旋翼無人機動力系統選型及測試方案

丁承君+王勇杰

摘 要：旋翼無人機動力系統——無刷電機、螺旋槳參數直接關系著樣機航時、載重等重要指標，所以，在樣機試制前，應進行選型測試，確定較優的旋翼無人機動力組合。由實測數據可知，同廠家相近規格螺旋槳所導致的航時差距可達13.5%.由于測試樣本有限，實際數據可能更大，繼而充分證明該測試過程的必要性。

關鍵詞：旋翼無人機；無刷電機；螺旋槳；航時

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.033

1 旋翼無人機動力系統組成及選配原則

植保無人機動力系統由4個部分構成，即電池、電機、電子調速器和螺旋槳。其中，電池電壓不能超過電子調速器的額定電壓，電池最大電流應大于電調額定電流。電池電壓不能超過電機最大電壓，電調最大電壓不能超過電機最大電壓。

1.1 動力部件——電池

小微型無人機主要將化學電池作為動力電源，其主要包括鎳氫（Ni-MH）電池、鎳錳（NiOH-MnO2）電池、鋰聚合物（Li-Poly）和鋰離子動力電源等。由于前兩種電池的能量密度比較低，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，鋰電池的一個單位標準電壓是3.7 V。本機型選用格氏ACE鋰聚合物電池，其電壓為6 S（22.2 V），容量為16 000 mAh，放電倍率為15 C。

1.2 動力部件——電機

動力電機分為2類，即有刷電動機和無刷電動機。由于有刷電動機的效率比較低，其在無人機領域已被淘汰。無刷電機結構簡單、質量輕、使用方便，可減小無人機的噪聲，弱化其紅外特征，同時，又能提供與內燃機不相上下的比功率。無刷電機采用的是電子換向，其輸出功率和效率比較高，噪聲小，壽命比較長，無其他明顯的缺點。綜合考慮質量、最大功率、最大電流、力效等因素，本機型選定無刷電機W6050，最大電流為47 A，支持6～12 S鋰電。

1.3 動力部件——電子調速器

電子調速器（簡稱“電調”）可以調節電機轉速，實現對無人機負載變化的自動調節。無刷電調輸入端是2根線，接正負極電源；輸出需要3根線與電機相連，原理是靠3根線不停地改變磁場以驅動轉子轉動。本機型使用XRotor Pro HV 80 A電子調速器，允許持續電流80 A，瞬間電流100 A（10 s）。

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。大型、小型無人機可以視情況安裝變距螺旋槳，提高其可操作性。根據電機KV值的不同，所配的螺旋槳尺寸也會變化。購買電機時，往往廠家都會說明所配套螺旋槳規格。如果螺旋槳尺寸太小，難以實現廠家描述的最大推力。螺旋槳尺寸過大，容易導致電機過熱，并出現退磁現象，對電機造成永久性的破壞。

2 螺旋槳選型實測方案及結果

市面上各種螺旋槳廠商產品質量、價格參差不齊。根據電機廠商推薦的26寸螺旋槳，市面上主要有2680、2692、2610、2612四種型號，價格從1 100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。所以，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進一步實測其性能。其中，拉力值由S型拉力傳感器得出，電流值由交直流數字鉗形表獲得。螺旋槳選型測試平臺如圖1所示，實測環境如圖2所示，實測結果如表1所示。

由表1可知，JXF公司的螺旋槳相對其他品牌在效率上有較大優勢。雖然大螺距螺旋槳具有較大的拉力，但是，也會降低實際飛行過程中調節的穩定性。結合后期實際飛行手感，決定使用JXF品牌的2692碳纖維配對槳。此外，從測試數據中可以看出，同等拉力下不同組合的測試電流差值隨著拉力的增大而不斷增大。由于電壓基本相同，當該無刷電機產生3.5 kg拉力時，JXF2692螺旋槳的效率比JXF2610螺旋槳效率提高13.5%；當該無刷電機產生8.5 kg拉力時，JXF2610螺旋槳的效率比普通2680螺旋槳效率提高26.9%.這充分證明了進行選型測試的必要性。

3 結束語

無刷電機、螺旋槳參數直接關系著樣機航時、載重等重要指標。從實測數據中可以看出，同廠家相近規格螺旋槳所導致的航時差距可達13.5%.由于測試樣本有限，實際數據可能更大，繼而充分證明該測試過程的必要性。今后可考慮與螺旋槳、無刷電機廠商協商合作以獲得更為完整的測試數據，并與旋翼螺旋槳設計、制造理論相結合，進一步提高旋翼無人機航時、載重等性能。

參考文獻

[1]袁培益，蔡元虎，蘇三買.世界無人機動力裝置及其發展趨勢[C]//中國航空學會中俄第二次無人機學術會議.北京：中國航空學會，2005.

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

〔編輯：白潔〕