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电动无人机的动力系统构成

发布时间:2018-12-22 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    电动无人机的动力系统构成作者: 石磊   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对照详细的介绍。
  【关键词】无人机 动力系�y 动力电源 调速
  目前大型、小型、轻型无人机广泛选取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、速调系统三局部组成。
  1 动力电源
  动力电源主要为动力电机的运转提供电能。常常选取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本能,而最为关键的参数便是电压值、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,最大可以达到的放电电流数。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安进行事务,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能够分为两类:有刷电动机和无刷电动机。其中有刷电动机由于效率较低,在无人机领域已逐步不再使用。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。当偶尔有一些标识并不是指的尺寸,而是说属于哪个级别。动力电机的技能目标很多,与无人机动力特征最相关的两个是转速和功率。电机转速常选取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,转速能够达到1400×12=17640.,也便是每分钟17640转。
  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。它根据飞行抑制器发出的PWM信号抑制动力电机的转速。
  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)飞行抑制器的抑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,常常用来给飞行抑制器、遥控接收机或者是舵机供电。
  4 螺旋桨
  螺旋桨的事务原理便是桨叶进行高速旋转,大量的空气会不时的向后推,这样就会在桨叶上产生反向作用力,这便是无人机动力来源。如果将桨叶进行截断,我们从剖面看相当像机翼的截面,旋转后,螺旋桨相对气流的速度由两局部构成,前进速度+旋转速度。通过旋转会在桨叶上变成气动力,在前进方向上的分力便是我们常说的螺旋桨拉力。另外当螺旋桨旋转时,会变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变成的夹角称为桨叶安装角。最终,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渐减小,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。这便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。
  5 机型与电机、桨的关系
  无人机选取的螺旋桨如果越大,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。例如如果选取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?当然能够,但飞机飞起来会相当耗电,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,一定要最初看无人机的机型、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能的发展,为无人机涡轮喷气发动机的发展提供了重要的技能基础。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局部:压气机、燃烧室、涡轮、喷管。压气机的作用便是将空气以高速度通过气道,最后抵达燃烧室。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,涡轮反馈抑制压气机,如此发动机将会循环运行。从喷管排出的加速高温燃气最后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能学院讲师。主要研讨方向为电子信息工程、无人机应用技能。
  作者单位
  内蒙古电子信息职业技能学院 内蒙古自治区呼和浩特市 010070
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