丁承君+++王勇杰

摘 要：由于旋翼無人機(jī)動力系統(tǒng)——無刷電機(jī)、螺旋槳參數(shù)直接關(guān)系到樣機(jī)航時(shí)、載重等重要指標(biāo)，故在樣機(jī)試制前應(yīng)進(jìn)行選型測試，確定較優(yōu)的旋翼無人機(jī)動力組合。從實(shí)測數(shù)據(jù)可得出，同廠家相近規(guī)格螺旋槳所導(dǎo)致的航時(shí)差距可達(dá)13.5%。由于本測試樣本有限，實(shí)際數(shù)據(jù)可能更大，繼而充分證明該測試過程的必要性。

關(guān)鍵詞：旋翼無人機(jī)；無刷電機(jī)；螺旋槳；航時(shí)

1 旋翼無人機(jī)動力系統(tǒng)組成及選配原則

植保無人機(jī)動力系統(tǒng)由四個(gè)部分構(gòu)成：電池、電機(jī)、電子調(diào)速器和螺旋槳。其中電池電壓不能超過電子調(diào)速器額定電壓；電池最大電流應(yīng)大于電調(diào)額定電流。電池電壓不能超過電機(jī)最大電壓。電調(diào)最大電壓不能超過電機(jī)最大電壓。

1.1 動力部件——電池

小微型無人機(jī)主要以化學(xué)電池作為動力電源。主要包括鎳氫（Ni-MH）電池、鎳錳（NiOH-MnO2）電池、鋰聚合物（Li-Poly）、鋰離子動力電源等。前兩種電池由于能量密度較低，目前基本上被鋰聚合物動力電池所代替。鋰電池的基本組成單位為S，鋰電池的一個(gè)單位標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.7伏。本機(jī)型選用格氏ACE鋰聚合物電池，其電壓為6S（22.2V），容量為16000mAh，放電倍率為15C。

1.2 動力部件——電機(jī)

動力電機(jī)可以分為兩類：有刷電動機(jī)和無刷電動機(jī)。有刷電動機(jī)由于效率較低，在無人機(jī)領(lǐng)域已被淘汰。無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便，可使無人機(jī)的噪聲和紅外特征很小，同時(shí)又能提供與內(nèi)燃機(jī)不相上下的比功率[1]。無刷電機(jī)采用的是電子換向，其輸出功率和效率較高，同時(shí)噪音小、壽命較長并無其他明顯缺點(diǎn)[2]。綜合考慮重量、最大功率、最大電流、力效等因素。本機(jī)型選定無刷電機(jī)W6050，最大電流為47A，支持6-12S鋰電。

1.3 動力部件——電子調(diào)速器

電子調(diào)速器（簡稱：電調(diào)）可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)負(fù)載變化的自動調(diào)節(jié)。無刷電調(diào)輸入端是2根線，接正負(fù)極電源；輸出需要3根線與電機(jī)相連，原理是靠3根線不停地改變磁場以驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；本機(jī)型使用XRotor Pro HV 80A電子調(diào)速器，允許持續(xù)電流80A，瞬間電流100A（10秒）。

1.4 動力部件——螺旋槳

螺旋槳分為定距螺旋槳和變距螺旋槳。定距螺旋槳不能改變槳距，一般用于輕型、微型無人機(jī)。大型、小型無人機(jī)可以視情況安裝變距螺旋槳提高可操作性。根據(jù)電機(jī)KV值的不同，所配的螺旋槳尺寸也會變化。購買電機(jī)時(shí)，往往廠家都會說明所配套螺旋槳規(guī)格。如果螺旋槳尺寸太小，難以實(shí)現(xiàn)廠家描述的最大推力。螺旋槳尺寸過大，容易引起電機(jī)過熱，并出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，對電機(jī)產(chǎn)生永久性破壞。

2 螺旋槳選型實(shí)測方案及結(jié)果

市面上各種螺旋槳廠商產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格參差不齊。根據(jù)電機(jī)廠商推薦的26寸螺旋槳，市面上主要有2680、2692、2610、2612四種型號，價(jià)格從1100余元的JXF碳纖維配對槳到200余元的某品牌電動櫸木槳不等。故采購JXF品牌的碳纖維配對槳2692、電動櫸木槳2610、某品牌電動櫸木槳2680、2612進(jìn)一步實(shí)測其性能。其中拉力值由S型拉力傳感器得出，電流值由交直流數(shù)字鉗形表獲得。

由測試結(jié)果可得出JXF公司的螺旋槳相對其他品牌在效率上有較大優(yōu)勢。雖然大螺距螺旋槳往往具有較大的拉力，但是也會降低實(shí)際飛行過程中調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。結(jié)合后期實(shí)際飛行手感，故決定使用JXF品牌的2692碳纖維配對槳。此外，由測試數(shù)據(jù)可以看出，同等拉力下不同組合的測試電流差值隨著拉力的增大不斷加大。由于電壓基本相同，故在該無刷電機(jī)產(chǎn)生3.5Kg拉力時(shí)，JXF2692螺旋槳的效率比JXF2610螺旋槳效率提高13.5%；在該無刷電機(jī)產(chǎn)生8.5Kg拉力時(shí)，JXF2610螺旋槳的效率比普通2680螺旋槳效率提高26.9%。故證明進(jìn)行該選型測試的必要性。

3 結(jié)束語

無刷電機(jī)、螺旋槳參數(shù)直接關(guān)系到樣機(jī)航時(shí)、載重等重要指標(biāo)。從實(shí)測數(shù)據(jù)可得出，同廠家相近規(guī)格螺旋槳所導(dǎo)致的航時(shí)差距可達(dá)13.5%。由于本測試樣本有限，實(shí)際數(shù)據(jù)可能更大，繼而充分證明該測試過程的必要性。今后可考慮與螺旋槳、無刷電機(jī)廠商通過協(xié)商合作以獲得更為完整的測試數(shù)據(jù)，并與旋翼螺旋槳設(shè)計(jì)、制造理論相結(jié)合，進(jìn)一步提高旋翼無人機(jī)航時(shí)、載重等性能。

參考文獻(xiàn)

[1]袁培益，蔡元虎，蘇三買.世界無人機(jī)動力裝置及其發(fā)展趨勢[A].中國航空學(xué)會中俄第二次無人機(jī)學(xué)術(shù)會議[C].北京，2005.

[2]杜宗瀠.常見的各種類型電動機(jī)[J].電世界，2013（1）：52-53.

作者簡介：丁承君，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士。

王勇杰（1991-），男，浙江臺州人，研究生，主要從事小型旋翼無人機(jī)方面的研究。