阅读说明：本技术 混合动力多旋翼无人机水冷却系统及其应用方法 (Hybrid power multi-rotor unmanned aerial vehicle water cooling system and application method thereof ) 是由 闫凤军 李保民 费冬青 王宇鹏 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于无人机技术领域,公开了一种混合动力多旋翼无人机水冷却系统,发动机上设有发动机气缸冷却水套,旋翼驱动电机的定子外壳上设有电机定子散热孔道,旋翼支撑臂上设有旋翼支撑臂散热孔道；所述冷却系统还包括相连接的水箱、水泵；所述旋翼支撑臂散热孔道的出水口与水箱通过管道相连接；所述水泵出水口与旋翼支撑臂散热孔道进水口之间设置发动机气缸冷却水套、电机定子散热孔道；旋翼支撑臂散热孔道、水箱、水泵、发动机气缸冷却水套和/或电机定子散热孔道形成循环回路。本发明还公开了上述系统的应用方法。本发明利用无人机飞行时旋翼产生的风散热,降低散热系统的质量,提高散热系统的效率,降低动力系统的热负荷,增加动力系统的寿命。(The invention belongs to the technical field of unmanned aerial vehicles, and discloses a hybrid power multi-rotor unmanned aerial vehicle water cooling system.A cooling water jacket of an engine cylinder is arranged on an engine, a motor stator heat dissipation pore passage is arranged on a stator shell of a rotor driving motor, and a rotor support arm heat dissipation pore passage is arranged on a rotor support arm; the cooling system also comprises a water tank and a water pump which are connected; the water outlet of the rotor wing supporting arm heat dissipation pore is connected with the water tank through a pipeline; an engine cylinder cooling water jacket and a motor stator heat dissipation pore passage are arranged between the water pump water outlet and the water inlet of the rotor wing support arm heat dissipation pore passage; and the rotor wing supporting arm heat dissipation pore, the water tank, the water pump, the engine cylinder cooling water jacket and/or the motor stator heat dissipation pore form a circulation loop. The invention also discloses an application method of the system. According to the invention, the wind generated by the rotor wing during the flight of the unmanned aerial vehicle is utilized to dissipate heat, the quality of a heat dissipation system is reduced, the efficiency of the heat dissipation system is improved, the heat load of a power system is reduced, and the service life of the power system is prolonged.)

混合动力多旋翼无人机水冷却系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及发动机冷却技术领域，混合动力多旋翼无人机技术领域，具体来说是一种轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统。

背景技术

目前中型多旋翼无人机有很好的市场前景，应用十分广泛，比如航拍、巡检、物流、植保等。目前量产的多旋翼无人机以动力电池供电的方式为主，航时有限，满载最长10到15分钟。在未来的一段时间内，电池技术很难有突破性的进步，使用动力电池带来的航时问题很难从根本上解决。采用油电混合动力系统供电的方式既保留电驱动操纵灵活的特点，又可以很好的解决航时问题。

航空混合动力系统设计第一原则就是结构紧凑、轻质高效，有很高的功重比。混合动力系统结构上采用高速两冲程汽油机和高速永磁无刷直流电机通过机械直连组成，结构紧凑。冷却系统直接决定了动力系统的输出特性包括动力性和经济性、负荷强度和工作寿命，是混合动力系统的核心子系统。航空混合动力系统工作转速很高，工作在12000r/min以上，发动机气缸体和电机定转子发热严重。但航空混合动力系统散热条件差，大部分采用强制风冷的冷却方式，受质量限制，散热面积有限，冷却风流量有限；另外，多旋翼无人机一般工作状态下，飞行速度较低，动力系统表面冷却风量严重不足。产热、散热问题限制了混合动力系统的极限输出功率，使混合动力系统功重比难以提高。

水冷散热的方式散热效率高，冷却效果好，工作可靠，可以提高发动机的极限输出功率。使用水泵配合散热片、散热风扇的传统散热方式会大大增加冷却系统的质量，另外风扇及水泵增加功率损耗，降低动力系统的功重比。需要设计新的水冷却方式，既有较轻的质量，又有很高的散热效率。从而在质量不变或者增加很小的前提下，提高动力系统的输出功率，提高混合动力系统的功重比。

授权公告号为CN U、公告日为201年月日的中国发明专利说明书公开了一种。采用上述结构的，。因此，需要一种混合动力多旋翼无人机水冷却系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合动力多旋翼无人机水冷却系统及其应用方法，本发明去掉传统水冷系统的散热片和散热风扇，利用无人机飞行时旋翼产生的风散热，降低散热系统的质量，提高散热系统的效率，降低动力系统的热负荷，提高效率，增加动力系统的寿命。

本发明的第一个目的是提供一种混合动力多旋翼无人机水冷却系统，包括机舱、旋翼支撑臂、发动机、旋翼驱动电机，其特征是，所述发动机上设有发动机气缸冷却水套，旋翼驱动电机的定子外壳上设有电机定子散热孔道，旋翼支撑臂上设有旋翼支撑臂散热孔道；

所述机舱上设置相连接的水箱、水泵；

所述旋翼支撑臂散热孔道的出水口与水箱通过管道相连接；

所述水泵出水口与旋翼支撑臂散热孔道进水口之间设置发动机气缸冷却水套、电机定子散热孔道；

旋翼支撑臂散热孔道、水箱、水泵、发动机气缸冷却水套和/或电机定子散热孔道形成循环回路。

优选的，所述发动机气缸冷却水套、电机定子散热孔道串联设置。

优选的，所述发动机气缸冷却水套、电机定子散热孔道并联设置，并联设置的发动机气缸冷却水套、电机定子散热孔道上分别对应设有阀门。

优选的，所述电机定子散热孔道、旋翼支撑臂散热孔道均采用截面为半圆的2mm薄壁铝管。

优选的，所述旋翼支撑臂散热孔道的数量为两个，两个旋翼支撑臂散热孔道对称设置。

优选的，所述电机定子散热孔道环绕在电机定子外壳外周壁上。

优选的，所述旋翼支撑臂散热孔道环绕在旋翼支撑臂外周壁上。

优选的，其中水箱设置在两根悬梁上，悬在无人机主控制板的下方；水泵刚性连接在发动机上，与发动机装配成一体。

本发明的第二个目的是提供一种混合动力多旋翼无人机水冷却系统的应用方法：

首先，在水泵的作用下，水箱中的冷却介质流经发动机气缸冷却水套和/或电机定子散热孔道，此时冷却介质与发动机气缸和/或电机定子进行热交换，此时冷却介质温度升高，发动机气缸和/或电机定子温度降低；

其次，在水泵的作用下，冷却介质到达旋翼支撑臂散热孔道；借用无人机工作时旋翼桨叶旋转产生的向下气流，向下的气流对旋翼支撑臂散热孔道中的冷却介质进行冷却，冷却介质温度降低，降温后的冷却介质回到水箱，进行下一次循环。

优选的，所述发动机气缸上设有温度传感器、STM32芯片主控制器，温度传感器、水泵分别与控制器相连接；

当热敏温度传感器检测的数值大于95℃时，通过控制器控制水泵转速为1000-1300rpm；

当热敏温度传感器检测的数值小于80℃时，通过控制器控制水泵转速为500-800rpm；

当热敏温度传感器检测的数值为80℃-95℃，通过控制器控制水泵转速为当前转速值，当前转速值取800-1000rpm中的任一值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统，包括水泵、发动机气缸冷却水套、电机定子散热孔道、旋翼支撑臂散热孔道、小水箱、热敏温度传感器。其中，发动机气缸冷却水套出口与电机定子散热孔道入口相连，电机定子散热孔道出口与旋翼支撑臂散热孔道入口相连，旋翼支撑臂散热孔道出口与水箱相连，水箱连接水泵后接发动机气缸冷却水套入口，形成一个散热循环。

第二，本发明还包括了水冷系统的控制方法：选择结构紧凑、轻质高效的离心泵作为水泵，作为整个冷却系统温控的执行器。具体工作方法为：检测热敏温度传感器数值，当此数大于95℃时，提高水泵转速；当数值小于80℃时，降低水泵转速；当数值在80℃到95℃之间时，保持水泵转速恒定。本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统，利用水泵较精确的控制发动机温度，避免过冷或过热对发动机带来的不利影响，提高发动机的动力性和经济性。

第三，本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统，利用旋翼产生的空气流动散热，去掉传统水冷却系统的散热片和散热风扇，简化冷却系统结构，降低冷却系统质量，省掉散热风扇的能耗，提高混合动力系统的功重比。

第四，本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统，利用水冷对电机散热，提高电机的散热性能，提高系统的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统示意图；

图2是本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统中电机定子部分的三维图；

图3是本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统中电机定子部分的纵剖图；

图4是本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统中无人机包括旋翼臂部分的三维图；

图5是本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统中旋翼臂部分的纵剖图。

图中：1-发动机气缸冷却水套；2-电机定子散热孔道；3-旋翼支撑臂散热孔道；4-小水箱；5-水泵；6-热敏温度传感器；7-旋翼桨叶；8-电机定子外壳；9-电机定子绕组；10-驱动电调；11-驱动电机；12-旋翼支撑臂；13主控制板；14悬梁；15发动机；201-电机定子散热孔道入口；202-电机定子散热孔道出口；301-旋翼支撑臂散热孔道入口；302-旋翼支撑臂散热孔道出口。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统，包括发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2、旋翼支撑臂散热孔道3、小水箱4、水泵5、热敏温度传感器6与旋翼桨叶7。

旋翼支撑臂散热孔道3的出水口与水箱4通过管道相连接。

水泵4出水口与旋翼支撑臂散热孔道3进水口之间设置发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2。发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2串联连接，发动机气缸冷却水套1位于电机定子散热孔道2上游。

机舱底部设置两根悬梁，悬梁14在无人机主控制板13的下方，其中水箱4设置在两根悬梁14上；水泵5刚性连接在发动机15上，水泵5与发动机15装配成一体。

旋翼支撑臂散热孔道3、水箱4、水泵5、发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2形成循环回路。

如图2、图3所示，电机定子散热孔道2为半圆形2mm薄铝管，均匀的附在定子外壳8外侧上，冷却液从入口201进入，出口202流出，带走电机热量。定子外壳8内侧设置有定子铁芯，用于绕制电机定子绕组9。

如图4、图5所示，旋翼支撑臂散热孔道3为半圆形薄铝管，均匀的附在旋翼支撑臂12外侧。两个旋翼支撑臂散热孔道3与电机定子散热孔道2是一根管道，也可以是三根或两根管道。本实施例中三者是一根管道，该根管道先环绕在其中一个旋翼支撑臂上，再环绕在电机定子外壳上，再环绕在对称设置的旋翼支撑臂散热孔道上，采用这样的结构，其中一个旋翼支撑臂散热孔道3是进水管道，另一个旋翼支撑臂散热孔道3是出水管道。图1中省略了发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2之间的旋翼支撑臂散热孔道。

冷却液从入口301进入，出口302流出，无人机工作时，电子调速器10驱动电机11旋转，带动旋翼桨叶7旋转，向下的气流带走旋翼支撑臂散热孔道3的热量。

六旋翼无人机在一对对称的旋翼支撑臂上设有旋翼支撑臂散热孔道3，即保证散热能力，维持无人机重心，又减小散热系统的质量。

水泵5的转速根据热敏温度传感器6的AD转化数值调节，控制器MCU根据AD数值换算出当前水温，温度传感器与控制器MCU(STM32芯片主控制器)通过SPI协议通讯。当温度大于95℃时，控制器MCU通过提高电调输出的PWM占空比，从而提高电机的转速，使水泵5转速提高至1000-1300rpm；当数值小于80℃时，同样的方法使水泵5转速减小至500-800rpm；当数值在80℃到95℃之间时，保持水泵5当前的转速值(800-1000rpm)恒定不变。

本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统冷却液的流向为：

发动机气缸冷却水套1出口，电机定子散热孔道2的入口201、出口202，旋翼支撑臂散热孔道3的入口301、出口302，小水箱4，水泵5，发动机气缸冷却水套1入口。

本发明混合动力多旋翼无人机水冷却系统，工作方法具体步骤为：

水泵作为冷却循环动力做功带动冷却液流动，冷却液流经发动机气缸散热孔道以及电机定子散热孔道带走热量，冷却液升温；冷却液继续流动，流经旋翼支撑臂散热孔道，旋翼旋转时，带动空气垂直向下流动，流经旋翼支撑臂，冷却液降温；降温后的冷却液进入小水箱，然后进入发动机气缸散热孔道以及电机定子散热孔道，进行下一个循环。

实施例2

与实施例1不同的是，发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2串联连接，在液力回路中，发动机气缸冷却水套1位于电机定子散热孔道2下游，即电机定子散热孔道出水口与发动机气缸冷却水套进水口相连。旋翼支撑臂散热孔道3、水箱4、水泵5、电机定子散热孔道2、发动机气缸冷却水套1按照进出口依次串联，形成循环回路。

本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统冷却液的流向为：

电机定子散热孔道2出口，发动机气缸冷却水套1的入口201、出口202，旋翼支撑臂散热孔道3的入口301、出口302，小水箱4，水泵5，电机定子散热孔道2入口。

本发明混合动力多旋翼无人机水冷却系统，工作方法具体步骤为：

水泵作为冷却循环动力做功带动冷却液流动，冷却液流经电机定子散热孔道、发动机气缸冷却水套带走热量，冷却液升温；冷却液继续流动，流经旋翼支撑臂散热孔道，旋翼旋转时，带动空气垂直向下流动，流经旋翼支撑臂，冷却液降温；降温后的冷却液进入小水箱，然后进入电机定子散热孔道、发动机气缸冷却水套，进行下一个循环。

实施例3

与实施例1不同的是，水泵4出水口与旋翼支撑臂散热孔道3进水口之间设置发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2。发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2并联连接。

本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统冷却液的流向为：

并联设置的发动机气缸冷却水套1出口与电机定子散热孔道2的出口202，旋翼支撑臂散热孔道3的入口301、出口302，小水箱4，水泵5，并联设置的发动机气缸冷却水套1入口、电机定子散热孔道2的入口201。

本发明混合动力多旋翼无人机水冷却系统，工作方法具体步骤为：

水泵作为冷却循环动力做功带动冷却液流动，冷却液通过进水口歧管分成两路，一路流经电机定子散热孔道带走热量，一路流经发动机气缸冷却水套带走热量，冷却液升温；冷却液继续流动，流经旋翼支撑臂散热孔道时通过出水口歧管汇合，旋翼旋转时，带动空气垂直向下流动，流经旋翼支撑臂，冷却液降温；降温后的冷却液进入小水箱，继续经过进水口歧管分成两路，分别流经电机定子散热孔道、发动机气缸冷却水套，进行下一个循环。

实施例4

与实施例3不同的是，水泵4出水口与旋翼支撑臂散热孔道3进水口之间设置发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2。发动机气缸冷却水套1、电机定子散热孔道2并联连接。进水口歧管的两个管道上分别单独设置阀门。

当两个阀门都打开时，实施例4与实施例3相同。

当发动机气缸冷却水套1上的阀门打开，电机定子散热孔道2管路上的阀门关闭时，本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统冷却液的流向为：

发动机气缸冷却水套1出口，旋翼支撑臂散热孔道3的入口301、出口302，小水箱4，水泵5，发动机气缸冷却水套1入口。

本发明混合动力多旋翼无人机水冷却系统，工作方法具体步骤为：

水泵作为冷却循环动力做功带动冷却液流动，冷却液流经发动机气缸冷却水套带走热量，冷却液升温；冷却液继续流动，流经旋翼支撑臂散热孔道，旋翼旋转时，带动空气垂直向下流动，流经旋翼支撑臂，冷却液降温；降温后的冷却液进入小水箱，再由水泵泵出流经发动机气缸冷却水套，进行下一个循环。

当发动机气缸冷却水套1上的阀门关闭，电机定子散热孔道2管路上的阀门打开时，本发明轻质高效的混合动力多旋翼无人机水冷却系统冷却液的流向为：

电机定子散热孔道2出口，旋翼支撑臂散热孔道3的入口301、出口302，小水箱4，水泵5，电机定子散热孔道2入口。

本发明混合动力多旋翼无人机水冷却系统，工作方法具体步骤为：

水泵作为冷却循环动力做功带动冷却液流动，冷却液流经电机定子散热孔道带走热量，冷却液升温；冷却液继续流动，流经旋翼支撑臂散热孔道，旋翼旋转时，带动空气垂直向下流动，流经旋翼支撑臂，冷却液降温；降温后的冷却液进入小水箱，再由水泵泵出流经电机定子散热孔道，进行下一个循环。