小尺寸航模動力組的選配

徐紹麟

由于部分學(xué)校沒有足夠開闊的場地條件，若使用“火鳥”、“翼龍”等大尺寸模型開展活動有可能出現(xiàn)危險，因此越來越多的人將注意力轉(zhuǎn)移到小尺寸（指翼展小于600mm、起飛重量不超過100g）的模型飛機上。這種模型既適合在較小面積的公園、庭院、廣場、校園等外場飛行，也可在較大面積的羽毛球館、網(wǎng)球館等室內(nèi)場地飛行。小尺寸航模體積較小、飛行速度慢、安全性較高，不易傷人。

下面對小尺寸航模常用的電池、螺旋槳、電機以及與之相關(guān)的減速器的結(jié)構(gòu)、特點與性能等做些介紹，為模友DIY制作時的選配提供參考。

一、電機

雖然小尺寸航模既可采用有刷電機也可采用無刷電機，但因后者成本較高，在成品模型中并不多見。目前大部分小尺寸航模均采用三合一控制板（包含接收機、舵機及有刷電調(diào)），搭配帶減速器的空心杯有刷電機時，力效甚至?xí)哂跓o刷電機。

空心杯電機的電樞沒有鐵心，采用小直徑漆包線繞制的圓筒狀線圈，經(jīng)過浸漆后固定成型。線圈中心用粘接劑與軸粘合成一體，套在環(huán)形磁體上。由于沒有鐵心，因此電樞的重量及轉(zhuǎn)動慣量很小，空載轉(zhuǎn)速40 000-50 000r/min。因穿過電樞線圈的磁通密度低于鐵心電樞，故空心杯電機的輸出力矩相對較小。當電機軸負載增加時，轉(zhuǎn)速會明顯下降，即電機輸出特性較“軟”。該特點導(dǎo)致空心杯電機只有通過齒輪減速器降低轉(zhuǎn)速，才能增大輸出力矩。

空心杯電機的結(jié)構(gòu)比較簡單，以常用的716電機為例，其整流子直徑僅1.2mm，上有5片整流片（空心杯電機電樞一般為5極，以保證電機啟動順利，防止出現(xiàn)死角）。每片寬約0.5mm。電刷由磷銅片制成，截面極小。由于716電機工作電流通常大于1 000mA，所以整流子及電刷的電流密度很大。一旦電機重載或阻轉(zhuǎn)，電刷極易燒斷，導(dǎo)致電機報廢。即使電機初始運行正常，但時間稍長也會損壞。一般空心杯電機的使用壽命不超過數(shù)小時，是一種一次性電機。但其最大優(yōu)點是重量輕，有利于模型減重。

空心杯電機的外殼上一般沒有參數(shù)標記，在購買尺寸為?7mm×20mm及?8.5mm×20mm的電機時，應(yīng)先查清額定電壓。這兩種電機除有額定電壓為3.7V產(chǎn)品外，還有額定電壓為7.4V的產(chǎn)品。具體詳情可參考表1列出的一組常用空心杯電機減速器實測數(shù)據(jù)（該組數(shù)據(jù)使用穩(wěn)壓電源供電，測試電壓為3.7V）。

對比表1與表2中的數(shù)據(jù)，可以得出下列結(jié)論：

（1）帶減速器的空心杯電機力效遠高于直驅(qū)的空心杯電機，而耗電電流卻低于直驅(qū)方式，能明顯延長模型的留空時間。

減速器也存在一些明顯的缺點。當其使用大直徑螺旋槳時雖可帶來更高的力效，但尺寸過大會使模型外觀不協(xié)調(diào)。而且大直徑螺旋槳的反扭矩更大，裝配時必須設(shè)置右拉角。合適的右拉角度，必須在試飛時反復(fù)調(diào)整，增加了調(diào)試難度。此外，大直徑螺旋槳及減速齒輪的結(jié)構(gòu)還會給后推動力模型的裝配帶來不便。

在減速動力組中，因減速比和螺旋槳配置不同，力效差異很大。在控制槳葉尺寸、滿足拉力的前提下，應(yīng)選用力效高的減速器電機，以改善電池工況，使模型獲得更長的留空時間。

（2）采用直驅(qū)模式的空心杯電機不僅力效低、電流大，有的甚至處于過載狀態(tài)工作，易損壞。如當空心杯電機直驅(qū)螺旋槳時，轉(zhuǎn)速會降低且容易進入耗能區(qū)。此時輸入電機功率增大，而傳動軸的輸出功率減小，前者被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，使電機快速升溫（具體原理請參閱《航空模型》2012年第2期《合理使用有刷電機及其動力組》一文）。

直驅(qū)模式均使用小直徑螺旋槳，不用齒輪減速器。在某些情況下，可采用這種效率較低但安裝簡單的動力組。

二、減速器

1.齒輪

空心杯電機的減速器多為單級減速，速比不大，通常為4-5（大齒輪齒數(shù)是小齒輪齒數(shù)的4-5倍）或更大。因其傳動功率較小，通常使用塑料直齒輪。

齒輪的一個重要參數(shù)是模數(shù)M，單位是mm。模數(shù)大的齒輪強度大、傳動功率大、尺寸及重量也大。齒輪的節(jié)圓直徑D節(jié)=Z×M，其中Z為齒數(shù)、M為模數(shù)；齒輪外徑即齒頂直徑D頂=D節(jié)+2M；齒輪的齒高即單個齒型的高度 h齒=2.25M。節(jié)圓以上的齒頂高為1個M，而節(jié)圓以下的齒底高為1.25個M。組成減速器的一對齒輪必須模數(shù)相同?？招谋姍C減速器齒輪，最常用的模數(shù)是0.3或0.25。

還需說明的是，減速器小齒輪與電機軸的配合長度較長，不易出現(xiàn)打滑；而大齒輪傳動力矩大，有的大齒只有1mm厚，與動力輸出軸的配合長度短，多次折裝后很容易打滑。如果大齒輪與軸出現(xiàn)打滑，可先在傳動軸涂一層助焊用的松香溶液，然后再將齒輪套入，待溶液干透即可。另外，減速器的小齒輪轉(zhuǎn)速高、磨損大，改用銅質(zhì)小齒，不僅運行時噪聲大，而且大小齒輪硬度差異增加。大齒因磨損導(dǎo)致間隙加大時，容易將齒切掉。

由于直徑7mm以下的空心杯電機減速器輸出軸直徑為1mm，很容易彎曲，因此組裝螺旋槳時，應(yīng)盡量靠近大齒輪，并保證槳與大齒間距盡可能小，以減小軸受到的彎曲力矩，避免“炸機”時動力輸出軸受損。推薦選擇帶減速器的8520電機，動力組輸出軸直徑為1.5mm，剛度較好，軸不易彎曲。

2.減速比

減速比是減速器的重要參數(shù)之一。當電機、電壓等參數(shù)確定時，速比越大、輸出轉(zhuǎn)速越低、力矩越大、電機負荷越輕，反之電機負載加重。

需注意的是，同一規(guī)格的電機所配置的減速器速比不一定相同，由此導(dǎo)致拉力也有所區(qū)別。如8520電機速比為4，配?130mm槳時，拉力可達48g左右。而另有一種8520電機減速比為5，配?130mm槳時拉力會小很多，需改配更大尺寸的螺旋槳才能達到相同的拉力。速比大的減速器應(yīng)搭配大直徑槳，才能有更高的力效。

三、螺旋槳

小尺寸航模采用的塑料螺旋槳是開模后注塑生產(chǎn)的。如果模具精度不夠，螺旋槳不能靜平衡，裝機后會出現(xiàn)震動大、噪聲大、耗電大、拉力小等問題。因此裝機前，必須處理好螺旋槳的平衡問題，具體方法是：準備一根直徑小于螺旋槳安裝孔直徑的鋼絲，將其穿過安裝孔；然后水平固定鋼絲，并旋轉(zhuǎn)螺旋槳，若一邊槳葉位置老是靠下，表明其重量更大?？捎蒙安紝⑺ケ?，直至螺旋槳能在任意位置停住。為保證試驗準確性，測試用的鋼絲不能比螺旋槳安裝孔直徑小太多。鋼絲與孔的直徑差應(yīng)小于0.1-0.2mm。此外，兩片槳葉的外形也應(yīng)保證相同。由于小尺寸航模的機身結(jié)構(gòu)比較脆弱，因此由螺旋槳引發(fā)的震動對模型的危害遠大于大尺寸航模，要引起足夠重視。

四、電池

為減小模型起飛重量，小尺寸航模都使用了小容量電池，如成品機“卡博”，其起飛重量35-40g，使用150mAh鋰電池。全油門時，電機電流可達2A左右。該機電池的放電倍率高達10倍以上，即使是新電池，電壓也會立即降至3.8V左右。如果是舊電池或劣質(zhì)電池，則電壓下降得更多。在重量允許的情況下，應(yīng)選用容量較大的電池。這不僅可延長模型留空時間，也可延長電池的使用壽命，還能更好地為模型提供動力。

小尺寸航模的普及是技術(shù)進步的結(jié)果。十年前很難想象三通道、四通道、甚至具有簡單FPV功能的遙控電動模型飛機能把重量控制在100g以內(nèi)。隨著遙控設(shè)備、動力組及電池的輕量化，可以預(yù)見，還會有更輕、更小的航模產(chǎn)品出現(xiàn)。