当我们用手搓动竹蜻蜓后,旋转的速度就会产生升力,让竹蜻蜓起飞。

同理,多旋翼无人机也是通过螺旋桨的旋转来产生升力起飞的,其中手搓施予竹蜻蜓的动力,在无人机上由电机来完成,电机带动旋翼转动产生压力差,从而带动无人机升空飞行。
​无人机关键零部件——电机
以四旋翼飞行器为例,多旋翼无人机飞行原理如下图所示,电机1和电机3逆时针旋转的同时,电机2和电机4顺时针旋转,飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均会被抵消。通过调节不同电机的转速可以实现4个方向上的运动,分别为:垂直、俯仰、横滚和偏航。
​无人机关键零部件——电机
所以电机是无人机的核心组件之一。电机又称为马达,能将电能转化为机械能,带动无人机完成起飞、悬停、降落和移动等动作。电机的功率和效率直接影响到无人机的性能和飞行时间。
​无人机关键零部件——电机

无人机电机分类

电机分为直流(DC)电机和交流(AC)电机两种,其中直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor,BLDC)。无人机上常用的是直流电机。
​无人机关键零部件——电机
图 有刷直流电机(左一和左二)&无刷直流电机(右一)
有刷直流电机主要由固定不动的磁极定子、可转动的线圈转子、换向器和一对电刷(电刷主要材质为石墨,因此也被称为碳刷)组成。
​无人机关键零部件——电机
图 有刷直流电机内部结构
有刷直流电机采用机械换向,磁极定子和电刷不动,线圈转子和换向器旋转,电刷和换向器产生摩擦,使线圈按照一定的频率实现电流的换向,从而实现转子的连续旋转。有刷电动机优点在于开发简单、低成本,但效率较低、寿命较短,主要用于小型无人机。
​无人机关键零部件——电机
无刷直流电机主要由用磁极转子、多级线圈绕组定子和霍尔效应位置传感器(非必须)组成。工作原理基于电磁感应和磁场相互作用,定子包括多个线圈,通常由绝缘导线绕制而成,并固定在电机的外壳上。转子由永久磁铁组成,通常排列成一种特定的形式。电子调速控制器(ESC)控制定子线圈中的电流,产生磁场,并使转子开始旋转。其优点包括高效率、高功率密度、低噪音和长寿命。
​无人机关键零部件——电机
图 无刷直流电机内部结构
电机的型号一般以尺寸为依据。比如,有刷370电机,是指它不包括轴的长度是37mm;无刷外电子2208电机是指它定子线圈的直径是22mm,不包括轴电子线圈的长度是8mm。
无人机上应用的其他类型电机
1、空心杯电机:空心杯电机是一种特殊的直流电机,采用无铁芯转子,具有高能量转化效率、快速响应速度、拖动特性和高能量密度等特点。空心杯电机能量转化效率一般超过70%(传统电机的转化效率通常在70%以下),部分产品能够达到90%以上,常用于航模无人机。
​无人机关键零部件——电机
2、伺服电机:伺服电机是一种将直流电机、驱动器、编码器结合在一起的伺服系统,具有高集成度、高精度控制、快速响应和高效运行等优点。常用于系留无人机或无人机的云台控制系统。用于云台系统时能提供精准的控制,使无人机拍摄的画面更加稳定平滑。
​无人机关键零部件——电机

电机的关键技术指标

与无人机动力特性最相关的指标是转速、电流和功率。
转速一般用KV来表示,所KV是指每伏特(V)能达到的空载每分钟转速。比如,使用KV1000的电机,11. 1V电池,电机转速应该是1000×11. 1=11100,即每分钟11100转。KV值越高,电机转速越高,但提供的扭矩会相应降低。
电流和功率决定了电机的输出能力和负载能力。选型时需根据无人机的重量和飞行需求进行匹配。电流(A)过大会导致电机过热,电流过小则会导致无法提供足够的推力。功率(W)越大,电机的推力也就越大。
总结:电机适合为低空、低速、小型无人机提供动力,具有结构简单、重量轻、使用方便,减少无人机的噪声和红外特征等,同时又能提供与内燃机不相上下的比功率,适用于物流、植保、监测等领域。
无人机产业链逐渐完善,包括无人机研发、生产、销售、培训、维修等领域。上游环节主要包括无人机主机、发动机、传感器等关键部件的研发和生产;中游环节是无人机整机制造;下游环节为无人机应用服务,包括航拍、测绘、巡检、农业植保等。欢迎产业链上下游企业加入无人机产业链讨论群,共同交流学习。
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作者 ab, 808

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