旋翼和电动机的选择原则及效率

2023-07-05 理论教育版权反馈

【摘要】：对于四旋翼无人机而言，升力和姿态变化都靠旋翼的旋转提供，这意味着旋翼不止需要提供悬停时与重力平衡的拉力，还必须能够为飞行或机动提供足够动力。整个动力部分的效率要看做一个整体，因此当求得无人机旋翼需要的最大拉力值和常用拉力值后还要结合电动机进行选择。电动机型号：详细内容可见5.5节，一般包含电动机尺寸数据，KV值等参数。在进行旋翼与电动机选择时，应当使旋翼的常用拉力数值对应尽量高的力效值。

对于四旋翼无人机而言，升力和姿态变化都靠旋翼的旋转提供，这意味着旋翼不止需要提供悬停时与重力平衡的拉力，还必须能够为飞行或机动提供足够动力。除此之外在很多实际任务中，一款无人机系统在设计之初就需要考虑有效负载的扩展能力，因此功重比或者拉重比是进行旋翼与电动机选择时首先要确定的参数，功重比的表达式如下：

其中L为无人机系统应当提供的总升力，G表示无人机起飞重量上限，λ是一个无量纲的比值常数。功重比的大小表示了无人机升力与重力之间的比值关系，λ越大表示无人机动力部分相对于系统重量而言能够提升的总升力越大，读者可以直接将功重比看做用无人机整体负载重量对无人机升力进行度量的参数。

根据不同的设计要求，功重比的确定是比较灵活地。为了达到最优效果，在很多研究或工程实现中会对功重比进行反复的设计与验证，在实际工程中比较常见的功重比λ=2，表示无人机旋翼系统能够提供约为整个系统自重两倍的升力值。

对于四旋翼无人机而言，易得每个电动机的升力值为：

其中f_maxi为第i个旋翼所应产生的最大升力，i=1，2，3，4。通过（5.4）（5.5）我们可以计算出每个旋翼的具体拉力值，结合前面的公式：（5.2），（5.3）我们就可以得到需要的电动机转速。但这里需要注意的是，无人机系统在大多数情况下拉力不会达到最大值，尤其对于航拍或其他常处于悬停、匀速飞行等状态的任务而言。在更多情况下，旋翼提供的拉力应与重力相同，即：F=G=0.5L。所以在旋翼的选择中，应当根据厂商提供的表格，选择拉力值与重力相同时实现最高效率。

整个动力部分的效率要看做一个整体，因此当求得无人机旋翼需要的最大拉力值和常用拉力值后还要结合电动机进行选择。此时有两种途径获取设计所需要的详细参数：①读者可以自制拉力试验台，进行电动机、旋翼的组合测试，通过测试结果进行选择。②可以通过查询拉力数据表进行型号选择。城堡建议独立研发人或小型团队选择后者，一方面厂家提供的相关数据可以实现对多数设计要求的覆盖，从效果来说无需读者自行测试。另一方面，组装试验台并进行测试，对于个人而言在数据出错率与实验成本上都比较高。但对于大型团队或者有实力与野心的公司而言，建立自己的测试环境并进行数据积累是很有必要的。

表5.2 朗宇电动机X2216拉力数据表（图表来源：rcsunnysky.com）

市面上的成品旋翼或电动机产品所需要的拉力数据表由电动机厂家直接提供，大家可以登录电动机厂家的官方网站或者相关论坛自行下载。电动机厂家会根据电动机型号针对不同尺寸的旋翼进行测试，并将测试结果形成表格，以便买家获取足够的信息。在拉力数据表中常见的数据类型包括：电动机型号、螺旋桨尺寸、电压、电流、油门开度、拉力（推力）、转速、功率、力效等。

电动机型号：详细内容可见5.5节，一般包含电动机尺寸数据，KV值等参数。

螺旋桨尺寸：包括长度和扭矩系数。对于螺旋桨，结合公式（5.2）可以粗略认为，较大尺寸的螺旋桨在相同转速下提供的升力更大。然而带动更大的螺旋桨旋转意味着电动机需要克服的扭矩更大，对应电动机的电压值也会更高些，因此仅仅通过增加旋翼尺寸来提升旋翼升力的想法是不全面的。

电压值：无刷电动机可以工作在不同的电压值下，这取决于电调的输出电压。我们可以通过电压值结合无人机的KV值获取无人机的转速r≈U∗KV（rpm），转速高低将影响旋翼升力以及电动机效率。

电流：当电动机电压值不同时，流过电动机的电流值也会不同，该数据是电调选择的重要参考。

油门开度：该数据可以直观地理解为遥控器油门输入数据，是进行旋翼、电动机配对的重要参数。当得到每个旋翼的单独升力之后，尽量使常用拉力在50%左右的油门开度范围内，可以保证2∶1的力效比。

拉力：该数据是对应型号的电动机和螺旋桨，在给定电压（转速确定）与指定油门开度下的数据值。

转速：该数据是由电动机KV值和电动机电压共同决定的，当电压过高时，转速也会提高，这对于电动机而言，意味着相同尺寸数据下的螺旋桨会产生更大的扭矩，会对力效值产生影响。

功率：通过该数值可以得到电动机与旋翼系统构成的动力部分电能消耗速度。对于多旋翼无人机而言，动力系统是主要的电力消耗环节，因此根据该参数结合无人机悬停状态下的飞行时间可以大致确定无人机系统需要的能量单元规格，所以该数据对于能量单元（对于小型多旋翼无人机而言即航电电池）选型非常关键。

力效（效率）值：该数值与力效比不同，力效比的本质是通过无人机自重来衡量无人机升力大小，因此力效比本身是一个无量纲常数。但力效值则描述了动力系统单位功率下产生的推力值，单位：kg（g）/W，该数值越高，表明相同能量消耗速率下动力部分产生的升力值越高。从本质上来说，该数值是用升力来描述对应系统的能量利用效率。在进行旋翼与电动机选择时，应当使旋翼的常用拉力数值对应尽量高的力效值。

城堡在这里将多旋翼无人机螺旋桨与电动机的设计，选择流程简要总结如下：

a.根据整机重量及功效比计算每个旋翼的最大升力与常用升力；

b.根据价格质量选择备选电动机，获取电动机拉力数据表；

c.结合50%左右的油门开度选择满足常用升力中力效值最高的电动机和螺旋桨；

d.记录下该种选择中的功率值、电压值、电流值，以备后续硬件设计参考之用。

需要强调的是，上面这些参数是拉力数据表中最为常见的类型，掌握它们的本质，理解它们描述的核心是我们真正需要关注的重点。而简单背下这些参数的解释是没有太大意义的，我们需要思考实际的工程项目，来建立自己对无人机系统的“描绘”。在未来可能预见的工作中，也许很多参数没有被包含在常见参数表中，比如温度、湿度等，而这些参数在某些特殊任务中是不能被忽视的。

旋翼和电动机的选择原则及效率

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