旋翼无人机动力系统选型及测试方案

丁承君+王勇杰

摘 要：旋翼无人机动力系统——无刷电机、螺旋桨参数直接关系着样机航时、载重等重要指标，所以，在样机试制前，应进行选型测试，确定较优的旋翼无人机动力组合。由实测数据可知，同厂家相近规格螺旋桨所导致的航时差距可达13.5%.由于测试样本有限，实际数据可能更大，继而充分证明该测试过程的必要性。

关键词：旋翼无人机；无刷电机；螺旋桨；航时

中图分类号：TH122 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.033

1 旋翼无人机动力系统组成及选配原则

植保无人机动力系统由4个部分构成，即电池、电机、电子调速器和螺旋桨。其中，电池电压不能超过电子调速器的额定电压，电池最大电流应大于电调额定电流。电池电压不能超过电机最大电压，电调最大电压不能超过电机最大电压。

1.1 动力部件——电池

小微型无人机主要将化学电池作为动力电源，其主要包括镍氢（Ni-MH）电池、镍锰（NiOH-MnO2）电池、锂聚合物（Li-Poly）和锂离子动力电源等。由于前两种电池的能量密度比较低，目前基本上被锂聚合物动力电池所代替。锂电池的基本组成单位为S，锂电池的一个单位标准电压是3.7 V。本机型选用格氏ACE锂聚合物电池，其电压为6 S（22.2 V），容量为16 000 mAh，放电倍率为15 C。

1.2 动力部件——电机

动力电机分为2类，即有刷电动机和无刷电动机。由于有刷电动机的效率比较低，其在无人机领域已被淘汰。无刷电机结构简单、质量轻、使用方便，可减小无人机的噪声，弱化其红外特征，同时，又能提供与内燃机不相上下的比功率。无刷电机采用的是电子换向，其输出功率和效率比较高，噪声小，寿命比较长，无其他明显的缺点。综合考虑质量、最大功率、最大电流、力效等因素，本机型选定无刷电机W6050，最大电流为47 A，支持6～12 S锂电。

1.3 动力部件——电子调速器

电子调速器（简称“电调”）可以调节电机转速，实现对无人机负载变化的自动调节。无刷电调输入端是2根线，接正负极电源；输出需要3根线与电机相连，原理是靠3根线不停地改变磁场以驱动转子转动。本机型使用XRotor Pro HV 80 A电子调速器，允許持续电流80 A，瞬间电流100 A（10 s）。

1.4 动力部件——螺旋桨

螺旋桨分为定距螺旋桨和变距螺旋桨。定距螺旋桨不能改变桨距，一般用于轻型、微型无人机。大型、小型无人机可以视情况安装变距螺旋桨，提高其可操作性。根据电机KV值的不同，所配的螺旋桨尺寸也会变化。购买电机时，往往厂家都会说明所配套螺旋桨规格。如果螺旋桨尺寸太小，难以实现厂家描述的最大推力。螺旋桨尺寸过大，容易导致电机过热，并出现退磁现象，对电机造成永久性的破坏。

2 螺旋桨选型实测方案及结果

市面上各种螺旋桨厂商产品质量、价格参差不齐。根据电机厂商推荐的26寸螺旋桨，市面上主要有2680、2692、2610、2612四种型号，价格从1 100余元的JXF碳纤维配对桨到200余元的某品牌电动榉木桨不等。所以，采购JXF品牌的碳纤维配对桨2692，电动榉木桨2610，某品牌电动榉木桨2680、2612进一步实测其性能。其中，拉力值由S型拉力传感器得出，电流值由交直流数字钳形表获得。螺旋桨选型测试平台如图1所示，实测环境如图2所示，实测结果如表1所示。

由表1可知，JXF公司的螺旋桨相对其他品牌在效率上有较大优势。虽然大螺距螺旋桨具有较大的拉力，但是，也会降低实际飞行过程中调节的稳定性。结合后期实际飞行手感，决定使用JXF品牌的2692碳纤维配对桨。此外，从测试数据中可以看出，同等拉力下不同组合的测试电流差值随着拉力的增大而不断增大。由于电压基本相同，当该无刷电机产生3.5 kg拉力时，JXF2692螺旋桨的效率比JXF2610螺旋桨效率提高13.5%；当该无刷电机产生8.5 kg拉力时，JXF2610螺旋桨的效率比普通2680螺旋桨效率提高26.9%.这充分证明了进行选型测试的必要性。

3 结束语

无刷电机、螺旋桨参数直接关系着样机航时、载重等重要指标。从实测数据中可以看出，同厂家相近规格螺旋桨所导致的航时差距可达13.5%.由于测试样本有限，实际数据可能更大，继而充分证明该测试过程的必要性。今后可考虑与螺旋桨、无刷电机厂商协商合作以获得更为完整的测试数据，并与旋翼螺旋桨设计、制造理论相结合，进一步提高旋翼无人机航时、载重等性能。

参考文献

[1]袁培益，蔡元虎，苏三买.世界无人机动力装置及其发展趋势[C]//中国航空学会中俄第二次无人机学术会议.北京：中国航空学会，2005.

[2]杜宗潆.常见的各种类型电动机[J].电世界，2013（1）：52-53.

〔编辑：白洁〕