电动无人机的动力系统构成

摘 要目前市面上见到的无人机动力系统主要是活塞发动机系统及电力动力系统两类,而电力动力系统由于其能量密度大、体积小、重量轻、易于维护等特点,占到了民用无人机的绝大多数,本文就对电动无人机的动力系统构成方面进行了比较详细的介绍。

【关键词】无人机 动力系統 动力电源 调速

目前大型、小型、轻型无人机广泛采用的动力装置为活塞发动机系统。而出于成本和使用方便的考虑,微型无人机中普遍使用的是电力动力系统。电力动力系统主要由动力电源、动力电机、速调系统三部分组成。

电动无人机的动力系统构成

1 动力电源

动力电源主要为动力电机的运转提供电能。通常采用化学电池来作为电动无人机的动力电源,主要包括镍氢电池、镍铬电池、锂聚合物、锂离子动力电池。其中,前两种电池因重量重,能量密度低,现已基本上被锂聚合物动力电池取代。动力电池不同于普通意义上的电池,具有能量密度大、质量轻等特点。对于电池来说,有很多标称来标识电池的性能,而最为关键的参数就是电压值、储能容量以及放电能力。

1.1 电池的电压值

动力电源的电压值是用伏特(V)来进行标识的。比如说:高压版锂聚合物电池的标称电压是3.7V,当充满电后,电压可达4.35V,最低放电电压为3.5V。镍氢电池标称电压是1.2V,当充满电后,电压可达1.5V,最低放电电压为1.1V。

1.2 储能容量

动力电源的储能容量是用毫安时(mAh)来标识的,表示的含义为电池以某恒定电流进行放电时,能放电1小时,如锂聚合物电池标识(15C、20000mAh、14.8V)。

1.3 放电能力

动力电源的放电能力是以放电倍率(C)来标识的,表示的含义为按照电源的标识的储能容量,最大能够达到的放电电流数。比如说:动力电源标识为2200MA,20C, 则该电源最大的持续电流计算如下:容量X放电C数=2.2X20=44A。如果该电源长时间超过44安进行工作,会极大影响电池寿命。对于我们常用的锂聚合物动力电池,充满电后,单片电池的电压以4.15~4.20合适,使用后的单片最低电压为3.5V以上,如果需要长期保存,单片电压最好为3.85V,一定要注意,过放和长期满电保存电池对于电池来说具有很大的伤害。

2 动力电机

微型无人机使用的动力电机可以分为两类:有刷电动机和无刷电动机。其中有刷电动机由于效率较低,在无人机领域已逐渐不再使用。电动机的型号主要以尺寸为依据。比如无刷电机2814,这个标识指的是,电机不包括轴电子线圈的长度是14mm,电机定子线圈的直径是28mm。当有时有一些标识并不是指的尺寸,而是说属于哪个级别。动力电机的技术指标很多,与无人机动力特征最相关的两个是转速和功率。电机转速常采用kV进行标识,kV的含义是每升高1伏特电机增加的转速。比如说, 电机标识kV1400,当使用12.6V的电池时,转速可以达到1400×12=17640.,也就是每分钟17640转。

电动无人机的动力系统构成

3 调速系统

动力电机的调速系统成为电调,全程为电子调速器,简称ESC。针对动力电机不同,可分为有刷电调和无刷电调。它根据飞行控制器发出的PWM信号控制动力电机的转速。

动力电源、电调、动力电机的链接情况一般如下:

(1)动力电源链接电调的电源输入线;

(2)飞行控制器的控制信号线与电调的信号线连接;

(3)电调的动力输出线与动力电机进行连接。

请注意,电调一般配有电源输出线(BWC),一般都会在信号线上,电压大概5V,通常用来给飞行控制器、遥控接收机或者是舵机供电。

4 螺旋桨

螺旋桨的工作原理就是桨叶进行高速旋转,大量的空气会不断的向后推,这样就会在桨叶上产生反向作用力,这就是无人机动力来源。如果将桨叶进行截断,我们从剖面看非常像机翼的截面,旋转后,螺旋桨相对气流的速度由两部分构成,前进速度+旋转速度。通过旋转会在桨叶上形成气动力,在前进方向上的分力就是我们常说的螺旋桨拉力。另外当螺旋桨旋转时,会形成一个阻止螺旋桨旋转的力矩,我们常称为反扭,这个力矩将由发动机的力矩进行平衡。桨叶剖面弦与旋转平面形成的夹角称为桨叶安装角。最后,当螺旋桨旋转一圈,前推进的距离我们常称为桨距。实际上桨叶上每一剖面的前进速度都是相同的,但圆周速度则与该剖面距转轴的距离(半径)成正比,所以各剖面相对气流与旋转平面的夹角随着离转轴的距离增大而逐步减小,为了使桨叶每个剖面与相对气流都保持在有利的迎角范围内,各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减小。这就是每个桨叶都有扭转的原因。比如常用的1240两叶桨,表示螺旋桨的直径是12寸,螺距为40。

电动无人机的动力系统构成

5 机型与电机、桨的关系

无人机采用的螺旋桨如果越大,那么螺旋桨对飞机产生的反扭就会越大,所以如何选择螺旋桨,这个将和无人机的翼展长短有关,还有螺旋桨的选择也要注意相应电机的参数。例如如果采用1240螺旋桨,那么对于固定翼无人机的翼展就要在90CM以上合适,不然反扭大,飞行不稳定;又如,与6040的螺旋桨合适的翼展就在40CM以上。如果用4530桨用到翼展1米以上无人机是否可行呢?当然可以,但飞机飞起来会非常耗电,因为翼展大飞行的阻力大,而4530螺旋桨产生的推力相对情况下小,就好比是小马拉大车。所以在选择无人机的动力系统的时候需要注意这动力电源、动力电机、电调、螺旋桨这4者之间的关系,一定要首先看无人机的机型、翼型及翼展的大小,然后再选择配动力电机、螺旋桨、动力电源,特别要注意的是,绝对不能大尺寸螺旋桨配高KV电机,有可能会烧毁电机,影响电池寿命,甚至可能将电调也烧掉。

6 其他装置

随着有人涡轮喷气机技术的发展,为无人机涡轮喷气发动机的发展提供了重要的技术基础。目前小型涡轮喷气发动机已在少数高速无人靶机及突防无人机中得到应用。小型涡轮喷气发动机的机构包含四个部分:压气机、燃烧室、涡轮、喷管。压气机的作用就是将空气以高速度通过气道,最终到达燃烧室。燃烧室主要是将引入的燃油进行点火燃烧。膨胀的空气将会驱动涡轮,涡轮反馈控制压气机,如此发动机将会循环运行。从喷管排出的加速高温燃气最终会作为整机的推力使用。除上述动力系统外,无人机中还有少数涡轴、涡桨、涡扇等动力装置的应用。

作者简介

石磊(1981-),男,河南省叶县人。大学本科学历,软件工程硕士学位。现为内蒙古电子信息职业技术学院讲师。主要研究方向为电子信息工程、无人机应用技术。

作者单位

内蒙古电子信息职业技术学院 内蒙古自治区呼和浩特市 010070

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