旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)選型及測(cè)試方案

丁承君+王勇杰

摘 要：旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)——無(wú)刷電機(jī)、螺旋槳參數(shù)直接關(guān)系著樣機(jī)航時(shí)、載重等重要指標(biāo)，所以，在樣機(jī)試制前，應(yīng)進(jìn)行選型測(cè)試，確定較優(yōu)的旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力組合。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，同廠家相近規(guī)格螺旋槳所導(dǎo)致的航時(shí)差距可達(dá)13.5%.由于測(cè)試樣本有限，實(shí)際數(shù)據(jù)可能更大，繼而充分證明該測(cè)試過(guò)程的必要性。

關(guān)鍵詞：旋翼無(wú)人機(jī)；無(wú)刷電機(jī)；螺旋槳；航時(shí)

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.033

1 旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)組成及選配原則

植保無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由4個(gè)部分構(gòu)成，即電池、電機(jī)、電子調(diào)速器和螺旋槳。其中，電池電壓不能超過(guò)電子調(diào)速器的額定電壓，電池最大電流應(yīng)大于電調(diào)額定電流。電池電壓不能超過(guò)電機(jī)最大電壓，電調(diào)最大電壓不能超過(guò)電機(jī)最大電壓。

1.1 動(dòng)力部件——電池

小微型無(wú)人機(jī)主要將化學(xué)電池作為動(dòng)力電源，其主要包括鎳氫（Ni-MH）電池、鎳錳（NiOH-MnO2）電池、鋰聚合物（Li-Poly）和鋰離子動(dòng)力電源等。由于前兩種電池的能量密度比較低，目前基本上被鋰聚合物動(dòng)力電池所代替。鋰電池的基本組成單位為S，鋰電池的一個(gè)單位標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.7 V。本機(jī)型選用格氏ACE鋰聚合物電池，其電壓為6 S（22.2 V），容量為16 000 mAh，放電倍率為15 C。

1.2 動(dòng)力部件——電機(jī)

動(dòng)力電機(jī)分為2類，即有刷電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。由于有刷電動(dòng)機(jī)的效率比較低，其在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域已被淘汰。無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、使用方便，可減小無(wú)人機(jī)的噪聲，弱化其紅外特征，同時(shí)，又能提供與內(nèi)燃機(jī)不相上下的比功率。無(wú)刷電機(jī)采用的是電子換向，其輸出功率和效率比較高，噪聲小，壽命比較長(zhǎng)，無(wú)其他明顯的缺點(diǎn)。綜合考慮質(zhì)量、最大功率、最大電流、力效等因素，本機(jī)型選定無(wú)刷電機(jī)W6050，最大電流為47 A，支持6～12 S鋰電。

1.3 動(dòng)力部件——電子調(diào)速器

電子調(diào)速器（簡(jiǎn)稱“電調(diào)”）可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)負(fù)載變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)。無(wú)刷電調(diào)輸入端是2根線，接正負(fù)極電源；輸出需要3根線與電機(jī)相連，原理是靠3根線不停地改變磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。本機(jī)型使用XRotor Pro HV 80 A電子調(diào)速器，允許持續(xù)電流80 A，瞬間電流100 A（10 s）。

1.4 動(dòng)力部件——螺旋槳

螺旋槳分為定距螺旋槳和變距螺旋槳。定距螺旋槳不能改變槳距，一般用于輕型、微型無(wú)人機(jī)。大型、小型無(wú)人機(jī)可以視情況安裝變距螺旋槳，提高其可操作性。根據(jù)電機(jī)KV值的不同，所配的螺旋槳尺寸也會(huì)變化。購(gòu)買電機(jī)時(shí)，往往廠家都會(huì)說(shuō)明所配套螺旋槳規(guī)格。如果螺旋槳尺寸太小，難以實(shí)現(xiàn)廠家描述的最大推力。螺旋槳尺寸過(guò)大，容易導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱，并出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，對(duì)電機(jī)造成永久性的破壞。

2 螺旋槳選型實(shí)測(cè)方案及結(jié)果

市面上各種螺旋槳廠商產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格參差不齊。根據(jù)電機(jī)廠商推薦的26寸螺旋槳，市面上主要有2680、2692、2610、2612四種型號(hào)，價(jià)格從1 100余元的JXF碳纖維配對(duì)槳到200余元的某品牌電動(dòng)櫸木槳不等。所以，采購(gòu)JXF品牌的碳纖維配對(duì)槳2692，電動(dòng)櫸木槳2610，某品牌電動(dòng)櫸木槳2680、2612進(jìn)一步實(shí)測(cè)其性能。其中，拉力值由S型拉力傳感器得出，電流值由交直流數(shù)字鉗形表獲得。螺旋槳選型測(cè)試平臺(tái)如圖1所示，實(shí)測(cè)環(huán)境如圖2所示，實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，JXF公司的螺旋槳相對(duì)其他品牌在效率上有較大優(yōu)勢(shì)。雖然大螺距螺旋槳具有較大的拉力，但是，也會(huì)降低實(shí)際飛行過(guò)程中調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。結(jié)合后期實(shí)際飛行手感，決定使用JXF品牌的2692碳纖維配對(duì)槳。此外，從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，同等拉力下不同組合的測(cè)試電流差值隨著拉力的增大而不斷增大。由于電壓基本相同，當(dāng)該無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生3.5 kg拉力時(shí)，JXF2692螺旋槳的效率比JXF2610螺旋槳效率提高13.5%；當(dāng)該無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生8.5 kg拉力時(shí)，JXF2610螺旋槳的效率比普通2680螺旋槳效率提高26.9%.這充分證明了進(jìn)行選型測(cè)試的必要性。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)刷電機(jī)、螺旋槳參數(shù)直接關(guān)系著樣機(jī)航時(shí)、載重等重要指標(biāo)。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，同廠家相近規(guī)格螺旋槳所導(dǎo)致的航時(shí)差距可達(dá)13.5%.由于測(cè)試樣本有限，實(shí)際數(shù)據(jù)可能更大，繼而充分證明該測(cè)試過(guò)程的必要性。今后可考慮與螺旋槳、無(wú)刷電機(jī)廠商協(xié)商合作以獲得更為完整的測(cè)試數(shù)據(jù)，并與旋翼螺旋槳設(shè)計(jì)、制造理論相結(jié)合，進(jìn)一步提高旋翼無(wú)人機(jī)航時(shí)、載重等性能。

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