旋翼机
阅读：836发布：2020-05-16
专利汇可以提供旋翼机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 旋翼机 包括 机身 与多个旋翼部。机身具有前端部、后端部与侧边的两端部以及通过前端部、后端部与侧边的两端部的参考平面。这些旋翼部设置于机身，其中各个旋翼部包括至少一旋叶以及连接至少一旋叶的 转轴 ，而旋叶沿着其所连接的转轴的轴心方向旋转。各个转轴的轴心方向与参考平面的法线方向之间的夹 角 介于5度至30度。旋翼机可增加额外的升 力 ，以帮助减轻旋翼机的负重。，下面是旋翼机专利的具体信息内容。
1.一种旋翼机，其特征在于，所述旋翼机包括机身以及多个旋翼部，其中：
所述机身具有前端部、后端部与侧边的两端部以及通过所述前端部、所述后端部与所述侧边的两端部的参考平面；以及
所述多个旋翼部设置于所述机身，其中所述旋翼部包括至少一旋叶以及连接所述至少一旋叶的转轴，而所述至少一旋叶沿着其所连接的所述转轴的轴心方向旋转；
其中所述转轴的所述轴心方向与所述参考平面的法线方向之间的夹角介于5度至30度之间。
2.如权利要求1所述的旋翼机，其特征在于，所述多个旋翼部围绕所述机身。
3.如权利要求1所述的旋翼机，其特征在于，所述多个旋翼部的所述至少一旋叶皆位于共平面，而所述共平面与所述参考平面不平行。
4.如权利要求3所述的旋翼机，其特征在于，所述机身还具有位于所述前端部与所述后端部之间的顶面，而位于所述共平面的所述至少一旋叶皆邻近于所述顶面。
5.如权利要求3所述的旋翼机，其特征在于，位于所述共平面的所述至少一旋叶分别邻近于所述前端部与所述后端部。
6.如权利要求3所述的旋翼机，其特征在于，所述共平面与所述参考平面之间的夹角介于5度至20度之间。
7.如权利要求1所述的旋翼机，其特征在于，各所述旋翼部包括两旋叶，而所述两旋叶设置于同一所述旋翼部，这些所述旋叶分别连接于所述转轴的两端。
旋翼机
技术领域
背景技术
[0002] 无人机(drone)是现有新兴的飞行器，而目前的无人机大多具有轻盈的负重(weight)，以维持一定的滞飞时间(hovering time)。例如，市面上常见的无人机，例如四轴飞行器(quadcopter)，如何进一步地提升无人机的滞飞时间，是许多人有兴趣想探讨的课题。
[0003] 本“背景技术”部分只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”中所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。此外，在“背景技术”中所揭露的内容并不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
[0004] 本发明提供一种旋翼机，能增加额外的升力(lift force)，以帮助减轻旋翼机的负重。
[0005] 本发明的优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
[0006] 本发明所提供的旋翼机包括机身(body)与多个旋翼部(rotary-wing part)。机身具有前端部、后端部与侧边的两端部以及通过前端部与后端部与侧边的两端部的参考平面(reference plane)。这些旋翼部设置于机身，其中各个旋翼部包括至少一旋叶(blade)与转轴(shaft)，而转轴连接旋叶。旋叶沿着其所连接的转轴的轴心方向(axis)旋转。各个转轴的轴心方向与参考平面的法线方向之间的夹角介于5度至30度。
[0007] 基于上述，由于各个转轴的轴心方向与参考平面的法线方向之间的夹角介于5度至30度，因此当本发明的旋翼机往前飞行时，可形成正攻角(Positive Angle Of Attack，Positive AOA)，以使机身的底面能成为空气流(air stream)的迎风面，进而产生额外的升力来减轻旋翼机的负重。
附图说明
[0009] 图1A是本发明一实施例的旋翼机的侧视示意图。
[0010] 图1B是空气流施力于图1A中的旋翼机而绘制的力图(force diagram)示意图。
[0011] 图1C是图1A中的旋翼机的升力与阻力的力图示意图。
[0012] 图2A是美国国家航空咨询委员会(National Advisory Committee for Aeronautics，NACA)编号NACA66-018翼型(airfoil)示意图。
[0013] 图2B是图2A中的翼型的升力系数(Lift Coefficient)对应攻角(AOA)而变化的示意图。
[0014] 图3是根据本发明一实施例的旋翼机的滞飞时间对应负重(weight)而变化的示意图。
具体实施方式
[0015] 有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0016] 图1A是本发明一实施例的旋翼机的侧视示意图。请参阅图1A，旋翼机100包括机身110以及多个旋翼部120，其中这些旋翼部120设置于机身110，并可围绕机身110。各个旋翼部120包括至少一片旋叶121以及转轴122，而同一个旋翼部120的转轴122连接(轴接)旋叶
121，其中旋叶121会沿着其所连接的转轴122的轴心方向122a而旋转。在本实施例中，旋叶
121中心具有开口，用于固定且连接转轴122。当这些旋翼部120的旋叶121旋转时，这些旋叶
121能产生升力，以使旋翼机100能飞离地面。在图1A所示的实施例中，旋翼机100可为四轴飞行器，并包括四个旋翼部120，其中各个旋翼部120包括两个旋叶121。具体而言，两个旋叶
121设置于同一个旋翼部120，且这些旋叶121分别连接于转轴122的两端，如图1A所示。不过，在其他实施例中，至少一个旋翼部120所包括的旋叶121的数量可以仅为一个，不限定本发明。此外，在其他实施例中，这些旋翼部120最少具有两个旋翼部120。
121，其中旋叶121会沿着其所连接的转轴122的轴心方向122a而旋转。在本实施例中，旋叶
121中心具有开口，用于固定且连接转轴122。当这些旋翼部120的旋叶121旋转时，这些旋叶
121能产生升力，以使旋翼机100能飞离地面。在图1A所示的实施例中，旋翼机100可为四轴飞行器，并包括四个旋翼部120，其中各个旋翼部120包括两个旋叶121。具体而言，两个旋叶
121设置于同一个旋翼部120，且这些旋叶121分别连接于转轴122的两端，如图1A所示。不过，在其他实施例中，至少一个旋翼部120所包括的旋叶121的数量可以仅为一个，不限定本发明。此外，在其他实施例中，这些旋翼部120最少具有两个旋翼部120。
[0017] 参考图1A，在本实施例中，机身110具有前端部111、后端部112、顶面114t、底面114b以及侧边的两端部包括左端部(未绘示)与右端部(未标示)。前端部111与后端部112彼此相对，而顶面114t与底面114b彼此相对，侧边的两端部彼此相对，其中顶面114t与底面
114b皆位于前端部111与后端部112之间。机身110还具有参考平面113，而参考平面113定义为通过前端部111与后端部112以及侧边的两端部，并且位于顶面114t与底面114b之间。参考平面113为虚设平面(virtual plane)，并通过机身110的最前端与最后端以及侧边的两端部，其中最前端可为前端部111的前缘(leading edge)，而最后端可为后端部112的后缘(trailing edge)。机身110的最大长度基本上等于最前端与最后端之间的距离。机身110的中心轴(未显示)也会通过最前端与最后端，而侧边的端部沿机身110的中心轴对称设置；因此机身110的中心轴与参考平面113共平面。参考平面113也会通过机身110的左端部(未绘示)与右端部(未标示)，其中右端部与左端部会以机身110的中心轴作为对称轴而彼此对称。此外，各旋翼部120的转轴122朝向前端部111倾斜。从图1A来看，同一个转轴122中的转轴122，其上端比下端靠近前端部111。
114b皆位于前端部111与后端部112之间。机身110还具有参考平面113，而参考平面113定义为通过前端部111与后端部112以及侧边的两端部，并且位于顶面114t与底面114b之间。参考平面113为虚设平面(virtual plane)，并通过机身110的最前端与最后端以及侧边的两端部，其中最前端可为前端部111的前缘(leading edge)，而最后端可为后端部112的后缘(trailing edge)。机身110的最大长度基本上等于最前端与最后端之间的距离。机身110的中心轴(未显示)也会通过最前端与最后端，而侧边的端部沿机身110的中心轴对称设置；因此机身110的中心轴与参考平面113共平面。参考平面113也会通过机身110的左端部(未绘示)与右端部(未标示)，其中右端部与左端部会以机身110的中心轴作为对称轴而彼此对称。此外，各旋翼部120的转轴122朝向前端部111倾斜。从图1A来看，同一个转轴122中的转轴122，其上端比下端靠近前端部111。
[0018] 在本实施例中，旋翼机100的参考平面113的法线方向113n与重力方向G1之间的夹角G11可约为5至20度，而转轴122的轴心方向122a与重力方向G1之间的夹角G12可约为0至10度。在其他实施例中，轴心方向122a可与重力方向G1平行。因此，这些转轴122的轴心方向
122a不平行于参考平面113的法线方向113n，并与法线方向113n交错。以图1A为例，各个转轴122的轴心方向122a与法线方向113n之间的夹角A1大小会等于夹角G11与夹角G12两者相加的角度值，因此夹角A1约介于5度至30度。
122a不平行于参考平面113的法线方向113n，并与法线方向113n交错。以图1A为例，各个转轴122的轴心方向122a与法线方向113n之间的夹角A1大小会等于夹角G11与夹角G12两者相加的角度值，因此夹角A1约介于5度至30度。
[0019] 这些旋翼部120的至少一旋叶121会位于共平面P12，其中轴心方向122a与共平面P12垂直。以图1A为例，邻近机身110顶面114t的多个旋叶121(即图1A中位于上方的旋叶121)会位于一面共平面P12，而邻近机身110底面114b的其他旋叶121(即图1A中位于下方的旋叶121)会位于另一面共平面P12。也就是说，连接转轴122同一端的这些旋叶121位于一面共平面P12，而连接转轴122另一端的这些旋叶121位于另一面共平面P12。这两面共平面P12彼此平行，而位于同一共平面P12的这些旋叶分别邻近于前端部111与后端部112。此外，这些共平面P12皆为虚设平面，并且与参考平面113不平行。例如，各面共平面P12与参考平面
113之间的夹角A2可介于5至20度之间。
113之间的夹角A2可介于5至20度之间。
[0020] 图1B是空气流施力于图1A中的旋翼机而绘制的力图示意图。请参阅图1A与图1B，由于轴心方向122a与参考平面113的法线方向113n之间的夹角A1约介于5度至30度，且各转轴122皆朝向前端部111倾斜，因此往前飞行的旋翼机100可产生介于5至20度的攻角AA1，其为正攻角，而在图1A所示的实施例中，攻角AA1基本上相等于参考平面113与水平面H1之间的夹角。如此，沿着水平面H1流动的空气流AF1会吹向机身110底面114b，并对底面114b施于外力F1。外力F1可沿着平行及垂直参考平面113的方向分别分成两个分力F11与F12，其中分力F12的方向是沿着垂直于参考平面113的方向，用于产生机身110的升力。其中水平面H1的法线方向垂直于空气流AF1的方向。
[0021] 图1C是图1A中的旋翼机的升力与阻力的力图示意图。请参阅图1C，由空气流AF1所产生的分力F12可沿着垂直方向(相同于重力方向G1)与水平方向(与水平面H1平行)分别再分成升力L12与阻力(drag force)D12，其中升力L12的方向是向上，即与重力方向G1相反(请参考图1A)。因此，这由空气流AF1所产生的额外升力L12能帮助减轻旋翼机100的负重，以减少这些旋翼部120的负担，进而有助于延长滞飞时间。
[0022] 图2A是美国国家航空咨询委员会(NACA)编号NACA66-018翼型示意图，而图2B是图2A中的翼型的升力系数对应攻角而变化的示意图。
[0024] F＝0.5CρV2A…………………………………………………(1)
[0025] 其中F为升力，其单位为牛顿(N)。ρ为空气密度，其单位为千克/立方米(kg/m3)。V为旋翼机100飞行时，空气流AF1相对于旋翼机100的速度，而V的单位为米/秒(m/s)。A为受风面面积(frontalarea)，其单位为平方米(m2)。C为升力系数，其会随着攻角的改变而变化，如图2B所示。从图2B来看，当攻角为+5度时，C等于0.5。当攻角为+10度时，C等于1。反之，当攻角为-5度时，C等于0.88。当攻角为-10度时，C等于-1。
[0026] 公式(1)满足以下表(一)所列的数值。
[0027] 表(一)
[0028]
[0029] 由此可知，当旋翼机100的机身110采用与翼型20相同或相似的外型时，+5度的攻角AA1能产生额外的0.72N升力，其相当于73克重力(gram-force)，而-5度的攻角AA1能产生额外的1.27N负升力(negative lift)其相当于130克重力；+10度的攻角AA1能产生额外的1.44N升力，其相当于147克重力，而-10度的攻角AA1能产生额外的1.44N负升力，其相当于
147克重力。
147克重力。
[0030] 图3是根据本发明一实施例的旋翼机的滞飞时间对应负重而变化的示意图，其中图3所揭示的数值是依据本发明的一实施例的飞行而测得，而图3中的横轴所示的负重为无人机所量测到的重量。现有无人机在飞行时都会产生负攻角，所以图3的纵轴所示的滞飞时间不仅受到负重的影响，而且也受到负攻角所产生的负升力影响。换句话说，图3所示的滞飞时间其实是现有无人机受上述负升力影响之后的结果。
[0031] 请参阅图3，当旋翼机100的负重为6000公克(克)时，每减少5％的重量(相当于300公克)，大约可以增加约10％的滞飞时间。在假设现有无人机与旋翼机100皆具备与翼型20相同或相似外型的前提下，攻角AA1为+5度的旋翼机100比攻角为-5度的现有无人机多出203(73+130)克重力的正升力(positive lift)，以使旋翼机100比现有无人机多出6％的滞飞时间；而攻角AA1为+10度的旋翼机100比攻角为-10度的现有无人机多出294(147+147)克重力的正升力，以使旋翼机100比现有无人机多出10％的滞飞时间。
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