多旋翼无人机技术基础 第4章

多旋翼无人机动力装置多旋翼无人机动力装置主要内容(1)多旋翼无人机动力装置的基本概念。(2)无刷直流电机、有刷直流电机、空心杯电机的基本结构和特性。(3)航空活塞式发动机的基本结构和工作原理。(4)涡轮轴发动机的基本结构和工作原理。(5)燃油系统、滑油系统、传动系统的基本结构和工作原理。多旋翼无人机动力装置4.1多旋翼无人机动力装置的基本概念多旋翼无人机升空飞行的首要条件是动力，有了动力才能驱动旋粪旋转，才能产生克服重力所必需的升力。使旋翼产生升力，进而推动多旋翼无人机升空飞行的一套设备装置称为动力装置，包括多旋翼无人机的发动机以及保证发动机正常工作所必需的附属系统和附件。多旋翼无人机动力装置4.1.1多旋翼无人机发动机的分类、功用和要求1.多旋翼无人机发动机的分类发动机是能够把其他形式的能转化为机械能，进而产生拉力或推力的机器，是多旋翼无人机动力装置的核心，被视为多旋粪无人机的心脏。发动机特性的优劣对多旋翼无人机的各种使用性能都有很大影响，在多旋翼无人机设计过程中，首先会碰到选用哪种发动机能最有效地满足其技术要求的问题，要对发动机的性能和特点有深人的了解，以正确选择发动机，并达到与多旋翼无人机飞行性能的最佳匹配。多旋翼无人机动力装置2.发动机的功用与要求(1)功率重量比大。构成多旋翼无人机的任何部件，都应在满足使用要求的前提下,尽量减轻其重量。对发动机来说，就是要保证其有足够大的功率而自身重量又很轻.(2)耗能小。发动机是否省电或省油，是其重要的经济指标。评定发动机的经济性,常用“耗电(油)率”作标准。耗电(油)率是指单位功率(1牛顿或1马力)在1小时内所耗电的度数或油料的重量。多旋翼无人机动力装置(3)体积小。发动机应在保证功率不减小的前提下，力求体积较小，以减小空气阻力。(4)工作安全可靠、寿命长。多旋翼无人机在空中飞行的安全，是由各组战部分可靠工作来保证的。要维持飞行，发动机就必须始终处于可靠状态。发动机的寿命长，可降低使用成本，节约原材料。(5)维护方便。日常维护方便可提高维护质量，确保发动机随时处于安全可靠状态。多旋翼无人机动力装置4.1.2多旋翼无人机动力装置的组成组成多旋翼无人机动力装置的主要部件或系统取决于所采用发动机的类型。1.直流电动机及其附件和系统为多旋翼无人机提供动力的电动机类型主要有无刷直流电机和空心杯有刷直流电机两种。多旋翼无人机动力装置1)无刷直流电机系统多旋翼无人机采用无刷直流电机作为发动机，其动力装置由5部分构成。(1)无刷直流电机:无刷直流电机属于外转子电机，没有电刷。(2)电调:电调全称为电子调速器(ESC),主要作用是控制电机的转速。(3)电池:电池用来给电机供电，多旋翼无人机常用的电池有聚合物锂电池.燃料电他等多旋翼无人机动力装置(4)平衡充电器由于多旋翼无人机电池的电流极大，其专用电池必须要用平衡充电器进行充电。(5)传动系统;微型多旋翼无人机载重小，一般将旋翼叶片直接安装在电动机的转轴上，不另外加装传动齿轮。多旋翼无人机动力装置2)空心杯有刷直流电机系统微型多旋翼无人机采用空心杯电动机(伺服微特电机)，彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，使电动机的运转特性得到了极大改善。其动力装置包括以下几个。(1)空心杯有刷直流电机:空心杯有刷直流电机转子，无铁芯。(2)MOS管:用作驱动电路。(3)电池:锂电池,用来给电机供电。(4)平衡充电器:专用电池必须要用平衡充电器充电。多旋翼无人机动力装置2.燃油发动机及其附件和系统(1)发动机。航空发动机将燃油的化学能转换为机械能，然后带动旋翼旋转产生升力。(2)燃油系统。用于存储和向航空发动机的油泵供给燃油，保证发动机正常工作。多旋翼无人机动力装置(3)滑油系统。滑油系统由带过滤装置的滑油箱、导管和空气滑油散热器组成，其功用是向发动机供给需要的滑油，并进行过滤和散热.保证定量的滑油循环使用。(4)传动系统。燃油发动机所提供的动力要经过传动系统才能到达旋翼主轴，传动系统性能的好坏将直接影响多旋翼无人机的性能和可靠性。多旋翼无人机动力装置4.2直流电动机直流电动机是目前多旋翼无人机使用最多、应用最广的动力装置。电动多旋冀无人机以其结构简单、飞行平稳、操作容易、维护便利、无油残留污染等优点，越来越受到大家的关注和重视。多旋翼无人机动力装置4.2.1直流电动机的基本概念1.直流电动机的定义和类型闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。如果从轴上输人机械功率，电机作为发电机运行，向外输出真流电能。如果从电刷上输人电功率，电机即作为电动机运行向外输出机械功率。这种同台电机在不同的外界条件下作发电机或电动机运行的原理.称为电机的可逆性原理。多旋翼无人机动力装置(2)并励直流电机:并励直流电机的励磁绕组与转子铁芯一电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本身转子线圈电枢转轴转子磁极发出来的端电压为励磁绕组供电;作为并励电动机来电刷磁极一说，励磁绕组与电枢共用同-一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。多旋翼无人机动力装置(3)串励直流电机:串励直流电机的励磁绕组与电枢串联后，再接于直流电源。这种直流电机的励磁电刷弹簧电流就是电枢电流。(4)复励直流电机:复励直流电机有并励和串励图4-2他励直流电机接线示意图两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同则称为积复励;若两个磁通势方向相反，则称为差复励。多旋翼无人机动力装置2.直流电动机的基本结构和特性(1)直流电动机的基本构造分为三部分:定了、转子和气隙。①定子:定子是电机的静止部分，用来产生磁场，包括主磁极、换向极、电刷装置、机座等。②转子:转了是电机的转动部分，转子的主要作用是感应电动势，产生电磁转矩.使机械能变为电能(发电机)或使电能变为机械能(电动机)。它主要包括电枢、换向器、转轴等。③气隙:在小容量电机中，气隙为0.5~3mm。气隙大小对电机运行性能有很大影响。多旋翼无人机动力装置(2)直流电动机的特性如下。①调速性能好:所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要人为地改变电动机的转速。古流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。②启动力矩大:直流电动机启动力矩大，且在重负载下可以均匀面经济地实现转速调节。多旋翼无人机动力装置4.2.2无刷直流电机1.无刷直流电机的基本结构无刷直流电机是多旋翼无人机使用最多的动力来源，由电动机主体和电子调速器(电调)两部分组成，是一种典型的机电体化产品，如图4.3所示。无刷电机的基本结构与有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反。有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢。多旋翼无人机动力装置2.无刷直流电机的工作原理无刷直流电机依靠改变输人到定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了。电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输人电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输人的是直流电，电流需要电子调速器将其变成三相交流电，控制电机的转速,以满足使用需要。多旋翼无人机动力装置3.无刷直流电机的KV值无刷直流电机的KV值定义为“转速N”，表示输人电压增加1伏特，无刷直流电机空转转速增加的转速值。从这个定义来看.无刷直流电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。多旋翼无人机动力装置1)KV值与绕线匝数的关系无刷电机的意义不只是说明电机转速与电压成严格的线性比例关系，还对电机的性能有一个开阔性的表示。无刷电机的空转极速是Kv值乘以输人的电压，因而内转子电机的转速高于外转子无刷电机。多旋翼无人机动力装置1)KV值与绕线匝数的关系无刷电机的意义不只是说明电机转速与电压成严格的线性比例关系，还对电机的性能有一个开阔性的表示。无刷电机的空转极速是Kv值乘以输人的电压，因而内转子电机的转速高于外转子无刷电机。(1)绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大;(2)绕线匝数少的，KV值高最高输出电流大,但扭力小。多旋翼无人机动力装置2)在低电压环境下单从KV值不可以评价电机的好坏因为不同的KV值有不同的适用场合，无刷直流电机的电压范围很宽。在低电压环境(例如7.4V)下.KV值对输出功率的影响有:(1)KV值低的，由于转速偏低适合配较小的减速比和较大的螺旋桨，可输出较大功率;(2)KV值高的，由于转速较高，适合配较大的减速比和较小的螺旋桨，在满足输出功率的条件下，要减小负荷.避免电流过大。多旋翼无人机动力装置3)在高电压环境下在高电压环境(例如11.1V)下,KV值对输出功率的影响如下。(1)KV值低的，在这个电压环境下可以达到较高的转速，扭力比较大;需要配合较大的减速比和较小的螺旋浆，在满足输出功率的条件下，要减小负荷，避免电流过大。(2)KV值高的，在该环境中转速过高，为避免电流过大，要尽量减少负荷;利用其高转速，用涵道风扇发动机很适合。多旋翼无人机动力装置4.无刷直流电机的指标参数(1)标称空载电流和电压:在空载试验时，对电动机施加标称空载电压(通常为10V)，使其不带任何负载空转，定f三相绕组中通过的电流，称为标称空载电流。(2)最大瞬时电流和最大持续电流:电机能承受的瞬时通过的最大电流;电机能允许持续工作而不烧坏的最大电流。(3)内阻:电机电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机电流很大，有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可忽略。多旋翼无人机动力装置4.2.3有刷直流电机1.有刷直流电机的基本结构有刷直流电机是内含电刷装置的、将电能转换成机械能(电动机)或将机械能转换成电能(发电机)的旋转电机(如图4-4所示)。2.有刷直流电机的工作原理有刷直流电机工作时,线團和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。多旋翼无人机动力装置4.2.4空心杯电机1.空心杯电机的基本结构空心杯电动机属于直流、永磁、伺服微特电机，与普通电机的主要区别是采用无铁芯转子，也叫空心杯型转子。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向之一。多旋翼无人机动力装置2.空心杯电机的主要特性空心杯电动机具有十分突出的节能、控制和拖动特性，主要包括以下几个方面。(1)节能特性:能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上(有铁芯电动机--般在20%~50%)。(2)控制特性:启动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28ms，部分产品可以达到10ms以内(有铁芯电动机般在100ms以上);在推荐运行区高速运转状态下，可对转速进行灵敏的调节。多旋翼无人机动力装置(3)拖动特性:运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微电机,其转速波动能够控制在2%以内。(4)能量密度特性:空心杯电机的能量衛度大幅度提高，与同等功率的有铁芯电动机相比，其重量、体积减轻了1/3~1/2.多旋翼无人机动力装置3.空心杯电机在微型多旋翼无人机上的应用由于空心杯电动机克服了有铁芯电动机不可逾越的技术障碍，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能方面，使其具备了广阔的应用领域。尤其是随着工业技术的飞速发展，对电动机的伺服特性不断提出更高的期望和要求，使空心杯电动机在很多应用场合拥有不可替代的地位。多旋翼无人机动力装置4.3航空活塞式发动机由于电动型多旋党无人机采用变速改变旋翼升力大小的方法限制了旋翼直径不能太大，其续航能力和载重能力都受到很大的限制，所以大中型多旋翼无人机都要采用燃油发动机作为动力装置。油动型多旋翼无人机的旋翼直径基本不受限制，具有载重大航程远、缕航时间长等优点。多旋翼无人机动力装置4.3.1航空活塞式发动机的类型和结构活塞式发动机是最早的航空发动机，也是多旋翼无人机目前使用最广泛的动力装置之一，其技术已经非常成熟，航空活塞式发动机分为往复活塞式和旋转活塞式两大类，它们都是依靠