小型电动无人机动力系统设计和优化
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第４０卷第６期 ２０１０年１ １月
航空计算技术
Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｖ０１．４０ Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．２０１０
小型电动无人机动力系统设计和优化
梁冰，王和平，袁昌盛
（西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２）
摘要：小型电动无人机由于使用维护方便，可靠性高，噪声小，无污染等特点，具有较高的应用价
图３显示了电机的机械特性，调速器控制输出功 率时减小了转速和扭矩。图中还包括螺旋桨在固定空 速的扭矩一转速曲线，电机曲线和螺旋桨曲线的交点 代表扭矩平衡状态，当同一转速下螺旋桨的扭矩大于 电机最大扭矩时，电机就不足以驱动螺旋桨，此时可升 高电机工作电压，提高输出功率，但不应超过电机最大 工作电压。
实际计算时可先确定螺旋桨达到所需推力时的转 速、扭矩、消耗功率，根据转速和扭矩选择电机和工作
航空计算技术 AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE 2010,40(6)
参考文献(5条) 1.Dale A.Lawrence;Kamran Mohseni Efficiency Analysis for Long-Duration Electric MAVs AIAA 2005-7090 2.Mortal P Merchant;L Scott Miller Propeller Performance Measurement for Low Reynolds Number UAV Applications AIAA 2006-1127 3.Fang Deng;Thomas W Analytical Modeling of Eddy-Current Losses Caused by Pulse-Width-Modulation Switching in Permanent-Magnet Brushless Direct-Current Motors[外文期刊] 1998(05) 4.刘锦波;张承彗 电机与拖动 2006 5.刘刚;王志强;房建成 永磁无刷直流电机控制技术与应用 2008
然而电池的能量密度远低于燃油…，严重限制了 无人机的续航性能，在设计中就需要更多地考虑动力 系统。动力系统各部件多为用于航模的现成产品，而 航模零部件厂商注重输出功率，很少提供效率的相关 数据，导致续航性能估算误差较大，影响总体设计。
本文通过建立动力系统各部分的数学描述，并用 实验验证，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及 优化准则，可为总体参数设计提供依据。
无刷电机在一定转速时的电流、扭矩计算公式‘１］
如下：
，：——』 ｕ一△ｕ一罢
（Ｉ）
肘－（，一Ｉｏ）羔
（２）
１动力系统数学描述 动力系统可分为三个部分：电池、电机和调速器、
螺旋桨。电池将化学能转换为电能；电机和调速器共 同将电能转换为机械能，并控制输出功率满足不同飞 行状态的需要；螺旋桨将轴功率转换为推力，推动无人 机飞行。 １．１ 电池
参考文献：
［１］Ｄａｌｅ Ａ．Ｌａｗｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｋａｍｒａｎ Ｍｏｈｓｅｎｉ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ．Ｄｕｒａｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＭＡＶｓ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ２００５－７０９０．
［２］ 刘刚，王志强，房建成．永磁无刷直流电机控制技术与应
用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８：１０７—１０９．
ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ，ｂａｔｔｅｒｙ，ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｌｅ ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ ｐｒｅ－
ｅｉｓｅ，ａｎｄ ｃａｉｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ＵＡＶｓ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．
值。然而电池的能量密度远低于燃油，动力系统在起飞重量中占较大比重，在初始设计中就需要准
确估算动力系统重量和性能。以保证续航性能。通过建立动力系统中电池、无刷电机和调速器、螺
旋桨三个部分的数学描述，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及优化准则。实验表明，方法
具有一定精度，可以为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。
以上计算的是无刷电机在全功率状态的性能，实 际无人机为满足最大推力会选用大功率电机，在续航 时需要降低功率，常用的方法是调速器采用脉冲宽度
万方数据
图２不同占空比下功率损失一扭矩曲线
１．３螺旋桨 小型无人机常采用航模的螺旋桨，文献［５］对航
模螺旋桨做了系统的风洞实验，可利用其结果插值计 算螺旋桨的推力、扭矩等性能。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｓｍａｌｌ ＵＡＶ；ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ
万方数据
小型电动无人机动力系统设计和优化
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
梁冰， 王和平， 袁昌盛， LIANG Bing， WANG He-ping， YUAN Chang-sheng 西北工业大学航空学院,陕西,西安,710072
Ｗｈ的电池组。利用Ｈａｃｋｅｒ电机Ａ２０、Ａ３０系列的数 据，算得电池能量为７２～９８Ｗｈ，与原机数据吻合较好。
４结论
电动无人机由于电池重量大，需要在初始设计中 准确估算动力系统。实验表明，本文提出的电动无人 机动力系统性能估算和设计方法具有一定精度，可以 为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。
●
万方数据
２０１０年１１月
梁冰等：小型电动无人机动力系统设计和优化
·７９·
示，在电机最大工作电流附近相对误差为３％～７％， 小电流时为２２％。
Ｏ８
Ｏ６
０４
Ｏ２
Ｏ
４
６
８
１０
１２
ｌ｜Ｋ
效率一电流曲线
调制（ＰＷＭ），通过调整占空比，改变绕组的平均电流 实现转速和扭矩控制。然而ＰＷＭ会引起电流波动， 由此产生的磁场波动在电机各部分中引起涡流损 耗心】。文献［４］提出的方法可计算ＰＷＭ引起的损耗， 但所需的绕组电感等参数无法得到。观察实验结果后 发现，在同一扭矩下，小功率状态的功率损耗与全功率 时的近似，如图２所示。可由公式（１）～（５）计算同一 扭矩下全功率的功率损耗，代入公式（６）得到输入功 率，用于初始估算。
．８０．
航空计算技术
第４０卷 第６期
电压，并计算电机的功率损失，得到维持飞行的电池输 出功率，并根据续航时间和机载设备耗电计算电池容 量和重量，以及动力系统总重量。
Ｏ．１
Ｏ．０８
．０．０６
７－，
警 ‘Ｏ．０４
Ｏ．０２
Ｏ ４０００
８ ０００ ｎ／ｒｐｍ
１２ ０００
图３不同占空比下电机机械特性
３ 算例 美国的“Ｒａｖｅｎ”无人机采用７×５的螺旋桨，８８．８
ＬＩＡＮＧ Ｂｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｅ·ｐｉｎｇ，ＹＵＡＮ Ｃｈａｎｇ－ｓｈｅｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｍａｌｌ ＵＡＶｓ ａｌｅ ｖａｌｕａｂｌｅ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｏｆ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｈｉ．ｇｈ ｒｅｌｉａ－ ｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ，ｅｍｉｓｓｉｏｎ－ｆｒｅｅ，ｅｔｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｇａｓｏｌｉｎｅ’Ｓ，ｐｏｗｅｒ ｓｙｓ—
Ｐｌ。棚＝Ｕｔｏ一后，‘
（１０）
当工作电压变为ｕ’时，
Ｕ’，７０＝，７０２ｒ＋ＰＴ。
（１１）
将式（１）（９）代人（１１）得到关于空载转速ｎ ７。的非
线性方程
警１２…ｋｖ．ＰＩ。砷（翁３一Ｕｔ儿ｔ０＝０ （１２）
由此可以解出电压为ｕ’时的空载转速ｎ’。，代入 （１）式可得到空载电流，’。，再由公式（１）～（５）确定电 机性能。在实验中降低工作电压，测得空载电流为 ０．６２７Ａ，计算值为０．６２３Ａ，结果符合较好。
ｔｅｒｎ’Ｓ ｗｅｉｇｈｔ ｉｓ ａ ｂｉｇ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔａｋｅｏｆｆ－ｗｅｉｇｈｔ．Ｉｔ’ｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｅｃｉｓｅ－ ｌｙ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｌｏｉｔｅｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ａｌｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｔｈｒｅｅ
［３］ 刘锦波，张承彗，等．电机与拖动［Ｍ］．北京：清华大学出
版社．２００６：１８—４０．
［４］Ｆａｎｇ Ｄｅｎｇ，Ｔｈｏｍａｓ Ｗ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｅｄｄｙ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｏｓｓｅｓ Ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｐｕｌｓｅ·Ｗｉｄｔｌｌ—Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ．Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｄｉｒｅｃｔ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，１９９８，３４（５）：
１．２电机和调速器 无人机所用动力电机多为永磁直流电机，分为有
刷和无刷。无刷电机由于取消了由电刷和换向器组成 的机械接触机构，没有换向火花和机械摩擦，具有效率 高、无电磁干扰、寿命长、运行可靠等优势。特别是近 年来稀土永磁材料的发展，磁能密度和磁场强度较有 刷电机常用的铁氧体永磁材料有很大提高，无刷电机 的体积和重量减小，功率增加，已成为小型电动无人机 的首选动力。
［５］
３７２８—３７３６．
Ｍａｎａｌ Ｐ Ｍｅｒｃｈａｎｔ，Ｌ Ｓｃｏｔｔ Ｍｉｌｌｅｒ．Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ Ｎｕｍｔ）ｅｒ ＵＡＶ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ２００６一１１２７．
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＳｍａｌＩ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ
电池为电机和调速器提供电压和电流，在工作时 输出电压不断降低，初步设计时应以标称电压为准。 同时电池会有最大输出电流限制，并且电流越大实际 放出的能量越少。
式中：，为工作电流（Ａ），Ｍ为扭矩（Ｎｍ），Ｕ为工作电 压（Ｖ），ａＵ为电子调速器的导通压降（可忽略），Ｊ／，为
转速（ｒｐｍ），勋为电机固有参数（ｒｐｎｖ＇Ｖ）；ｒ为内阻 （ｎ）；，０为电机在电压为Ｕ时的空载电流（Ａ）。其中
２动力系统设计 在电动无人机的总体设计过程中，要求动力系统
满足各飞行状态下的最大推力要求，在续航期间提供 所需的推力并为机载设备供电。对动力系统而言，高 效率等同于最小的电池容量，与之对应的是最小电池 重量，可将动力系统总重量最小作为优化目标。实际 优化过程中，动力系统各部件都采用现有产品，设计变 量为有限个数的离散值，可以直接搜索满足要求的最 优值和各部件配置。
关键词：电动；小型无人机；动力系统；无刷电机
中图分类号：Ｖ２２１．６
文献标识码：Ａ
Hale Waihona Puke Baidu
文章编号：１６７１．６５４Ｘ（２０ ＬＯ）０６．００７８．０３
引言
小型无人机由于体积小、重量轻、机动灵活、成本 低的特点广泛用于军事和民用。采用的动力装置多为 内燃机或电动机，电动无人机由于操作简便，可靠性 高，维护方便、便于储存运输等特点，具有较高的应用 价值。
ｕ、幻、ｒ、，ｏ由电机厂商的作为产品参数提供。
由此可得输入功率、输出功率和效率：
Ｐｉ。＝Ｕ／
（３）
６盖。Ｍ Ｐ。。。＝∞。Ｍ＝２＇ｒｒ
（４）
田田＝５Ｐ≠Ｆ
（Ｌ）５Ｊ）
根据以上方法算得效率与实验数据对比如图１所
收稿日期：２０１０．０５．０４
作者简介：梁冰（１９８４一），男，陕西兴平人，硕士研究生。研究方向为飞行器总体设计。
电机说明书中只给出一个工作电压及对应空载电
流，而电机的允许工作电压范围较大，使用中可能采用
不同电压供电，空载电流也会随之改变，此时要估算效
率就需要计算出不同电压下的空载电流。根据文献
［２］，电机的损耗主要有铜耗和铁耗：
Ｐｌ。。＝Ｐｉ。一Ｐ。，＝Ｐ。叩Ｐｅ，＋Ｐｌ。。
（６）
铜耗为绕组电流引起的热损耗：
Ｐ。。孵＝，ｒ
（７）
铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗”Ｊ：
ＰＩ。。一ｃＩ√‘３磷Ｇ
（８）
式中：Ｃ‰为铁心损耗系数，／为磁场的交变频率，Ｂ。 为最大磁通密度，Ｇ为铁心重量。
磁场不饱和时，电机磁场的平均磁通密度不随电 流变化Ｌ３ Ｊ，铁耗只随转速变化，即
，ｎ、１．３
ＰＩｍｎ＝ｌ｝｝Ｐ枷
（９）
ｎ。为空载转速，可将，０代人式（１）后得到，Ｐ。。∞为 空载时的铁耗：
航空计算技术
Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｖ０１．４０ Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．２０１０
小型电动无人机动力系统设计和优化
梁冰，王和平，袁昌盛
（西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２）
摘要：小型电动无人机由于使用维护方便，可靠性高，噪声小，无污染等特点，具有较高的应用价
图３显示了电机的机械特性，调速器控制输出功 率时减小了转速和扭矩。图中还包括螺旋桨在固定空 速的扭矩一转速曲线，电机曲线和螺旋桨曲线的交点 代表扭矩平衡状态，当同一转速下螺旋桨的扭矩大于 电机最大扭矩时，电机就不足以驱动螺旋桨，此时可升 高电机工作电压，提高输出功率，但不应超过电机最大 工作电压。
实际计算时可先确定螺旋桨达到所需推力时的转 速、扭矩、消耗功率，根据转速和扭矩选择电机和工作
航空计算技术 AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE 2010,40(6)
参考文献(5条) 1.Dale A.Lawrence;Kamran Mohseni Efficiency Analysis for Long-Duration Electric MAVs AIAA 2005-7090 2.Mortal P Merchant;L Scott Miller Propeller Performance Measurement for Low Reynolds Number UAV Applications AIAA 2006-1127 3.Fang Deng;Thomas W Analytical Modeling of Eddy-Current Losses Caused by Pulse-Width-Modulation Switching in Permanent-Magnet Brushless Direct-Current Motors[外文期刊] 1998(05) 4.刘锦波;张承彗 电机与拖动 2006 5.刘刚;王志强;房建成 永磁无刷直流电机控制技术与应用 2008
然而电池的能量密度远低于燃油…，严重限制了 无人机的续航性能，在设计中就需要更多地考虑动力 系统。动力系统各部件多为用于航模的现成产品，而 航模零部件厂商注重输出功率，很少提供效率的相关 数据，导致续航性能估算误差较大，影响总体设计。
本文通过建立动力系统各部分的数学描述，并用 实验验证，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及 优化准则，可为总体参数设计提供依据。
无刷电机在一定转速时的电流、扭矩计算公式‘１］
如下：
，：——』 ｕ一△ｕ一罢
（Ｉ）
肘－（，一Ｉｏ）羔
（２）
１动力系统数学描述 动力系统可分为三个部分：电池、电机和调速器、
螺旋桨。电池将化学能转换为电能；电机和调速器共 同将电能转换为机械能，并控制输出功率满足不同飞 行状态的需要；螺旋桨将轴功率转换为推力，推动无人 机飞行。 １．１ 电池
参考文献：
［１］Ｄａｌｅ Ａ．Ｌａｗｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｋａｍｒａｎ Ｍｏｈｓｅｎｉ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ．Ｄｕｒａｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＭＡＶｓ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ２００５－７０９０．
［２］ 刘刚，王志强，房建成．永磁无刷直流电机控制技术与应
用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８：１０７—１０９．
ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ，ｂａｔｔｅｒｙ，ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｌｅ ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ ｐｒｅ－
ｅｉｓｅ，ａｎｄ ｃａｉｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ＵＡＶｓ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．
值。然而电池的能量密度远低于燃油，动力系统在起飞重量中占较大比重，在初始设计中就需要准
确估算动力系统重量和性能。以保证续航性能。通过建立动力系统中电池、无刷电机和调速器、螺
旋桨三个部分的数学描述，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及优化准则。实验表明，方法
具有一定精度，可以为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。
以上计算的是无刷电机在全功率状态的性能，实 际无人机为满足最大推力会选用大功率电机，在续航 时需要降低功率，常用的方法是调速器采用脉冲宽度
万方数据
图２不同占空比下功率损失一扭矩曲线
１．３螺旋桨 小型无人机常采用航模的螺旋桨，文献［５］对航
模螺旋桨做了系统的风洞实验，可利用其结果插值计 算螺旋桨的推力、扭矩等性能。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｓｍａｌｌ ＵＡＶ；ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ
万方数据
小型电动无人机动力系统设计和优化
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
梁冰， 王和平， 袁昌盛， LIANG Bing， WANG He-ping， YUAN Chang-sheng 西北工业大学航空学院,陕西,西安,710072
Ｗｈ的电池组。利用Ｈａｃｋｅｒ电机Ａ２０、Ａ３０系列的数 据，算得电池能量为７２～９８Ｗｈ，与原机数据吻合较好。
４结论
电动无人机由于电池重量大，需要在初始设计中 准确估算动力系统。实验表明，本文提出的电动无人 机动力系统性能估算和设计方法具有一定精度，可以 为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。
●
万方数据
２０１０年１１月
梁冰等：小型电动无人机动力系统设计和优化
·７９·
示，在电机最大工作电流附近相对误差为３％～７％， 小电流时为２２％。
Ｏ８
Ｏ６
０４
Ｏ２
Ｏ
４
６
８
１０
１２
ｌ｜Ｋ
效率一电流曲线
调制（ＰＷＭ），通过调整占空比，改变绕组的平均电流 实现转速和扭矩控制。然而ＰＷＭ会引起电流波动， 由此产生的磁场波动在电机各部分中引起涡流损 耗心】。文献［４］提出的方法可计算ＰＷＭ引起的损耗， 但所需的绕组电感等参数无法得到。观察实验结果后 发现，在同一扭矩下，小功率状态的功率损耗与全功率 时的近似，如图２所示。可由公式（１）～（５）计算同一 扭矩下全功率的功率损耗，代入公式（６）得到输入功 率，用于初始估算。
．８０．
航空计算技术
第４０卷 第６期
电压，并计算电机的功率损失，得到维持飞行的电池输 出功率，并根据续航时间和机载设备耗电计算电池容 量和重量，以及动力系统总重量。
Ｏ．１
Ｏ．０８
．０．０６
７－，
警 ‘Ｏ．０４
Ｏ．０２
Ｏ ４０００
８ ０００ ｎ／ｒｐｍ
１２ ０００
图３不同占空比下电机机械特性
３ 算例 美国的“Ｒａｖｅｎ”无人机采用７×５的螺旋桨，８８．８
ＬＩＡＮＧ Ｂｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｅ·ｐｉｎｇ，ＹＵＡＮ Ｃｈａｎｇ－ｓｈｅｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｍａｌｌ ＵＡＶｓ ａｌｅ ｖａｌｕａｂｌｅ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｏｆ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｈｉ．ｇｈ ｒｅｌｉａ－ ｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ，ｅｍｉｓｓｉｏｎ－ｆｒｅｅ，ｅｔｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｇａｓｏｌｉｎｅ’Ｓ，ｐｏｗｅｒ ｓｙｓ—
Ｐｌ。棚＝Ｕｔｏ一后，‘
（１０）
当工作电压变为ｕ’时，
Ｕ’，７０＝，７０２ｒ＋ＰＴ。
（１１）
将式（１）（９）代人（１１）得到关于空载转速ｎ ７。的非
线性方程
警１２…ｋｖ．ＰＩ。砷（翁３一Ｕｔ儿ｔ０＝０ （１２）
由此可以解出电压为ｕ’时的空载转速ｎ’。，代入 （１）式可得到空载电流，’。，再由公式（１）～（５）确定电 机性能。在实验中降低工作电压，测得空载电流为 ０．６２７Ａ，计算值为０．６２３Ａ，结果符合较好。
ｔｅｒｎ’Ｓ ｗｅｉｇｈｔ ｉｓ ａ ｂｉｇ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔａｋｅｏｆｆ－ｗｅｉｇｈｔ．Ｉｔ’ｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｅｃｉｓｅ－ ｌｙ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｌｏｉｔｅｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ａｌｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｔｈｒｅｅ
［３］ 刘锦波，张承彗，等．电机与拖动［Ｍ］．北京：清华大学出
版社．２００６：１８—４０．
［４］Ｆａｎｇ Ｄｅｎｇ，Ｔｈｏｍａｓ Ｗ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｅｄｄｙ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｏｓｓｅｓ Ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｐｕｌｓｅ·Ｗｉｄｔｌｌ—Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ．Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｄｉｒｅｃｔ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，１９９８，３４（５）：
１．２电机和调速器 无人机所用动力电机多为永磁直流电机，分为有
刷和无刷。无刷电机由于取消了由电刷和换向器组成 的机械接触机构，没有换向火花和机械摩擦，具有效率 高、无电磁干扰、寿命长、运行可靠等优势。特别是近 年来稀土永磁材料的发展，磁能密度和磁场强度较有 刷电机常用的铁氧体永磁材料有很大提高，无刷电机 的体积和重量减小，功率增加，已成为小型电动无人机 的首选动力。
［５］
３７２８—３７３６．
Ｍａｎａｌ Ｐ Ｍｅｒｃｈａｎｔ，Ｌ Ｓｃｏｔｔ Ｍｉｌｌｅｒ．Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ Ｎｕｍｔ）ｅｒ ＵＡＶ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ２００６一１１２７．
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＳｍａｌＩ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ
电池为电机和调速器提供电压和电流，在工作时 输出电压不断降低，初步设计时应以标称电压为准。 同时电池会有最大输出电流限制，并且电流越大实际 放出的能量越少。
式中：，为工作电流（Ａ），Ｍ为扭矩（Ｎｍ），Ｕ为工作电 压（Ｖ），ａＵ为电子调速器的导通压降（可忽略），Ｊ／，为
转速（ｒｐｍ），勋为电机固有参数（ｒｐｎｖ＇Ｖ）；ｒ为内阻 （ｎ）；，０为电机在电压为Ｕ时的空载电流（Ａ）。其中
２动力系统设计 在电动无人机的总体设计过程中，要求动力系统
满足各飞行状态下的最大推力要求，在续航期间提供 所需的推力并为机载设备供电。对动力系统而言，高 效率等同于最小的电池容量，与之对应的是最小电池 重量，可将动力系统总重量最小作为优化目标。实际 优化过程中，动力系统各部件都采用现有产品，设计变 量为有限个数的离散值，可以直接搜索满足要求的最 优值和各部件配置。
关键词：电动；小型无人机；动力系统；无刷电机
中图分类号：Ｖ２２１．６
文献标识码：Ａ
Hale Waihona Puke Baidu
文章编号：１６７１．６５４Ｘ（２０ ＬＯ）０６．００７８．０３
引言
小型无人机由于体积小、重量轻、机动灵活、成本 低的特点广泛用于军事和民用。采用的动力装置多为 内燃机或电动机，电动无人机由于操作简便，可靠性 高，维护方便、便于储存运输等特点，具有较高的应用 价值。
ｕ、幻、ｒ、，ｏ由电机厂商的作为产品参数提供。
由此可得输入功率、输出功率和效率：
Ｐｉ。＝Ｕ／
（３）
６盖。Ｍ Ｐ。。。＝∞。Ｍ＝２＇ｒｒ
（４）
田田＝５Ｐ≠Ｆ
（Ｌ）５Ｊ）
根据以上方法算得效率与实验数据对比如图１所
收稿日期：２０１０．０５．０４
作者简介：梁冰（１９８４一），男，陕西兴平人，硕士研究生。研究方向为飞行器总体设计。
电机说明书中只给出一个工作电压及对应空载电
流，而电机的允许工作电压范围较大，使用中可能采用
不同电压供电，空载电流也会随之改变，此时要估算效
率就需要计算出不同电压下的空载电流。根据文献
［２］，电机的损耗主要有铜耗和铁耗：
Ｐｌ。。＝Ｐｉ。一Ｐ。，＝Ｐ。叩Ｐｅ，＋Ｐｌ。。
（６）
铜耗为绕组电流引起的热损耗：
Ｐ。。孵＝，ｒ
（７）
铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗”Ｊ：
ＰＩ。。一ｃＩ√‘３磷Ｇ
（８）
式中：Ｃ‰为铁心损耗系数，／为磁场的交变频率，Ｂ。 为最大磁通密度，Ｇ为铁心重量。
磁场不饱和时，电机磁场的平均磁通密度不随电 流变化Ｌ３ Ｊ，铁耗只随转速变化，即
，ｎ、１．３
ＰＩｍｎ＝ｌ｝｝Ｐ枷
（９）
ｎ。为空载转速，可将，０代人式（１）后得到，Ｐ。。∞为 空载时的铁耗：