动下沿着直线滑轨加速运动，所述弹射电机采用永磁直线电机，当无人机达到起飞所需速度后，在制动系统的阻尼作用下将无人机支撑弹射平台制动下来，无人机惯性飞出。本发明克服了现有技术中无人机弹射中机动性差、可靠性不高、隐蔽性差、效率低的问题。
Description
技术领域
本发明主要涉及到无人机弹射起飞领域，特指一种采用动圈式永磁直线电机的电磁弹射器。
背景技术
随着高新技术的发展，信息技术的持续革命，现代战争形态也发生着变革，无人作战已经成为现代战争的发展趋势，无人机已经成为其中不可或缺的武器，扮演着重要角色。随着无人作战形势的发展，在现代战场上无人机的作用日益凸显，固定翼无人机各种发射起飞技术的研究也凸显出其迫切性。
目前大中型无人机多数采用固定场地助跑起飞、火工助推、气液弹射器起飞；固定场地助跑起飞受场地的制约，隐蔽性极差、机动性极差的缺陷；火工助推受火工品的制约，发射过程能源浪费占比大，具有隐蔽性差、可靠性不高、安全性差、机动性差、效率低的缺陷；气液弹射器具有结构复杂、发射过程能源消耗占比大、维护工作大、隐蔽性不好、机动性差的缺陷。
发明内容
本发明的目的是主要解决上述无人机弹射中机动性差、可靠性不高、隐蔽性差、效率低的问题，提供一种永磁直线电机型无人机电磁弹射器。
本发明采用的技术方案是：
一种永磁直线电机型无人机电磁弹射器，包括弹射机架、无人机支撑弹射平台、电源系统、制动系统以及控制系统，所述弹射机架能够搭载在运输设备上，所述弹射机架上设置有直线滑轨，无人机支撑弹射平台通过其两侧支撑在弹射机架的直线滑轨上，所述弹射机架上设置有制动系统，无人机搭载在无人机支撑弹射平台上，无人机支撑弹射平台能够在弹射电机的驱动下沿着直线滑轨加速运动，所述弹射电机采用永磁直线电机，当无人机达到起飞所需速度后，在制动系统的阻尼作用下将无人机支撑弹射平台制动下来，无人机惯性飞出。
进一步地，本发明所述永磁直线电机包括定子磁钢和动子电枢，所述无人机支撑弹射平台底面左右两侧均安装有与直线导轨滑动配合的直线滑块，两动子电枢通过两侧的直线滑块固定支撑在无人机支撑弹射平台底面的左右两侧且随直线滑块沿直线滑轨作直线运动，顺着滑轨方向呈长直线设置的定子磁钢固定在滑轨内且位于两侧动子电枢之间，所述滑轨内设置有用于卡固定子磁钢的卡套。
进一步地，本发明还包括受流装置，受流装置将外界电能平稳传输到永磁直线电机中。受流装置包括集电器与供电轨，供电轨安装在弹射机架的下表面，集电器与动子电枢固定连接。受流装置设有三组，分布于定子磁钢两侧，其中一侧分布两组，另一侧分布一组。三组受流装置为永磁直线电机提供三相直流电电源，分别对控制系统和供电轨直接供电，动子电枢通过受流装置的集电器与供电轨接触供电。
受流装置采用TS1601型供电装置移动供电，该受流装置一共三组，都与弹射机架固定连接，分别布置在左、右两侧组。
进一步地，本发明所述弹射电机与弹射机架之间安装有电磁防护装置。
进一步地，本发明所述电磁防护装置为固定在机架上的且能够将受流装置以及永磁直线电机整体包裹在其内侧的由一块以上的钢板组成的防护壳。
进一步地，本发明所述弹射机架以及弹射机架上的直线滑轨与水平面呈一定倾斜角度设置。
进一步地，本发明所述电源系统包括蓄电池及其蓄电池充放电管理系统，蓄电池采用10节Odyssey PC2250铅酸蓄电池串联而成。
进一步地，本发明所述制动系统包括反接制动系统，所述滑轨内侧壁上设置有位置检测传感器，位置检测传感器与控制系统连接，当无人机达到起飞速度与无人机支撑弹射平台脱离后，控制系统、弹射电机和位置检测传感器构成了反接制动系统；
当无人机达到起飞速度与无人机支撑弹射平台脱离后，弹射电机的动子电枢经过该设定的位置检测传感器，该位置检测传感器将检测到的信号传回控制系统，控制系统发出制动信号控制弹射电机中电流流向，使动子电枢的运动方向与弹射电机磁场的运动方向相反，使弹射电机产生与运动趋势相反的制动力，进而使无人机支撑弹射平台速度降低实现制动。
进一步地，本发明所述制动系统包括液压制动系统，所述液压制动系统包括液压缸、制动缓冲挡块、拦阻钢丝绳及滑轮组，液压缸固定在弹射机架的下方，液压缸包括缸体和缸杆，制动缓冲挡块通过其底部的直线滑块滑动安装在滑轨的制动区域，弹射机架下方安装有多组滑轮组，制动缓冲挡块连接有拦阻钢丝绳，拦阻钢丝绳经多组滑轮组其另一端连接到缸杆上。当无人机达到起飞所需速度脱离无人机支撑弹射平台后，无人机支撑弹射平台碰撞到制动缓冲挡块，制动缓冲挡块通过滑轮组带动拦阻钢丝绳拉动液压缸的缸杆，液压缸通过拦阻钢丝绳拉动做功，根据能量守恒定律，将无人机支撑弹射平台的动能转化为液压缸的动能，将弹射平台的动能在规定距离范围内将其消耗掉，实现无人机支撑弹射平台的制动。
进一步地，本发明所述制动系统包括包括永磁涡流制动系统，所述永磁涡流制动系统包括导体板和halbach永磁体阵列，halbach永磁体阵列安装在滑轨的内侧边，且halbach永磁体阵列与定子磁钢平行；导体板安装在无人机支撑弹射平台的侧面。其中：halbach永磁体阵列由纵向充磁的永磁体和旋转90°横向充磁的永磁体组成，且两种永磁体依次交替地间隔布置。当无人机支撑弹射平台经制动减速进入设有halbach永磁体阵列的滑轨区域，halbach永磁体阵列产生的磁场在导体板中感应出电涡流，将永磁直线电机动子和无人机支撑弹射平台的动能转化为导体板内的热能消耗掉，实现制动。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种永磁直线电机型无人机电磁弹射器的弹射直线电机采用动圈式永磁直线电机，具有效率高、大推力密度和小推力波动、安全性、可靠性和耐用性；其次控制系统采用全电控系统高度集成模块化，实现了弹射起飞全程速度控制，能够快速连续弹射，并能够根据起飞条件控制调整弹射起飞速度，能够高精度弹射从轻型到重型的多种无人机，具有安全性高、易维护性、隐蔽性好。
本发明的制动系统工作安全可靠、性能稳定、自适应能力强，能够保证高速弹射平台的快速拦阻。本发明的制动系统提供了多种实现方式，可以采用反接制动系统、永磁涡流制动系统和液压制动系统中的一种单独实现制动，也可以采用其中的两种或者三种协同联合制动，能在短时间、短距离范围内消耗永磁直线电机动子及无人机支撑弹射平台的动能。
本发明提供的弹射器可采用车载或车挂形式运输，机动性强。
附图说明
图1是本发明整体结构图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明弹射电机装置结构图
图4是图3的截面图
图5是本发明的优选实例的电磁防护装置三维图
图6是本发明末端制动液压制动系统的结构图。
图7是本发明关于制动系统的另一实施例。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至2所示，本发明一种永磁直线电机型无人机电磁弹射器，包括：弹射机架1、无人机支撑弹射平台2、控制系统3、制动系统4、电磁防护装置5、电源系统6等。弹射机架1可以直接安装固定在小吨位卡车7或与拖车拖挂连接来实现快速运输。弹射机架1由5#方管型材和板材焊接、拼接组成，结构简单、牢固。弹射机架前部由3#角钢形成支撑杆，使整个弹射器与水平面成一定的弹射角度。弹射机架1。首先，起到了支撑整个永磁直线电机型无人机电磁弹射器的作用；其次，支撑固定电磁防护装置5以及位于滑轨末端的制动系统4，使整个永磁直线电机型无人机电磁弹射器结构更加紧凑；最后，可在规定角度范围内调整无人机起飞角度。
所述弹射机架1上设置有直线滑轨，无人机支撑弹射平台2通过其两侧支撑在弹射机架的直线滑轨上，所述弹射机架1上设置有制动系统4，无人机搭载在无人机支撑弹射平台2上，无人机支撑弹射平台2能够在弹射电机8的驱动下沿着直线滑轨加速运动，所述弹射电机8采用永磁直线电机，当无人机达到起飞所需速度后，在制动系统4的阻尼作用下将无人机支撑弹射平台2制动下来，无人机惯性飞出。
弹射电机8与弹射机架1之间安装有电磁防护装置5，用于保护弹射电机8。本实施例中制动系统4采用液压制动系统。控制系统3可采用固定式或手持式来操作弹射整个过程；电源系统6安置在小吨位卡车(或者拖车)7上，用来实现弹射的能源供应及电池的充放电管理。
见图3～4，无人机支撑弹射平台2与弹射电机的动子电枢12一体化设计，整体结构为倒U形状。整体结构简单、紧凑，质量轻，通过受流装置移动供电，可实现电能与无人机动能的转换。无人机支撑弹射平台2采用铝合金板材组合而成。弹射电机8采用永磁直线电机，其包括定子磁钢11和动子电枢12。动子铁心由硅钢片叠压组成，电机齿槽为六极十八槽。所述无人机支撑弹射平台2底面左右两侧均安装有与直线导轨滑动配合的直线滑块。具体地，无人机支撑弹射平台2底面设有左右对称分布的4个双轴心式直线滑块，4个双轴心式直线滑块与固定在弹射机架上的直线滑轨配合支撑整个无人机支撑弹射平台2以及保证无人机支撑弹射平台2平稳运动。无人机支撑弹射平台2可搭载不同型号的无人机，在永磁直线电机的推动下与无人机一起沿着直线滑轨加速运行，当到达起飞速度后，无人机惯性飞出，无人机支撑弹射平台2在设置在靠近滑轨末端的制动系统的作用下实现制动。
两动子电枢12通过左右两侧的直线滑块固定支撑在无人机支撑弹射平台2底面的左右两侧且随直线滑块沿直线滑轨作直线运动。顺着直线滑轨方向呈长直线设置的定子磁钢11固定在直线滑轨内且位于两侧动子电枢12之间，所述直线滑轨内设置有用于卡固定子磁钢11的卡套。
受流装置将外界电能平稳传输到永磁直线电机中。受流装置10包括集电器13与供电轨14，供电轨14安装在弹射机架的下表面，集电器13通过固定连接结构与动子电枢12连接固定。受流装置10有三组，分布于定子磁钢11两侧，其中一侧分布两组，另一侧分布一组，三组受流装置为弹射电机提供三相直流电。
受流装置采用TS1601型供电装置移动供电，该受流装置一共三组，都与弹射机架固定连接，分别布置在左、右两侧组。
控制系统是由分别布置在永磁直线电机弹射装置内部各相应位置的各种传感器测量速度、位移、电压、电流参量)和控制器组成。控制系统包括机箱、计算机、单片机和光纤通讯网络(降低电磁干扰)数据采集板系统，数据采集板卡安装在机箱内部；控制分系统可根据环境条件、弹射无人机类型及其它条件进行综合运算，输出工作信号，精确控制电机推力，从而完成无人机弹射的控制功能，使无人机电磁弹射系统具有良好性能和高可靠性。
电源系统采用10节高性能的Odyssey PC2250(5s放电，电流2250A)铅酸蓄电池串联的供电模式，用于提供高脉冲能量从而驱动动圈加速运动和制动能源提供，其自带控制管理充放电系统，能有效的以最佳方式管理电源系统。
弹射电机8与弹射机架1之间安装有电磁防护装置5。所述电磁防护装置5为固定在弹射机架1上的且能够将受流装置10以及永磁直线电机整体包裹在其内侧的由一块以上的钢板15组成的防护壳。见图4～5，电磁防护装置5由2块钢板15折叠成带有开槽的长方形,如形。其槽口大小与无人机支撑弹射平台2肋筋相仿，其下表面固定在弹射机架上，将定子磁钢11、动子电枢12和受流装置10包裹在其内部。电磁防护装置5设置在弹射机架1内部，可有效的放置外界易磁化物体被吸附到永磁直线电机上，影响直线电机正常工作。
见图6，液压制动系统包括液压缸17、制动缓冲挡块20、拦阻钢丝绳18及滑轮组19，液压缸17固定在弹射机架1的下方，液压缸18包括缸体21和缸杆22，制动缓冲挡块20通过其底部的直线滑块滑动安装在滑轨的制动区域，弹射机架1下方安装有多组滑轮组19，制动缓冲挡块20连接有拦阻钢丝绳18，拦阻钢丝绳18经多组滑轮组19其另一端连接到缸杆22上。当无人机达到起飞所需速度脱离无人机支撑弹射平台后，无人机支撑弹射平台2碰撞到制动缓冲挡块20，制动缓冲挡块20通过滑轮组19带动拦阻钢丝绳18拉动液压缸17的缸杆22，液压缸17通过拦阻钢丝绳18拉动做功，根据能量守恒定律，将无人机支撑弹射平台的动能转化为液压缸的动能，将弹射平台的动能在规定距离范围内将其消耗掉，实现无人机支撑弹射平台的制动。
参照图7，本实施例中在弹射机架1上设置有反接制动系统、永磁涡流制动系统和液压制动系统。在此进行说明，反接制动系统、永磁涡流制动系统和液压制动系统可以单独设置，也可以组合设置，具体设置情况根据实际情况而定。
直线滑轨内侧壁上设置有位置检测传感器16，位置检测传感器16与控制系统3连接，当无人机达到起飞速度与无人机支撑弹射平台脱离后，控制系统、弹射电机和位置检测传感器16构成了反接制动系统。当无人机达到起飞速度与无人机支撑弹射平台脱离后，弹射电机的动子电枢经过该设定的位置检测传感器16，该位置检测传感器将检测到的信号传回控制系统，控制系统发出制动信号控制弹射电机中电流流向，使动子电枢的运动方向与弹射电机磁场的运动方向相反，使弹射电机产生与运动趋势相反的制动力，进而使无人机支撑弹射平台速度降低实现制动。
关于永磁涡流制动系统：所述永磁涡流制动系统包括导体板23和halbach永磁体阵列24，halbach永磁体阵列24安装在直线滑轨的内侧边，且halbach永磁体阵列24与定子磁钢平行；导体板23安装在无人机支撑弹射平台的侧面。halbach永磁体阵列24由纵向充磁的永磁体和旋转90°横向充磁的永磁体组成，且两种永磁体依次交替地间隔布置。当无人机支撑弹射平台经制动减速进入设有halbach永磁体阵列的滑轨区域，halbach永磁体阵列产生的磁场在导体板中感应出电涡流，将永磁直线电机动子和无人机支撑弹射平台的动能转化为导体板内的热能消耗掉，实现制动。
液压制动系统在前面已经说明清楚，在此不再赘述。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
Claims (13)
1.一种永磁直线电机型无人机电磁弹射器，包括弹射机架、无人机支撑弹射平台、电源系统、制动系统以及控制系统，其特征在于：所述弹射机架能够搭载在运输设备上，所述弹射机架上设置有直线滑轨，无人机支撑弹射平台通过其两侧支撑在弹射机架的直线滑轨上，所述弹射机架上设置有制动系统，无人机搭载在无人机支撑弹射平台上，无人机支撑弹射平台能够在弹射电机的驱动下沿着直线滑轨加速运动，所述弹射电机采用永磁直线电机，当无人机达到起飞所需速度后，在制动系统的阻尼作用下将无人机支撑弹射平台制动下来，无人机惯性飞出。
2.根据权利要求1所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述永磁直线电机包括定子磁钢和动子电枢，所述无人机支撑弹射平台底面左右两侧均安装有与直线导轨滑动配合的直线滑块，两动子电枢通过两侧的直线滑块固定支撑在无人机支撑弹射平台底面的左右两侧且随直线滑块沿直线滑轨作直线运动，顺着滑轨方向呈长直线设置的定子磁钢固定在滑轨内且位于两侧动子电枢之间，所述滑轨内设置有用于卡固定子磁钢的卡套。
3.根据权利要求1所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：还包括受流装置，受流装置将外界电能平稳传输到永磁直线电机中；受流装置包括集电器与供电轨，供电轨安装在弹射机架的下表面，集电器与动子电枢固定连接；受流装置设有三组，分布于定子磁钢两侧，其中一侧分布两组，另一侧分布一组；三组受流装置为永磁直线电机提供三相直流电电源，同时分别对控制系统和供电轨直接供电，且动子电枢通过受流装置的集电器与供电轨接触供电。
4.根据权利要求3所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述弹射电机与弹射机架之间安装有电磁防护装置。
5.根据权利要求4所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述电磁防护装置为固定在机架上的且能够将受流装置以及永磁直线电机整体包裹在其内侧的由一块以上的钢板组成的防护壳。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述弹射机架以及弹射机架上的直线滑轨与水平面呈一定倾斜角度设置。
7.根据权利要求6所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述电源系统包括蓄电池及其蓄电池充放电管理系统，蓄电池采用10节Odyssey PC2250铅酸蓄电池串联而成。
8.根据权利要求7所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述制动系统包括反接制动系统，所述滑轨内侧壁上设置有位置检测传感器，位置检测传感器与控制系统连接，当无人机达到起飞速度与无人机支撑弹射平台脱离后，控制系统、弹射电机和位置检测传感器构成了反接制动系统；
当无人机达到起飞速度与无人机支撑弹射平台脱离后，弹射电机的动子电枢经过该设定的位置检测传感器，该位置检测传感器将检测到的信号传回控制系统，控制系统发出制动信号控制弹射电机中电流流向，使动子电枢的运动方向与弹射电机磁场的运动方向相反，使弹射电机产生与运动趋势相反的制动力，进而使无人机支撑弹射平台速度降低实现制动。
9.根据权利要求7所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述制动系统包括液压制动系统，所述液压制动系统包括液压缸、制动缓冲挡块、拦阻钢丝绳及滑轮组，液压缸固定在弹射机架的下方，液压缸包括缸体和缸杆，制动缓冲挡块通过其底部的直线滑块滑动安装在滑轨的制动区域，弹射机架下方安装有多组滑轮组，制动缓冲挡块连接有拦阻钢丝绳，拦阻钢丝绳经多组滑轮组其另一端连接到缸杆上。
10.根据权利要求9所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：当无人机达到起飞所需速度脱离无人机支撑弹射平台后，无人机支撑弹射平台碰撞到制动缓冲挡块，制动缓冲挡块通过滑轮组带动拦阻钢丝绳拉动液压缸的缸杆，液压缸通过拦阻钢丝绳拉动做功，根据能量守恒定律，将无人机支撑弹射平台的动能转化为液压缸的动能，将弹射平台的动能在规定距离范围内将其消耗掉，实现无人机支撑弹射平台的制动。
11.根据权利要求7所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：所述制动系统包括包括永磁涡流制动系统，所述永磁涡流制动系统包括导体板和halbach永磁体阵列，halbach永磁体阵列安装在滑轨的内侧边，且halbach永磁体阵列与定子磁钢平行；导体板安装在无人机支撑弹射平台的侧面。
12.根据权利要求11所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：halbach永磁体阵列由纵向充磁的永磁体和旋转90°横向充磁的永磁体组成，且两种永磁体依次交替地间隔布置。
13.根据权利要求12所述的永磁直线电机型无人机电磁弹射器，其特征在于：当无人机支撑弹射平台经制动减速进入设有halbach永磁体阵列的滑轨区域，halbach永磁体阵列产生的磁场在导体板中感应出电涡流，将永磁直线电机动子和无人机支撑弹射平台的动能转化为导体板内的热能消耗掉，实现制动。
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