電動無人機的動力系統構成

摘 要目前市面上見到的無人機動力系統主要是活塞發動機系統及電力動力系統兩類，而電力動力系統由于其能量密度大、體積小、重量輕、易于維護等特點，占到了民用無人機的絕大多數，本文就對電動無人機的動力系統構成方面進行了比較詳細的介紹。

【關鍵詞】無人機 動力系統 動力電源 調速

目前大型、小型、輕型無人機廣泛采用的動力裝置為活塞發動機系統。而出于成本和使用方便的考慮，微型無人機中普遍使用的是電力動力系統。電力動力系統主要由動力電源、動力電機、速調系統三部分組成。

1 動力電源

動力電源主要為動力電機的運轉提供電能。通常采用化學電池來作為電動無人機的動力電源，主要包括鎳氫電池、鎳鉻電池、鋰聚合物、鋰離子動力電池。其中，前兩種電池因重量重，能量密度低，現已基本上被鋰聚合物動力電池取代。動力電池不同于普通意義上的電池，具有能量密度大、質量輕等特點。對于電池來說，有很多標稱來標識電池的性能，而最為關鍵的參數就是電壓值、儲能容量以及放電能力。

1.1 電池的電壓值

動力電源的電壓值是用伏特（V）來進行標識的。比如說：高壓版鋰聚合物電池的標稱電壓是3.7V，當充滿電后，電壓可達4.35V，最低放電電壓為3.5V。鎳氫電池標稱電壓是1.2V，當充滿電后，電壓可達1.5V，最低放電電壓為1.1V。

1.2 儲能容量

動力電源的儲能容量是用毫安時（mAh）來標識的，表示的含義為電池以某恒定電流進行放電時，能放電1小時，如鋰聚合物電池標識（15C、20000mAh、14.8V）。

1.3 放電能力

動力電源的放電能力是以放電倍率（C）來標識的，表示的含義為按照電源的標識的儲能容量，最大能夠達到的放電電流數。比如說：動力電源標識為2200MA，20C， 則該電源最大的持續電流計算如下：容量X放電C數=2.2X20=44A。如果該電源長時間超過44安進行工作，會極大影響電池壽命。對于我們常用的鋰聚合物動力電池，充滿電后，單片電池的電壓以4.15～4.20合適，使用后的單片最低電壓為3.5V以上，如果需要長期保存，單片電壓最好為3.85V，一定要注意，過放和長期滿電保存電池對于電池來說具有很大的傷害。

2 動力電機

微型無人機使用的動力電機可以分為兩類：有刷電動機和無刷電動機。其中有刷電動機由于效率較低，在無人機領域已逐漸不再使用。電動機的型號主要以尺寸為依據。比如無刷電機2814，這個標識指的是，電機不包括軸電子線圈的長度是14mm，電機定子線圈的直徑是28mm。當有時有一些標識并不是指的尺寸，而是說屬于哪個級別。動力電機的技術指標很多，與無人機動力特征最相關的兩個是轉速和功率。電機轉速常采用kV進行標識，kV的含義是每升高1伏特電機增加的轉速。比如說， 電機標識kV1400，當使用12.6V的電池時，轉速可以達到1400×12=17640.，也就是每分鐘17640轉。

3 調速系統

動力電機的調速系統成為電調，全程為電子調速器，簡稱ESC。針對動力電機不同，可分為有刷電調和無刷電調。它根據飛行控制器發出的PWM信號控制動力電機的轉速。

動力電源、電調、動力電機的鏈接情況一般如下：

（1）動力電源鏈接電調的電源輸入線；

（2）飛行控制器的控制信號線與電調的信號線連接；

（3）電調的動力輸出線與動力電機進行連接。

請注意，電調一般配有電源輸出線（BWC），一般都會在信號線上，電壓大概5V，通常用來給飛行控制器、遙控接收機或者是舵機供電。

4 螺旋槳

螺旋槳的工作原理就是槳葉進行高速旋轉，大量的空氣會不斷的向后推，這樣就會在槳葉上產生反向作用力，這就是無人機動力來源。如果將槳葉進行截斷，我們從剖面看非常像機翼的截面，旋轉后，螺旋槳相對氣流的速度由兩部分構成，前進速度+旋轉速度。通過旋轉會在槳葉上形成氣動力，在前進方向上的分力就是我們常說的螺旋槳拉力。另外當螺旋槳旋轉時，會形成一個阻止螺旋槳旋轉的力矩，我們常稱為反扭，這個力矩將由發動機的力矩進行平衡。槳葉剖面弦與旋轉平面形成的夾角稱為槳葉安裝角。最后，當螺旋槳旋轉一圈，前推進的距離我們常稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉平面的夾角隨著離轉軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內，各剖面的安裝角也隨著與轉軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉的原因。比如常用的1240兩葉槳，表示螺旋槳的直徑是12寸，螺距為40。

5 機型與電機、槳的關系

無人機采用的螺旋槳如果越大，那么螺旋槳對飛機產生的反扭就會越大，所以如何選擇螺旋槳，這個將和無人機的翼展長短有關，還有螺旋槳的選擇也要注意相應電機的參數。例如如果采用1240螺旋槳，那么對于固定翼無人機的翼展就要在90CM以上合適，不然反扭大，飛行不穩定；又如，與6040的螺旋槳合適的翼展就在40CM以上。如果用4530槳用到翼展1米以上無人機是否可行呢？當然可以，但飛機飛起來會非常耗電，因為翼展大飛行的阻力大，而4530螺旋槳產生的推力相對情況下小，就好比是小馬拉大車。所以在選擇無人機的動力系統的時候需要注意這動力電源、動力電機、電調、螺旋槳這4者之間的關系，一定要首先看無人機的機型、翼型及翼展的大小，然后再選擇配動力電機、螺旋槳、動力電源，特別要注意的是，絕對不能大尺寸螺旋槳配高KV電機，有可能會燒毀電機，影響電池壽命，甚至可能將電調也燒掉。

6 其他裝置

隨著有人渦輪噴氣機技術的發展，為無人機渦輪噴氣發動機的發展提供了重要的技術基礎。目前小型渦輪噴氣發動機已在少數高速無人靶機及突防無人機中得到應用。小型渦輪噴氣發動機的機構包含四個部分：壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管。壓氣機的作用就是將空氣以高速度通過氣道，最終到達燃燒室。燃燒室主要是將引入的燃油進行點火燃燒。膨脹的空氣將會驅動渦輪，渦輪反饋控制壓氣機，如此發動機將會循環運行。從噴管排出的加速高溫燃氣最終會作為整機的推力使用。除上述動力系統外，無人機中還有少數渦軸、渦槳、渦扇等動力裝置的應用。

作者簡介

石磊（1981-），男，河南省葉縣人。大學本科學歷，軟件工程碩士學位。現為內蒙古電子信息職業技術學院講師。主要研究方向為電子信息工程、無人機應用技術。

作者單位

內蒙古電子信息職業技術學院 內蒙古自治區呼和浩特市 010070