关于四旋翼无人机的总体动力效率研究

刘楷成

重庆市育才中学

关于四旋翼无人机的总体动力效率研究

刘楷成

重庆市育才中学

为了更好的对四旋翼无人机的总体动力效率进行研究，本文针对电机效率以及电机的工作温度进行了对比实验。在介绍了电机的原理与旋翼分类的基础上，对实验平台以及实验原理进行了分析，最后进行了电机推力效率以及电机温度实验测试。

四旋翼无人机；电机温度；电机效率

前言

科学技术的不断进步，使得我国的多旋翼控制技术日渐成熟，多旋翼飞行器也在大范围内得以推广使用，特别是在电力行业。但是，多旋翼飞行器的续航能力较固定翼无人机而言，均在较大的差异，极大了限制了自身发展。鉴于此，本文分别站在推力效率与电机工作温度这两方面，对四旋翼无人机的动力效率问题进行了全面的性能测试，以期为多旋翼无人机动力系统的的优化设计，提供更加全面的实验数据支撑。

一、电机原理与旋翼分类

（一）电机原理

通常情况下，多旋翼无人机均是选择外转子无刷电机，主要是因为其外转子电机的扭矩比较大[1]。而电机KV值指的是空载状态下，电机的电压没增加1V时，转速增加的数值，KV值越高转速便越快，其所适配的螺旋桨的尺寸也越小。

在选择电机的过程中，电机自身的最大推力范围、电机温升、电机重量、电机使用以及推力-推力效率曲线、推力-功耗曲线等，是最应该注意的参数选择。

（二）多旋翼分类

通常情况下，多旋翼螺旋桨指的是定距浆，多数用连续的四位数字来表示，数字的前两位代表浆径，后两位表示的则是螺距，其数字单位是in，1in=25.4mm。一般来说，浆叶的数量越多，则其升力便越大，对应的电机螺旋桨的推力效率便越低[2]。多旋翼螺旋桨主要包括正浆与反浆，正浆指的是从浆的顶部向下看时，处在逆时针旋转状态下的螺旋桨，而反浆指的则是从浆的顶部向下看时，处在顺时针旋转状态下的螺旋桨。

二、实验平台以及实验原理

（一）实验平台的结构

驱动器是由电源模块进行供电的，并且由遥控器对驱动器进行控制，驱动电机工作，进而驱动螺旋桨转动，螺旋桨转动之后会产生一定的升力，驱动杠杆沿着支架进行倾转，并在杠杆原理的作用下，升力会从配重块传递到电子秤上，进而实现升力测量；与此同时，利用电源模，可以对电源的供电电压与供电电流进行测量，进而计算出电源的消耗功率。

其中：P是消耗电功率，单位为W；

U是电源电压，单位为V；

I是电源的供电电流，单位为A；

由力矩平衡理论可以得知：

其中：F升是螺旋桨升力，单位为N；

G左是左侧螺旋桨组件的总重量，单位为N；

L左是螺旋桨轴线与轴承之间的距离，单位为mm；

G右是配重的重量，单位为N；

N压是配重对电子秤的压力，单位为N；

L右是配重杆轴线与轴承之间的距离，单位为mm。

因结构尺寸导致：

L左=L右

故：

因电子秤能够归零，故ΔG可以为0，代入上式可得：

由牛顿第三定律可以求得：

其中：M读是电子秤的读书，单位为g；

G是重力加速度，单位为m/s2；

其中：η是系统推力效率，单位是g/W。

（二）测试内容

测试动力系统效率应该从以下两方面入手，一是推力效率曲线的测试，二是电机工作温度的测试[3]。其中，推力效率的测试，主要包括螺旋桨推力测试、电压与电流测试、油门开度测试；而电机工作温度测试主要应测试电机温度、油门开度等参数。

测试需要用到的实验设备主要包括：电机、电源、电子秤、螺旋桨、接收机、电调、红外测温枪以及测试实验台实物[4]。

三、电机推力效率以及电机温度实验测试

（一）推力效率测试

推力效率的测试主要利用杠杆式拉力测试实验台，并分成四步骤进行：

（1）首先，要将动力电机与螺旋桨安装在实验台之上的对应位置上；

（2）测试台通电，设置测试电压，并且完成相应的校准操作；

（3）将油门开度合理控制在20%至100%的区间内，且每隔5%设置一个采集数据点，并在每个数据点稳定10s后，在开始采集功率以及推力读数；

在本次实验中，选择统一规格的电机，以及29*9.5、28*9.2、27*8.8、26*8.5、22*6这5种不同规格的螺旋桨，分别在电压为44.4V、22.2V与29.6V的情况下进行实验，并将其进行组合实验。

首先，对同一款电机，在电压相同的情况下，对比尺寸不同的螺旋桨的工作推力、电流以及效率。

对上述曲线进行分析，可以得出如下结论：（1）同一规格电机在浆叶不同的情况下，电流值会随着拉力的增加而增加，并且浆径越大，拉力越大，需要的电流消耗也就越大[5]。但是，在拉力相同的情况下，螺旋桨的浆径越大，电流就越小。

其次，对于同一规格的电机，施加不同的工作电压对比不同规格的螺旋桨的工作推力、电流以及工作效率进行。

在符合上述规律的前提下，通过对比分析可以看出，同一规格的电机，在螺旋桨浆径相同的条件下，若最大的拉力值与电流值越大，则其拉力与电流的范围便越大，且在某种特定的拉力条件下，电源电压越大，螺旋桨的工作效率越高[6]。但是，由于电机与电池自身重量以及效率问题的影响，并非是电压大效率高的组合就是最佳组合。

（二）电机工作温度测试

在测试电机工作温度的过程中，需要借助非接触式红外测温设备，其测温的范围大概在0℃至100℃之间，精度为1%，电源为24V直流电压。在测试电机工作温度之前，需要将红外测温设备事先安装在试验台架之上，具体步骤如下：

（1）电机温度。将电机与螺旋桨安装再杠杆实验台的相应位置上，之后对测试台架电，设置测试电压，完成校准操作，同时对环境温度进行记录：首先，对油门开度进行控制，使其在50%、75%、100%时分别停留三分钟，并将电机的工作温度进行测量与记录；其次，在测试的过程中，必须保证外界环境温度相同[7]。此次试验中，选择上文中叙述的拉力与效率测试组合形式，各自进行温度测试，在50%、75%、100%三个信号输出位置上测得电机温度之后，借助红外测温设备对电机的温度数据进行采集。

（2）不同角度和状态数据。对于同一电机而言，当电压与螺旋桨保持不变时，电机外转子的温度变化，对其进行分析可知：调速器输出增加，则电机的工作温度也会增加。同时，电机螺旋桨的直径不断增大，其工作时的温度也会增加。

结论

本文主要从推力效率与电机工作温度这两方面为着手点，对四旋翼无人家的总体动力效率进行了实验分析，通过对实验数据进行分析可知：电机的工作效率是受拉力输出影响的，拉力不断增加则电机的工作效率便会不断降低。因此，在对多旋翼无人机的动力系统进行优化的过程中，必须重点关注拉力变化对电机工作效率的影响，进而不断的增强多旋翼无人机整体的动力效率。

[1]史腾飞，陈国青，刘荣海，等.四旋翼无人机的动力效率实验研究[J].云南电力技术，2017，01：73-78.

[2]王刚，胡峪，宋笔锋.利用螺旋桨动力配平的飞翼布局无人机[J].西北工业大学学报，2014，02：181-187.

[3]张秦岭，黄建，刘晓倩.长航时太阳能无人机总体设计方法和分析[J].空军工程大学学报（自然科学版），2014，02：12-15.

[4]齐俊桐，刘金达，杨丽英，等.自研软翼无人机自主飞行控制与仿真研究[J].系统仿真学报，2015，12：2988-2997.

[5]李洋，靳宏斌，赵晓霞，等.钝前缘三角翼无人机气动特性研究[J].航空工程进展，2016，02：158-164+258.

[6]王俊伟，贾峰勇，张梁.3种旋翼无人机飞行作业参数测定及农药剂型比较[J].中国植保导刊，2014，S1：55-58.

[7]王刚，胡峪，宋笔锋，等.电动无人机动力系统优化设计及航时评估[J].航空动力学报，2015，08：1834-1840.