旋翼无人机动力系统选型及测试方案

旋翼无人机动力系统选型及测试方案
由于旋翼无人机动力系统——无刷电机、螺旋桨参数直接关系到样机航时、载重等重要指标，故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。

从实测数据可得出，同厂家相近规格螺旋桨所导致的航时差距可达13.5%。

由于本测试样本有限，实际数据可能更大，继而充分证明该测试过程的必要性。

标签：旋翼无人机；无刷电机；螺旋桨；航时
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四个部分构成：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
小微型无人机主要以化学电池作为动力电源。

主要包括镍氢（Ni-MH）电池、镍锰（NiOH-MnO2）电池、锂聚合物（Li-Poly）、锂离子动力电源等。

前两种电池由于能量密度较低，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伏。

本机型选用格氏ACE锂聚合物电池，其电压为6S（22.2V），容量为16000mAh，放电倍率为15C。

1.2 动力部件——电机
动力电机可以分为两类：有刷电动机和无刷电动机。

有刷电动机由于效率较低，在无人机领域已被淘汰。

无刷电机结构简单、重量轻、使用方便，可使无人机的噪声和红外特征很小，同时又能提供与内燃机不相上下的比功率[1]。

无刷电机采用的是电子换向，其输出功率和效率较高，同时噪音小、寿命较长并无其他明显缺点[2]。

综合考虑重量、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47A，支持6-12S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 80A电子调速器，允许持续电流80A，瞬间电流100A（10秒）。

1.4 動力部件——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，容易引起电机过热，并出现退磁现象，对电机产生永久性破坏。

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1100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。

故采购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。

由测试结果可得出JXF公司的螺旋桨相对其他品牌在效率上有较大优势。

虽然大螺距螺旋桨往往具有较大的拉力，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，故决定使用JXF品牌的2692碳纤维配对桨。

此外，由测试数据可以看出，同等拉力下不同组合的测试电流差值随着拉力的增大不断加大。

由于电压基本相同，故在该无刷电机产生3.5Kg拉力时，JXF2692螺旋桨的效率比JXF2610螺旋桨效率提高13.5%；在该无刷电机产生8.5Kg拉力时，JXF2610螺旋桨的效率比普通2680螺旋桨效率提高26.9%。

故证明进行该选型测试的必要性。

3 结束语
无刷电机、螺旋桨参数直接关系到样机航时、载重等重要指标。

从实测数据可得出，同厂家相近规格螺旋桨所导致的航时差距可达13.5%。

由于本测试样本有限，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、无刷电机厂商通过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[A].中国航空学会中俄第二次无人机学术会议[C].北京，2005.
[2]杜宗潆.常见的各种类型电动机[J].电世界，2013（1）：52-53.
王勇杰（1991-），男，浙江台州人，研究生，主要从事小型旋翼无人机方面的研究。