无人机动力系统简介

电机

电机是一种能够将电能转换为机械能的设备，根据不同的原理和结构，可以有多种类型的电机，适用于不同的应用场景。其中无人机使用的无刷电机是一种高效、低噪音且无需使用碳刷和电刷来实现转子换向的电机。它被广泛应用于无人机、电动汽车、工业设备等领域。

无刷电机的结构：

前盖、中壳、后盖：主要是整体结构件，起到构建电机整体结构的作用。但是外转子无刷电机的外壳同时也是磁铁的磁路通路，所以外壳必须是导磁性的物质构成。内转子的外壳只是结构件，所以不限定材质。但是内转子电机比外转子电机多一个转子铁芯，这个转子铁芯的作用同样也是起到磁路通路的作用。

磁铁：是安装在转子上，是无刷电机的重要组成部分，无刷电机的绝大部分性能参数都与磁铁相关，包括功率、转速、扭矩等。

硅钢片：是有槽无刷电机的重要组成部分，当然，无槽无刷电机是没有硅钢片的，但是目前绝大多数的无刷电机都是有槽的。它在整个系统中的作用主要是降低磁阻、参与磁路运转。

转轴：是电机转子的直接受力部分，转轴的硬度必须能满足转子高速旋转的要求。

轴承：是电机运转顺畅的保证，轴承可以分为滑动轴承和滚动轴承，而滚动轴承又可以细分为深沟球轴承、滚针轴承和角接触轴承等十大类，而目前大多数的无刷电机都是采用深沟球轴承。 无刷电机的工作原理：

它由定子和转子两部分组成，其中定子上的绕组通常称为三相绕组，而转子则带有永磁体。 无刷电机的工作过程分为两个主要阶段：传感器检测和电子控制。

在传感器检测阶段，无刷电机通过内置的传感器（如霍尔效应传感器）来检测转子位置。这些传感器能够感知转子磁场的变化，并将转子位置信息反馈给电子控制器。

在电子控制阶段，根据传感器提供的转子位置信息，电子控制器会以特定的时间序列来控制定子绕组的电流。具体来说，它将根据转子位置不断地切换定子绕组的通电顺序，以产生旋转磁场。 这个旋转磁场与转子上的永磁体相互作用，使得转子开始旋转。电子控制器根据转子位置的变化，持续调整定子绕组的电流，确保转子始终受到正确的力和扭矩，以保持稳定的转速和运行状态。 简单来说无刷电机就是依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心全转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关。

内外转子：

外转子的优点：转动惯量大、转动平稳、转矩大、磁铁好固定。

外转子的缺点：定子热量无法排出、内部工作环境部封闭，外部杂物可能进入电机内部影响运转。

内转子的优点：绕组与外壳直接接触，热量可直接排出，电机内部与外部隔绝，避免外部杂物进入内部。

内转子的缺点：扭矩不如外转子无刷电机、磁铁固定较为复杂。

无刷电机相关参数;

KV值：表示电机电压每升高1V，电机转速提升的数值，在无刷电机中，这个值是常量表贴式与内嵌式：

表贴式（SPM）的无刷电机的转子在电机表面，定子在电机中心。而内嵌式（IPM）的转子在电机中心，和传统电机一样，定子在电机表面。  尺寸

无刷电机的型号命名中有2312数字，其中，前两位是指定子的外径，后两位是指定子的高度，越大的电机功率越大，重量也越大

槽数和级数

1.槽数（N）：定子铁芯的数量，因为无刷电机是三相电机，所以N是三的倍数

2.级数（P）：定子上磁钢的数量，磁钢是南北极成对使用，所以P是偶数

3.特性：N、P越小，转速越高

4.N相同时，P越大，扭矩越大

5.N、P越大，电机顿挫越小，震动越小，但槽数多了之后难以做好动平衡

无刷电机功率和效率

理解为电机输出功率=转速*扭矩，在同等的功率下，转矩和转速是一个此消彼长的关系，即同一个电机的转速越高，必定其转矩越低，相反也依然。

电调

无人机的电调是一种用于控制无刷电机转速的电子设备。它是无人机中不可或缺的关键组件之一。

电调的主要功能：

接收来自飞控系统或遥控器的信号，并根据信号调节电流的大小和方向，以控制无刷电机的转速和转向。电调负责将信号转换为适当的电压和电流输出，从而驱动无刷电机旋转。

电调的工作原理：

1.输入信号：通常，电调接收来自遥控器的PWM（脉冲宽度调制）信号作为输入。这个信号告诉电调应该提供多少功率给电动机，并且控制电机的转速。

（脉冲宽度调制(PWM)是至今仍在使用的历史上的第一个ESC协议。PWM将油门控制器的输入信号转化为定时的功率脉冲来控制电机的转速。油门控制器向ESC的微控制器发送一个信号，告诉它从电池中提取多少电压值并最终传送至电机的转子。 信号以脉冲形式传递，其宽度决定了电压的持续作用时间，电压脉冲（“开”）被不提供电压的“关”时段隔开。“开启”时间与“关闭”时间的比率越大，传递的功率就越多，转子转动得就越快。“开”与“关”时间的比率也称为占空比。）

2.信号处理：电调会对输入信号进行处理，将其转换为适当的电流输出给电动机。这涉及到使用内部的微控制器或其他电路来解码PWM信号并生成适当的电流输出。

3.驱动电机：根据处理后的输入信号，电调会通过相应的功率晶体管、MOSFET或其他开关元件来驱动电动机。这些开关元件能够快速切换电流，从而实现控制电机转速和方向的能力。

4.反馈控制：一些高级的电调还具有反馈控制功能。它们可以通过传感器（如霍尔效应传感器）来检测电动机的转速，并根据需要调整输出功率以保持所需的转速稳定。

在工作过程中，电调通过精确控制电流的大小和方向，可以实现对无刷电机的精准转速调节。它使用先进的PWM技术，通过调整脉冲信号的占空比来控制电流输出的大小。通常，电调还具备反馈回路，使其能够监测电机的转速和电流情况，并通过调整输出来实现闭环控制。 此外，电调还常常集成了其他保护功能，例如过载保护、低电压保护和温度保护等。这些保护功能能够监测和保护电调及相关电气设备免受损坏和事故。

电机、电池及电调的选择关系

首先要知道这样的逻辑关系:确定电机–>确定电调—>最后确定电池。千万不要不顾电机的情况，盲目选用电池，电调，容易烧毁电机。

螺旋桨

桨叶：

1.规格：

螺旋桨规格一般由4位数字表示，前两位数表示直径，后两 位表示螺距。以1045浆为例，10表示桨的直径是10英寸，45表示浆角（螺距，4.5英寸)（1 英寸=2.54 厘米）

2.螺距：

桨叶旋转一周时沿70%直径处桨叶剖面弦线方向的前进距离。 （相同转速下，螺距越大，产生的升力越大，但同时所需扭矩也变大）

3.桨叶与效率的关系：

桨叶越少，效率越高。效率指的是单个叶片的效率，叶片越少，单片桨叶效率越高；叶片越多，升力会增加，自重和阻力也会增加；考虑到无人机的转速高，所以适合阻力自重低的桨叶。例如，轴距相近、电池规格相同、起飞重量相同的四旋翼无人机和六旋翼无人机做比较的话，四旋翼的航时大于六旋翼。

4.螺旋桨效率:ep=T/P，效率ep(g/W)，升力T(g)，机械能p(W)

5.总升力效率:eT=T/pm，效率eT(g/W),升力T(g)，电机电能pm（w）

升力： 根据牛顿运动定律： T=(mv)=v+m=v

悬停时螺旋桨的功率： P=Tvi

延气流边界积分，可得能量耗散： P=(mv2)=

联立求得：T==ρA（2）=2ρA

电池

一、简介：

电池主要用于为无人机提供能量。锂聚合物电池（Li-Po）用做动力电和高压接收电，通常具有较高的能量密度和功率输出，使其成为许多无人机供电的理想选择。锂聚合物电池的英文全称是Lithium–Polymer Battery，缩写为Li-Po，主要包含两部分: 电池和锂电池保护线路。以3S锂电池为例进行介绍，它由三个单体电池组成，每个单体电池都具有3.7伏特的额定电压，因此3S电池的总额定电压为11.1伏特。

二、性能参数详细说明：

1、S/P

S 表示电池的串联（Serial），P 表示电池的并联（Parallel）。

无人机所使用的电压大多高于7.2V以上，所以锂聚合物电池经常以数个电芯串连而成，单片标示电压3.7V。如果电池标示2S，那就表示是用2个锂电芯串联成7.4V电压（3.7V×2＝7.4V），3S就表示3个锂电池芯串联成11.1V电压（3.7V×3＝11.1V）。

另外有一种标示的方式例为[3S2P]，表示3个锂电池芯串联、2组并联，这意思是将2组3S串联的锂电池芯并联在一起，以2组3S/5200mAh电池来说，并联后容量相加、电压不变，所以该型电池为3S2P/10400mAh。

2、电压

锂聚合物电池通常采用锂芯电池，用LiPo表示，每片锂电池的标准电压为3.7v，即每一节锂电池的电压为3.7。将多节锂电池串联起来提高电压，只有1节锂的电池称为LiPo 1S电池，由3节锂电池串联起来的电池称为LiPo3S。其中，S是串联，3S电池表示3片锂聚合物电池的串联，总电压是11.1V。

3、容量

容量单位：mAh

m＝mili，千分之一单位（毫）

A＝Ampere，中文是安培，代表电流的单位

h＝hour，小时

电池上5200mAh表示电池的容量，表示了动力电池能够存储的电能的多少。

同等于5.2Ah，表示它如果以5.2A放电，可以持续放1个小时，

4、放电倍率

锂电池的C数指的就是该电池的放电倍率，是Capacity的缩写。

30C是指电池放电的速率。以该3S电池为例。

按每小时5200毫安的放电速度持续放电1个小时；

以10倍速度放电，即以每小时52000毫安的放电速度持续放电6分钟（60 / 10）；

最大以30倍速度放电，即以每小时156000毫安的放电速度持续放电2分钟（60 /30）。

三、特性：

高电压输出：电池串联，3S锂电池的总电压相对较高，能够提供更高的电压输出。

较高的能量密度：锂电池作为一种高能量密度电池，3S锂电池通过串联三个电池单体，能够提供更大的储能容量，延长设备的使用时间。

更好的安全性：相比单个锂电池单体，3S锂电池在电压分配和电流平衡方面具有较好的特性，能够提供更稳定和安全的电源供应。

记忆效应低、自放电特性也很低、重量轻。

四、注意事项：

1、电压的使用范围

锂电池的标示电压是3.7V（伏特），充电截止电压为4.2V，最低放电截止电压极限是2.8V。低于2.8V属于过放，几乎无法修复，高于4.2V属于过充，有起火燃烧的危险。

2、充电方式

锂聚电池的充电方式采用定电压、变电流的方式，因为对于电压的要求相当精确，所以务必使用专用的锂电池平衡充电器。充电器的好坏会影响充电精度，从而影响电池的使用寿命。

3、充电电流

锂聚电池的充电最佳电流为0.7C倍率，例如5200mAh（5.2Ah）的充电电流就是3.6A-3.7A（5.2Ah*0.7C=3.64A）。

目前大部分锂聚合物电池可以3～5C充电，虽然有快速充电的优点，但是依照锂聚电池化学反应特性，快速充电会减少电池的寿命，所以在时间充裕的情况下，建议以0.7C的倍率充电。

4、充电温度

充电时电芯温度必须在0-45°C范围内

五、储存要求:

1、电池的储存电压是3.85V左右。满电的锂聚电池因为内部化学反应相当活跃，所以当满电状态存放太久，锂聚电池会自我老化，降低放电能力，最好的存放电压是保持在单片3.85V左右。电池使用后如在3天内不再使用，请将单片电压充至3.85~3.90V保存。再有充好电后因各种原因没有使用，也要在充满后3天内把电池放电到3.85~3.90V保存

2、长期存放电池时(超过3个月)应避免直接日晒、潮湿、远离高温，选择干燥、阴凉处摆放，建议使用防火袋或防爆箱保存。建议环境温度为10~25°C，且干燥无腐蚀性气体。