无人机结构与系统 课件 第4章 无人机动力装置

无人机结构与系统职业教育“十三五”规划教材4.1燃油类发动机一、无人机动力类型无人机的动力类型有两种：燃油动力的发动机和电池动力的电动机。图1无人机发动机的类型一、无人机动力类型图2转子发动机

图3涡轮发动机二、

活塞式发动机

1.活塞式发动机的构造和原理

图4点燃式汽油发动机

图5压燃式柴油发动机二、

活塞式发动机

1.活塞式发动机的构造和原理

图6活塞内结构二、

活塞式发动机

2.活塞式发动机的专业名词解析图7气缸的工作容积二、

活塞式发动机

3.四冲程发动机的工作原理及构造图8四冲程汽油机结构示意图二、

活塞式发动机

3.四冲程发动机的工作原理及构造图9四冲程汽油发动机的工作原理图二、

活塞式发动机

4.二冲程发动机的构造和工作原理图10二冲程汽油发动机结构示意图二、

活塞式发动机

4.二冲程发动机的构造和工作原理图11二冲程发动机工作原理图二、

活塞式发动机

5.二冲程发动机和四冲程发动机的换气过程对比（1）换气时间短，换气质量差；（2）进、排气过程同时进行；（3）扫气消耗功大；（4）二冲程汽油机的HC排放高。：二、

活塞式发动机

6.发动机的系统组成（1）燃油系统（a）汽化器：（b）高速油路：（c）低速油路：（d）油滤：（e）油管：（f）油箱：二、

活塞式发动机6.发动机的系统组成（2）点火系统（a）点火系统的功用是在适当的时间产生点火花，

点燃混合气二行程发动机一般采用磁电机和电

子点火系统。同样,电热式发动机是通过点火

头给火花塞一个初始温度,点燃混合气,在由燃

烧的混合气补给火花塞温度,保持电热丝的点

火温度实现连续点火。（b）火花塞是发动机能否正常运转的重要部件，必

须根据厂家提供的牌号、型号、规格选用，不

可随意更换。二、

活塞式发动机6.发动机的系统组成（3）冷却系统二行程小型发动机多采用自然风冷，依靠螺旋桨产生的或相对运动产生的气流冷却。（4）排气系统发动机排气系统有两个功用：一、降低噪音二、改善发动机性能三、燃气涡轮发动机

1.燃气涡轮发动机组成图12航空涡轮发动机组成示意图1—进气道；2—压气机；3—燃烧室；4—涡轮；5—尾喷管；6—加力燃烧室；7—喷油嘴；8—加力喷油嘴；9—可调喷口作动筒；

三、燃气涡轮发动机

1.燃气涡轮发动机组成(1)进气道进气道是发动机的进气通道，其功用是整理进人发动机的气流，消除旋涡，并利用飞行时冲入的气流提高压力。(2)压气机

压气机(压缩机)是利用高速旋转的叶片对空气作功，以提高空气压力的部件。压气机有离心式和轴流式两种形式。三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(2)压气机（a）离心式压气机图13离心式压气机三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(2)压气机（a）离心式压气机图14单面叶轮和双面叶轮三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(2)压气机(b)轴流式压气机图15典型的三转子压气机三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(3)燃烧室(a)燃烧室的类型①单管燃烧室图16多个单管燃烧室三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(3)燃烧室(a)燃烧室的类型①单管燃烧室图16单管燃烧室三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(3)燃烧室(a)燃烧室的类型②环管形燃烧室图18环管形燃烧室三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(3)燃烧室(a)燃烧室的类型③环形燃烧室图19环形燃烧室三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(4)涡轮图19涡轮三、燃气涡轮发动机1.燃气涡轮发动机组成(5)尾喷管尾喷管是发动机的排气系统，不同的燃气涡轮发动机，尾喷管的设计都有所不同，它一般由中介管和喷口组成。如果发动机装在飞机中部或较长的发动机短舱内，为了将燃气引出机外，在中介管和喷口之间，需要有一个延伸管，其主要作用是将由涡轮流出的、仍有一定能量的燃气膨胀加速，以较大的速度排出发动机，用以产生推力。利用燃气流产生反作用力的发动机都有较长的尾喷管，其作用是使燃气能在其中膨胀加速而获得较大的推力。

三、燃气涡轮发动机2.燃气涡轮发动机的核心机压气机、燃烧室、燃气涡轮是发动机的核心组成部分，称为“核心机”。发动机的工作主要由核心机完成。核心机的工作过程大致如下:空气在压气机中被压缩后，进人燃烧室中与煤油混合烧燃，生成高温燃气去驱动燃气涡轮作高速旋转，涡轮再通过传动轴(即涡轮轴)带动压气机不断吸进空气并进行压缩，使核心机连续工作。在核心机工作时，进气道和尾喷管则分别起空气顺利通过和排出燃气的作用。三、燃气涡轮发动机3.涡轮喷气发动机“涡喷”发动机是利用核心机出口燃气的可用能量，在发动机尾喷管中转变成燃气的动能，以很高速度从喷口排出而产生推动力的一种涡轮发动机。(1)涡轮喷气发动机的特点涡喷发动机核心机与其他涡轮发动机相同。所不同的是尾喷管的设计应能满足燃气充分膨胀加速的要求，从而得到较大的推力。这种喷管以产生推力为主要作用，故称为推进喷管。常见的推进喷管为一收敛管道或先收敛后扩散管道，以利增大排气速度。三、燃气涡轮发动机3.涡轮喷气发动机(2)涡喷发动机的加力燃烧室加力燃烧室有自己的喷油嘴，在使用“加力”时喷出燃油与燃气混合再燃烧，以提高燃气温度，使排气速度和流量都增大，即增大了推力。加力式涡喷发动机的尾喷口的截面积必须是可变的，以保证“加力”时喷口面积增大，使燃气能迅速流出而不影响压气机和涡轮的工作状态，这种喷口叫可调喷口。使用“加力”时，燃油消耗率增加很多，温度也很高,所以只能短时间使用“加力”。涡喷发动机转速高、推力大、直径小，主要适用于超音速飞行，缺点是耗油率大，.特别是低转速时更大，故经济性差。此外，由于排气速度大，噪声也大.。三、燃气涡轮发动机4.涡轮风扇发动机图21涡扇发动机组成示意图1—风扇；2—外涵气流；3—内涵气流；4—动力涡轮；5—尾喷管；三、燃气涡轮发动机5.涡轮螺旋桨发动机图22涡浆发动机组成示意图1—螺旋桨减速器；2—进气口；3—压气机；4—燃烧室；5—燃气涡轮；6—喷管三、燃气涡轮发动机6.涡轮轴发动机涡轴发动机是利用燃气通过动力涡轮输出功率的一种燃气涡轮发动机，已是现代直升机的主要动力装置。涡轴发动机的组成部分和工作原理与涡桨发动机相同，只是核心机出口后，燃气的可用能量几乎全部转变成动力涡轮的轴功率，用以通过减速器带动直升机的旋翼和尾桨，因而燃气不提供推力。动力涡轮的输出轴可以由发动机前部伸出，也可以由后部伸出。三、燃气涡轮发动机6.涡轮轴发动机

受直升机的旋翼和尾桨转速不能太大的限制，动力涡轮必须通过减速器才能带动旋翼和尾桨、涡轴发动机不能用于其他航空器涡轴发动机与活塞式发动机相比较，具有功率大、功率重量比大、体积较小的优点。因此涡轴直升机装载量、航程、升限、速度都比活塞式直升机大，经济性也更好。此外，由于涡轴发动机的运动部件较少，工作又是连续进行，所以振动也比活塞式发动机小:其缺点是构造较复杂，而且制造困难，成本也高。减速器系统又大大增加了重量。4.2电动机

一、电机电池动力装置由电机、电调、电池和螺旋桨四部分组成。1.工作原理无人机使用电动机作为动力具有其他动力装置无法比拟的特点，如结构简单、重量轻、使用方便，可使无人机的噪声和红外特性很小，同时又能提供与内燃机不相上下的比功率。它尤其适合作为低空、低速、微型无人机的动力。民用无人机使用的动力电机可以分为2类：有刷电动机和无刷电动机。其中有刷电动机在无人机领域已经不再使用。一、电机1.工作原理（1）三相驱动桥图23三相驱动桥一、电机1.工作原理(2)反电动势波形

图24反电动势波形

一、电机1.工作原理(3)线圈换相的顺序图25线圈换相的顺序一、电机1.工作原理(4)过零点的30度电角度延迟图26理想的反电动势波形和霍尔传感器输出波形对比图一、电机1.工作原理(4)过零点的30度电角度延迟

图27实际的反电动势波形和霍尔传感器输出波形对比图一、电机2.常用参数电机常用的参数：T数，KV值，尺寸。图28电机二、电调

电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转速。因为电机的电流是很大的平均有3A左右的电流，如果没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样大的电流。同时电调在四轴当中还充当了电压变化器的作用，将11.1v的电压变为5v为飞控板和遥控器供电。对于它们的连接，一般情况下：1.电调的输入线与电池连接；2.电调的输出线（有刷两根，无刷三根）与电机连接；3.电调的信号线与接收机连接。三、螺旋桨

安装在电机上，多旋翼无人机安装的都是不可变总距的螺旋桨，主要指标有螺距和尺寸。浆的指标是4位数字，前面2位代表桨的直径，后面2位是桨的螺距。正反桨：四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相邻的桨旋转方向是不一样的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候，一定记得无论正反桨，有字的一面是向上的（桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致）。

三、螺旋桨

电机与螺旋桨的搭配：螺旋桨越大，升力就越大，但对应需要更大的力量来驱动；螺旋桨转速越高，升力越大；电机的kv越小，转动力量就越大；表4-1电机与浆的选择四、电池

1.电池的性能参数(1)额定电压(2)开路电压(3)工作电压(4)充电电压(5)阻抗(6)容量：(a)理论容量（b）额定容量(c)实际容量图31电池四、电池

1.电池的性能参数(7)比能量和比功率(8)贮存性能和自放电(9)寿命图32镍铬电池四、电池

2.无人机常用电池的类型无人机上常用的电池类型有：锂聚合物电池、镍氢电池、镍铬电池和铅酸电池。其中使用最多的就是锂聚合物电池。图33锂聚合物电池

图34镍氢电池四、电池

2.无人机常用电池的类型图35锂离子电池

图36铅酸蓄电池

四、电池

2.无人机常用电池的类型电池在使用过程中应注意以下几点：(1)每次使用建议单片放电电压下限为3.6v,最好每次使用时保证充满（单片电压4.2v）后使用至3.6v再进行充电。(2)每次使用后保证电池冷却后再进行充电。(3)一段时间可做一次保护电路控制下的深充放以修正电池的电量统计，但这不会提高电池的实际容量。(4)长期不用的电池，应放在阴凉的地方以减弱其内部自身钝化反应的速度。(5)避免过充过放。四、电池

2.无人机常用电池的类型电池在使用过程中应注意以下几点：(6)保护电路也无力监控电池的自放电，长期不用的电池，应充入一定的电量以防电池在存贮中自放电过量导致过度放电的损坏。(7)过充、过放是电池损坏的最常见形式，单节过充电压在4.25V,过放电压在2.75-2.8V，一般充至4.2v，放至3.6v。(8)保证电池的温度≤65