优化动力系统中不被重视的部分,提高效能

来源:宇辰网 作者:宇辰网 时间:2017-02-10 分享至:
[宇辰导读]动力系统各部件之间如何搭配使其发挥更好的效能?

无人机的动力系统,通常有电动机以及内燃机两种。出于成本和使用方便的考虑,小、微型无人机中普遍采用的是电动动力系统,而电动的动力系统主要包含电机、电调(控制电机转速)、螺旋桨以及电池。动力系统各个部分之间是否匹配、动力系统与整机是否匹配,直接影响到整机效率、稳定性,所以说动力系统的效能如何保持平衡是至关重要的。

下面依次介绍一下动力系统各部件之间的关系,以及如何搭配使其发挥更好的效能。

电机:目前民用无人机的电机主要以无刷电机为主,主要是因为有刷电机消耗比较大。有刷电机最基本的组成部分除了定子,转子,还有碳刷,有刷电机因此也叫碳刷电机,或者有碳刷电机。碳刷通过与绕组上的铜头接触,让电机得以转动。但是由于由于高速转动时,会带来碳刷的磨损,因此有刷电机需要在碳刷用完之后,更换碳刷。而铜头也会磨损,因此在有碳刷时代的竞赛电机,除了更换碳刷,还需要打磨铜头,让铜头保持光滑。更换碳刷后还需要磨合,让碳刷与铜头的接触面积最大化,以实现最大电流来提高电机的转速/扭矩。

鉴于此,目前国内的无人机更倾向使用无刷电机。无刷电机的一头固定在机架力臂的电机座,一头固定螺旋桨,通过旋转产生向下的推力。选购电机也要根据无人机的不用应用来确定,不同大小、负载的机架,需要配合不同规格、功率的电机,电机并不是说越大越好,效率才是王道。

电调:单独的电机并不能工作,需要配合电调,后者用于控制电机的转速。有刷电调就是用来控制有刷电机转速的设备了。通过改变电流/电压以及传导方向就可以实现对转速以及正反的控制。

无刷电调,和有刷一样道理,无刷电机需要工作,就必然需要一个无刷电调。原理就是靠3根线不停地改变磁场以驱动转子转动。

无刷电机必须使用无刷电调才可以。而有刷电机则需要使用有刷电调才行。与电机一样,不同负载的动力系统需要配合不同规格的电调,虽然电调用大了没太大影像,但电调大了,自然也重了,效率自然也不会提高。

螺旋桨:螺旋桨是直接产生推力的部件,同样是以追求效率为第一目的。匹配的电机、电调和螺旋桨搭配,可以在相同的推力下耗用更少的电量,这样就能延长无人机的续航时间。现在很多无人机使用的正反桨,因为电机驱动螺旋桨转动时,本身会产生一个反扭力,会导致机架反向旋转。而通过一个电机正向旋转、一个电机反向旋转,可以互相抵消这种反扭力,相对应的螺旋桨的方向也就相反了。

提升动力系统效能的一个方面就是减轻无人机的重量,在减轻重量这一层,必须从材料入手。用塑料和金属部件组成的消费级无人机固然可以实现“飞行”这一功能,但工业级无人机的目的是飞得更远、更平稳,就需要采用碳纤维材料了,碳纤维的价格要比铝合金的要高,不过随着经济的发展,它的价格逐渐趋于平民化。

而且使用轻质的碳纤维材料,能减少无人机能源消耗,对环境保护也有重要的意义,从长远角度看,经济效益显着。大多数金属的疲劳极限是其抗拉强度的30%~50%,而碳纤维复合材料的疲劳极限可达到抗拉强度的70%~80%,在使用过程中减少突发性事故,安全性高,寿命长。碳纤维材料能在不降低硬度的情况下,将重量减少三分之一。对于提高效能是很有用的。

电池:现时无人机的电池主要以锂聚合物电池为主,特点是能量密度大、重量轻、耐电流数值较高等等,这些特性都是较为适合无人机的。手机领域也有部分使用锂聚合物电池,但充、放电能力远远不及无人机的这些电池(单片电芯放电能力理论值超过400安)。而由于这些电池用于无人机的动力系统,所以也会被叫做“动力电池”。

但是由于锂电池的能量密有限,想要在锂电池领域取得突破性的进展,近期可能比较困难,大家都在期待尽快突破锂电池的技术瓶颈。与此同时,有人也在积极的开发的新能源,比如太阳能薄膜、燃料电池等。太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的生存力。

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