[0001] 本申请属于无人驾驶航空器技术领域，具体涉及一种对传动轴主动加载轴向载荷的永磁装置。

[0002] 当前无人机的使用日益广泛，除常见的小微型航拍无人机外，还有农业无人机、货运无人机等大中型无人驾驶航空器，这些无人驾驶航空器最大起飞重量从几百克到几百千克甚至更高。民用无人驾驶航空器大多采用旋翼动力系统，电机驱动传动轴带动旋翼旋转，旋翼旋转产生的升力通过传动轴传递至传动部件，传动部件再把升力传递到固定传动部件的基座或无人驾驶航空器外壳，传动轴的轴向载荷几乎是无人驾驶航空器起飞时的全部荷载。并且，当无人驾驶航空器飞行姿态和任务发生改变时，无人驾驶航空器动力系统的运行功率和传动轴的轴向载荷也会随之变化。

[0003] 目前的无人驾驶航空器没有采用类似直升机的齿轮减速器的传动部件，因为齿轮减速器的结构复杂、重量大，约占直升机结构总重量的1/7‑1/9，显然这种装置不适合应用于无人驾驶航空器上。现有的无人驾驶航空器使用了传动轴和电机中的滚珠轴承作为全部的传动部件，传动轴不仅要将无人驾驶航空器动力系统的扭矩传递给旋翼，还起到受力构件的作用，传动轴把旋翼产生的全部作用力和力矩传递给滚珠轴承转子，通过滚珠轴承结构，滚珠轴承定子再把轴向载荷传递到无人驾驶航空器机体。在无人驾驶航空器飞行中，高速旋转的滚珠轴承在轴向载荷突发改变时易发生轴向过载，造成电机故障，导致无人驾驶航空器失去控制并坠毁。

[0004] 为解决上述的问题，就需要无人驾驶航空器传动部件在高速转动的同时还能主动平衡传动轴受到的轴向载荷。

[0032] 下列非限制性实施例用于说明本申请。

[0033] 在本公开中，除非另有说明，当零部件被称为“粘接”或“设置”在另一个零部件上，它可以直接或间接的在该另一个零部件上。当一个零部件被称为“连接”另一个零部件，它可以是直接或间接连接至该另一个零部件上。

[0034] 在本公开的描述中，需要理解的是，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是指相应零部件的本身轮廓的内和外；术语“上、下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，术语“高度、深度”所指尺寸或方向，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

[0035] 在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“固定”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；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

[0036] 实施例1

[0037] 参考图1～图4所示，一种对传动轴主动加载轴向载荷的永磁装置，包括主体组件、定子组件、转子组件和驱动组件。

[0038] 主体组件作为装置的安置基础，实现装置自身的安置，也实现对其他各组件的容纳、防护、固定及安装。主体组件内设有轴向移动的定子组件，定子永磁体轴向充磁，为转子组件提供轴向加载力，不同位置的定子组件对转子组件形成大小不同的轴向载荷。定子组件内设有沿轴线旋转的转子组件，转子永磁体轴向充磁并与定子永磁体的磁极相反，转子组件与无人机传动轴连接承受旋翼的轴向作用力，同时又承受定子组件作用的轴向加载力，定子组件的轴向加载力与传动轴受旋翼的轴向作用力在转子组件的转子轴上方向相反以相互抵消，形成动态平衡。主体组件上设有驱动组件，驱动组件作为定子组件的主动轴向移动作用件，以通过自动化调节定子组件的轴向位置。

[0039] 参考图1所示，定子组件包括承载架11、第一导磁环121、定子永磁体13、第二导磁环122、第一挡圈14、外螺纹15和外齿圈16。承载架11为环状结构，承载架11上设有朝下的凹陷部，凹陷部用于定子组件的导磁环及永磁体的安置。凹陷部的中心设有第一圆孔，以在定子组件轴向移动的时候，实现转子组件的通过。

[0040] 第一导磁环121固定在承载架11凹陷部的底部，第一导磁环121的外径与凹陷部的内径相同，第一导磁环121的内径小于第一圆孔的直径。定子永磁体13固定在第一导磁环121的下方，定子永磁体13的内径大于第一导磁环121的内径1mm。第二导磁环122固定在定子永磁体13的下方，第二导磁环122的内外径与第一导磁环121内外径相同。

[0041] 第一挡圈14卡箍在承载架11凹陷部内侧下方的圆环形沟槽内，对第二导磁环122进行卡设限位，从而限制第二导磁环122、定子永磁体13及第一导磁环121的轴向位移，将定子组件连接为一个整体。

[0042] 承载架11的下方设有定子永磁体13，利用承载架11形成对定子永磁体13的下压作用。定子永磁体13为轴向充磁，上方为S极、下方为N极，第一导磁环121受定子永磁体13磁化，在导磁环内径边缘呈现S磁极，第二导磁环122受定子永磁体13磁化，在导磁环内径边缘呈现N磁极。

[0043] 定子永磁体13为稀土永磁材料，第一及第二导磁环为软磁材料，软磁材料制作的导磁环相较于直接使用永磁体，加工和安装精度更高、强度更大、受力更好，这样利用导磁环的材质特性，提高定子组件的加工与安装的精密度。

[0044] 转子组件包括转子轴21、第三导磁环222、转子永磁体23、第四导磁环221和第二挡圈24。转子轴21为中心贯通的柱状结构，转子轴21上设有圆环状的突出部，突出部及转子轴21的外周实现转子组件的永磁体及导磁环的安置。转子轴21能够与无人机动力系统的传动轴连接，以实现共同受力、同步旋转。

[0045] 第三导磁环222固定在突出部的上方，第三导磁环222的内径与突出部的内径(转子轴的外径)相同，第三导磁环222的外径大于突出部的外径。转子永磁体23固定在第三导磁环222的上方，转子永磁体23的内径与突出部的内径(转子轴的外径)相同，转子永磁体23的外径小于第三导磁环222的外径1mm。第四导磁环221固定在转子永磁体23的上方，第四导磁环221的内外径与第三导磁环222内外径相同。

[0046] 转子轴21的上方设有转子永磁体23，利用转子永磁体23形成对转子轴21的下压作用。转子永磁体23为轴向充磁，上方为N极、下方为S极，第三导磁环222受转子永磁体23磁化，在导磁环外径边缘呈现S磁极，第四导磁环221受转子永磁体23磁化，在导磁环外径边缘呈现N磁极。

[0047] 转子永磁体23为稀土永磁材料，第三及第四导磁环为软磁材料，这样利用导磁环的材质特性，提高转子组件的加工与安装的精密度，有利于保持转子组件与定子组件径向的气隙间距。

[0048] 第二挡圈24卡箍在转子轴21上方圆环形沟槽内，对第四导磁环221进行卡设限位，限制第四导磁环221、转子永磁体23及第三导磁环222的轴向位移。使转子组件连接为一个整体。

[0049] 定子永磁体13的轴向投影位于转子永磁体23轴向投影的外侧，同样的第一及第二导磁环的轴向投影也要位于第三及第四导磁环的轴向投影的外侧，则在定子组件轴向移动的时候，在两者之间有径向气隙，避免相互干涉。优选定子永磁体和转子永磁体在垂直于轴的方向水平时，导磁环之间径向气隙0.5mm。

[0050] 主体组件包括主体底座31、主体端盖32和内螺纹33。主体底座31固定在动力系统机体上或外壳上。主体底座31底部中央有凹沉部，凹沉部中心有第二圆孔，以供转子轴21穿过。主体端盖32固定于主体底座31上，为便于安装拆卸，主体端盖32固定方式可以用螺丝固定，亦可以螺纹固定，主体端盖32中心有第三圆孔，以供转子轴21穿过。主体底座31与主体端盖32之间形成容纳各组件的圆筒形空腔。承载架11、转子轴21、主体底座31、主体端盖32均为无磁材料，避免影响永磁体的磁场。

[0051] 参考图1和图2所示，主体底座31上设有朝上的凹沉部，凹沉部的内壁设有内螺纹33，螺纹深度与定子组件轴向移动距离相符合。承载架11的外壁下方设有外螺纹15，外螺纹
15与内螺纹33互相旋合，通过内外螺纹旋合，旋转承载架11实现其定子组件轴向位置的调整，同时承载架11受到的轴向磁力通过螺纹副传递给主体底座31。

[0052] 参考图1和图3所示，驱动组件包括电机41和齿轮42。电机41固定在主体组件的主体端盖32上，电机41可以用焊接或安装支架等方法固定，主体端盖32有容许输出轴穿过的小孔。电机41的输出轴伸入主体组件内并其上设有齿轮42，输出轴长度符合承载架11轴向移动距离要求，承载架11外壁上方的外齿圈16与齿轮42啮合。

[0053] 承载架的外螺纹15突出于外齿圈16的齿面外缘，外齿圈16的齿面外缘与内螺纹33的螺纹外缘有1mm以上间隙，防止影响定子组件轴向移动。电机41扭矩可按公式计算：T＝kdF/r；其中：T为电机扭矩，单位：牛米；k为扭矩系数(与螺纹间摩擦力和螺距相关)；d为承载架外螺纹直径，单位：米；F为承载架旋转对转子永磁体产生的最大轴向作用力，单位：牛；r为齿圈与齿轮的齿比。

[0054] 电机41受航空器动力系统控制器信号控制并执行其指令：正反转、转速、转数、锁停。电机41驱动齿轮42带动承载架11的外齿圈16旋转，相互旋合的承载架11的外螺纹15和主体底座31的内螺纹33致使定子组件发生轴向移动。

[0055] 参考图4所示，承载架11轴向向下移动后，第三导磁环222(S磁极)受到第二导磁环122(N磁极)轴向向下的吸力F1a，第四导磁环221(N磁极)受到第一导磁环121(S磁极)轴向向下的吸力F1b，第三导磁环222(S磁极)还受到第一导磁环121(S磁极)轴向向下的斥力F1c，转子组件受到轴向向下的推力合力F1＝F1a+F1b+F1c，航空器动力系统传动轴上的轴向升力F2向上，调节F1与方向相反的F2大小相等，同时调节电机41的转速变化速率与转子组件的轴向载荷变化速率相同，就实现了控制转子转动时轴向载荷动态平衡。

[0056] 实施例2

[0057] 一种对传动轴主动加载轴向载荷的永磁装置，在一些可选的实施例中，定子永磁体13和转子永磁体23的高度相同，定子永磁体13轴向移动与转子永磁体23形成的轴向高差范围为0至定子永磁体高度的2/3。其他同实施例1。

[0058] 参考图5所示，永磁体(转子及定子)轴向高度30mm，永磁体(转子及定子)总质量7135g，定子永磁体13轴向位移距离在单个永磁体轴向高度的2/3以内调节，可以看出，定子永磁体13轴向位移19.9mm时，转子永磁体23轴向受到的最大磁力为3483N，永磁体推重比49∶1。改变定子组件的轴向移动位置，就能够实现轴向加载力从零至最大之间的调节。

[0059] 实施例3

[0060] 一种对传动轴主动加载轴向载荷的永磁装置，本申请另一示例性实施例，参考图6所示，包括主体组件、定子组件和转子组件，和实施例1示出的基本技术原理一致，不同之处在于，本实施例所示的主体端盖32与承载架11为一体结构，承载架11作为定子组件的手动轴向移动作用件，没有驱动组件40，结构更加简洁。

[0061] 参考图7所示，在动力系统运行前预加载，手动旋转承载架11至预定位置并锁停，锁停可采用止动销等方法。承载架11轴向发生移动，转子永磁体23受轴向移动后的定子永磁体13磁场作用力，对转子产生与承载架11移动方向相同的轴向作用力。在动力系统关闭后，打开锁停机构，手动旋转承载架11至定子永磁体13与转子永磁体23垂直于轴的方向水平。本实施例的立体剖视图请参考图8所示。

[0062] 实施例4

[0063] 一种对传动轴主动加载轴向载荷的永磁装置，在一些可选的实施例中，定子永磁体13和转子永磁体23的高度相同，定子永磁体13轴向移动与转子永磁体23形成的轴向高差范围为0至定子永磁体高度的2/3。其他同实施例3。

[0064] 参考图9所示，永磁体(转子及定子)轴向高度10mm，永磁体(转子及定子)总质量263g，定子永磁体13轴向位移距离在单个永磁体轴向高度的2/3以内调节，定子永磁体13轴向位移至6.6mm时，转子永磁体23轴向受到的最大磁力为371N，永磁体推重比143∶1。改变定子组件的轴向移动位置，能够实现轴向加载力从零至最大之间的调节。

[0065] 前述本申请基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本申请可采用并要求保护的实施例。本申请方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

[0066] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。