无人机结构与系统教学 课件 项目3 认知无人机动力系统

项目3·认知无人机动力系统任务3.1认知无人机动力系统无人机的心脏——动力系统全景认知课程导入动力系统为心脏，部件分电动燃油，标识表电池参数。无人机动力系统认知01如果把无人机比作人体，飞控是大脑，哪个部件相当于心脏？动力系统相当于无人机的心脏，负责将电能或者化学能转化成机械能，提供无人机飞行需要的推力与拉力。02无人机动力系统由哪些部分组成？电动多旋翼包含螺旋桨、无刷电机、电子调速器（电调ESC）、电池；燃油机型则由发动机与油箱构成。03锂电池标识「3S2200mAh35C」代表什么含义？3S代表3节电芯串联，标称电压11.1V；2200mAh为电池容量，2.2A电流放电可持续1小时；35C代表最大放电倍率，峰值放电约77A。课程目录本任务知识模块无人机的心脏——动力系统全景认知无人机动力系统概述介绍三类无人机动力系统组成，阐述各机型动力工作原理与飞行特点01多旋翼无人机动力系统讲解多旋翼动力四大部件，介绍各部件作用、类型与关键参数及匹配要点02固定翼无人机的动力系统介绍固定翼无人机动力组成，区分电动燃油型，说明工作特点与典型应用0301无人机动力系统概述介绍三类无人机动力系统组成，阐述各机型动力工作原理与飞行特点无人机动力系统概述第一部分·无人机动力系统概述动力系统被称作无人机的心脏，直接决定无人机飞行性能、续航时间与载荷能力。不同机型动力系统组成多旋翼无人机（电力驱动）：电池+电调+电机+螺旋桨固定翼无人机（电动/油动）：电机/发动机+推进器+燃料系统无人直升机：发动机+传动系统+旋翼系统+控制系统，结构复杂多旋翼无人机动力系统组成固定翼无人机动力系统组成无人直升机动力系统组成各机型动力工作特点多旋翼无人机依靠电机驱动螺旋桨，向下推动空气，借助反作用力获得升力；通过调节各组电机转速差，完成姿态与三维运动控制。固定翼无人机依靠机翼与空气相对运动产生压力差获得升力；分为电动、油动两种动力形式。无人直升机主旋翼提供全部升力，尾桨用于抵消主旋翼带来的反扭矩；可垂直起降、悬停，后期维护工作量较大。第一部分·无人机动力系统概述02多旋翼无人机动力系统讲解多旋翼动力四大部件，介绍各部件作用、类型与关键参数及匹配要点多旋翼无人机动力系统第二部分·多旋翼无人机动力系统系统组成螺旋桨、电机、电调、电池四大核心部件。一、螺旋桨作用：把电机转速转化为升力类型两叶桨：主流工业无人机三叶桨：竞速穿越机，动力强正桨CCW（俯视逆时针）、反桨CW（俯视顺时针），多旋翼需要正反桨搭配使用关键参数：直径、螺距，例：1211桨，直径12英寸，螺距11英寸多旋翼无人机两叶桨多旋翼无人机三叶桨多旋翼无人机动力系统第二部分·多旋翼无人机动力系统二、电机作用:驱动螺旋桨旋转，输出升力与推力。电机分类有刷电机：寿命短、效率低，多用于玩具无人机无刷电机：效率高、寿命长，无人机主流选择规格参数解读（例：2208KV1100）22：定子直径22 mm；08：定子高度8 mmKV值：每1V电压对应的电机空载转速多旋翼无人机的无刷电机三、电调（ESC电子调速器）作用：将电池直流电转为交流电，接收飞控指令，调节电机转速。关键参数额定电流、电压工程匹配原则电调最大电流＞电机最大电流，预留安全余量电池电压≤电调最高承受电压匹配不当会造成器件烧毁第二部分·多旋翼无人机动力系统多旋翼无人机动力系统某款无人机电子调速器参数第二部分·多旋翼无人机动力系统多旋翼无人机动力系统四、锂聚合物动力电池（LiPo）因其具有能量高、重量轻、稳定性好、可重复充放电等特点,被广泛应用于多旋翼无人机动力电池中基础参数电压与S数单节标称3.7V，满电4.2V；S代表串联，例：6S电池，总电压6×3.7V=22.2V。容量单位mAh/Ah，代表储存电量多少。放电倍率C代表充放电能力，

最大放电电流=容量×C数。多旋翼无人机的动力电池容量03固定翼无人机的动力系统介绍固定翼无人机动力组成，区分电动燃油型，说明工作特点与典型应用固定翼无人机动力系统第三部分·固定翼无人机动力系统核心组成发动机（电机）、推进器（螺旋桨）、燃料系统（电池）工作特点动力系统主要产生向前推力克服飞行阻力，升力由机翼提供，和多旋翼存在明显区别。电动型：无刷电机+动力电池；燃油型：燃油发动机+油箱供油。典型应用大型长航时固定翼（如翼龙系列），搭载活塞/涡桨发动机，实现长航程、长航时飞行。“翼龙-X”固定翼无人机课堂总结任务3.1认知无人机动力系统无人机动力系统知识总结多旋翼无人机动力系统包含哪四大核心部件？电机主要由哪几个基础结构部分组成？1无人机动力系统概述2多旋翼无人机动力系统动力系统是无人机核心，分别讲解多旋翼、固定翼、无人直升机的动力构成，说明各类机型升力来源、动力形式以及飞行与维护特点。依次讲解螺旋桨、电机、电调、锂电池四大核心部件，说明各自功能、分类、参数含义，介绍器件匹配原则以及锂电池相关知识。3固定翼无人机的动力系统讲解固定翼无人机动力系统构成，动力提供推力，机翼产生升力，分为电动、燃油两种类型，列举大型长航时机型及其长航程的应用优势。探索永无止境读懂无人机结构与系统，也是读懂人类钻研航空科技、拓展低空应用的创新历程项目3·认知无人机动力系统任务3.2分析电机的工作原理旋转的力量——电机工作原理课程导入无刷电机性能更优，标号代表电机参数，KV值决定电机选型。无人机无刷电机基础认知01为什么无人机都用无刷电机而不是有刷电机？无刷电机无碳刷磨损，工作效率高、使用寿命长，可承受大电流，散热性能优异。有刷电机容易产生电火花，部件磨损快，一般只用在小型模型上，不适合无人机。02电机标号「22052300KV」代表什么含义？2205代表电机定子直径22mm、定子高度5mm；2300KV代表每施加1V电压，电机空载转速约为2300转每分钟。03KV值大小意味着什么，如何选型？KV值大，同等电压下转速高，适配小桨，多用于竞速穿越机；KV值小，输出扭矩更大，适配大桨，适合航拍、植保这类重载作业。课程目录本任务知识模块旋转的力量——电机工作原理电机的分类按电源划分交、直流电机，介绍各类电机换向方式与性能优缺点01电机的结构电机由定子、转子、气隙构成，分工协作完成电能到机械能的转换02三相异步电机的工作原理介绍三相异步电机结构，阐释电磁感应原理及转子转速低于磁场的异步特性0301电机的分类按电源划分交、直流电机，介绍各类电机换向方式与性能优缺点电机的分类第一部分·电机的分类电机定义电机又称马达，是把电能转化为机械能的动力装置。按电源类型划分：直流电机、交流电机一、直流电机（直流电压供电）1.有刷直流电机换向方式：电刷与换向器机械摩擦换向优点：结构简单、成本低缺点：效率低、寿命短、会产生电火花2.无刷直流电机换向方式：电子开关器件实现电子换向优点：效率高、寿命长、无火花、噪声低缺点：控制电路复杂，成本较高二、交流电机分类（交流电压供电）1.异步电机（感应电机）转子转速＜同步转速，存在转差鼠笼式异步电机：结构简单、坚固耐用绕线式异步电机：启动转矩大，调节性能优异2.同步电机转子转速=定子磁场同步转速，无转差永磁式同步电机：效率高、体积小巧电励磁式同步电机：励磁电流可调，控制灵活鼠笼式和绕线式转子实物图电机的分类第一部分·电机的分类02电机的结构电机由定子、转子、气隙构成，分工协作完成电能到机械能的转换电机的结构第二部分·电机的结构一、定子（静止部分）组成：绕组或永磁体作用：产生磁场、感应电动势；交流电机通入三相电可生成旋转磁场。二、转子（旋转部分）作用：和定子磁场相互作用产生转矩，输出机械能，完成电能‑机械能转换。三、气隙（定、转子之间空隙）机械层面：隔离定子与转子，避免二者发生摩擦接触电磁层面：保障磁场传递，实现能量转换电机主要组成部分03三相异步电机的工作原理介绍三相异步电机结构，阐释电磁感应原理及转子转速低于磁场的异步特性。三相异步电机的组成部分第三部分·三相异步电机的工作原理主要组成定子部分定子绕组：3组绕组，空间互差120°，通入三相电产生旋转磁场定子铁心：聚拢、引导磁通，提升电机效率转子部分转子绕组：鼠笼条或绕线结构，感应生成电流转子铁心：导磁，降低能量损耗辅助系统电源、启动保护装置、制动系统、冷却系统三相异步电机的工作原理第三部分·三相异步电机的工作原理转动过程三相交流电通入定子绕组→产生旋转磁场旋转磁场切割转子导体→转子产生感应电流（电磁感应）载流转子导体在磁场受力→生成电磁转矩转子跟随旋转磁场转动“异步”含义转子转速始终低于旋转磁场同步转速，存在转差。若转速相等，无相对切割，不会产生感应电流，转矩消失。转动必备条件①存在主动旋转的磁场②有可被旋转磁场驱动的转子导体三相异步电机工作原理课堂总结任务3.2分析电机的工作原理电机的工作原理知识总结电机的三大基础结构分别是什么，各自起到什么作用？1电机的分类2电机的结构讲解电机将电能转为机械能，分为直流、交流两大类，分别介绍各子类工作特点，对比不同电机结构、转速特性以及优缺点。电机主要包含定子、转子与气隙三部分，定子生成磁场，转子产生转矩输出机械能，气隙兼顾机械隔离与磁场传递，共同实现能量转换。3三相异步电机的工作原理由定子、转子与辅助系统组成，依靠旋转磁场电磁感应生成转矩，转子转速低于同步磁场转速，具备磁场与转子导体两大转动必备条件。探索永无止境读懂无人机结构与系统，也是读懂人类钻研航空科技、拓展低空应用的创新历程项目3·认知无人机动力系统任务3.3分析活塞式发动机的工作原理燃烧驱动飞行——活塞式发动机解析课程导入四冲程四步做功，航发适合长航时，原理同配置有别。航空活塞式发动机原理01汽车四冲程发动机如何工作？依次完成进气、压缩、做功、排气，曲轴转两圈完成一次做功循环。02航空活塞发动机有哪些特点？分二冲程、四冲程，驱动螺旋桨，燃料能量密度高，适配长航时固定翼。03航空与汽车活塞发动机有何异同？工作原理相同，燃料、散热、可靠性、供油、减速器配置存在区别。课程目录本任务知识模块燃烧驱动飞行——活塞式发动机解析活塞式发动机概述活塞发动机将热能转为机械能，对比二、四冲程，说明航空使用特点01活塞式发动机的结构组成讲解活塞发动机各部件功能，介绍气门等机构与星型、V型气缸布局02四冲程活塞式发动机的工作原理依次完成进气、压缩、做功、排气，循环实现热能向机械能转换0301活塞式发动机概述活塞发动机将热能转为机械能，对比二、四冲程，说明航空使用特点活塞式发动机概述第一部分·活塞式发动机概述定义活塞式发动机（往复式发动机）：依靠活塞在气缸内往复运动，把燃料的热能转化为机械能。二冲程与四冲程对比二冲程：曲轴旋转1周完成完整工作循环；结构简单，热效率低四冲程：曲轴旋转2周完成完整工作循环；热效率高，应用广泛航空应用特点航空活塞式发动机大多为四冲程，搭配螺旋桨输出动力。活塞式发动机示意图02活塞式发动机的结构组成讲解活塞发动机各部件功能，介绍气门等机构与星型、V型气缸布局活塞式发动机的结构组成第二部分·活塞式发动机的结构组成曲轴把活塞往复运动转变为旋转运动，输出动力气缸混合气燃烧场所，外壁散热片实现散热活塞气缸内往复运动，承受燃气压力连杆连接活塞与曲轴，传递动力活塞式发动机的结构组成第二部分·活塞式发动机的结构组成气门机构：控制进、排气门定时开闭，完成进排气螺旋桨减速器：降低曲轴转速，增大扭矩，驱动螺旋桨机匣：发动机外壳，支撑、固定全部零部件气缸（两种典型排列）星型：气缸环绕曲轴布置；5/7/9缸较为常见，航空领域大量使用，多缸协同输出大功率。V型：气缸呈V字形排布。活塞式发动机气缸布局03四冲程活塞式发动机的工作原理四冲程发动机依次完成进气、压缩、做功、排气，循环实现热能向机械能转换四冲程活塞式发动机的工作原理第三部分·四冲程活塞式发动机的工作原理航空活塞发动机多为四冲程。一个完整工作循环包含4个冲程：进气、压缩、做功、排气，循环往复，将燃料热能转化为机械能。活塞式发动机工作四个冲程示意图活塞式发动机实物图进气冲程与压缩冲程第三部分·四冲程活塞式发动机的工作原理活塞式发动机进气冲程示意图活塞式发动机压缩冲程示意图进气冲程进气门打开，排气门关闭活塞从上止点向下运动，气缸容积增大，吸入油气混合气理论空燃比：汽油∶空气=1:14.7压缩冲程进、排气门全部关闭活塞从下止点向上运动，压缩混合气混合气压强、温度升高，为点火做准备做功冲程与排气冲程第三部分·四冲程活塞式发动机的工作原理活塞式发动机做功冲程示意图活塞式发动机排气冲程示意图做功冲程（膨胀冲程）压缩末期火花塞点火，混合气快速燃烧缸内温度、压强急剧上升高温燃气推动活塞向下运动，带动曲轴输出动力排气冲程进气门关闭，排气门打开活塞从下止点向上运动，将燃烧后的废气排出气缸课堂总结任务3.3分析活塞式发动机的工作原理知识总结四冲程活塞式发动机完整工作循环包含哪四个冲程？它实现了怎样的能量转换？1活塞式发动机概述2活塞式发动机的结构组成活塞式发动机依靠活塞往复运动转换热能为机械能，区分二冲程、四冲程循环差异，航空多采用四冲程，搭配螺旋桨输出动力。介绍活塞式发动机气缸、活塞等核心零件作用，讲解气门、减速器等机构，说明星型、V型两种气缸排布形式及其航空应用特点。3四冲程活塞式发动机的工作原理由进气、压缩、做功、排气四个冲程构成循环，混合气经吸入压缩燃烧膨胀做功，最后排出废气，将燃料热能转化为输出机械能。探索永无止境读懂无人机结构与系统，也是读懂人类钻研航空科技、拓展低空应用的创新历程项目3·认知无人机动力系统任务3.4认知燃气涡轮发动机高速旋转的涡轮——燃气涡轮发动机认知课程导入气流连续式做功，燃气喷射生推力，类型多各有优劣。燃气涡轮发动机工作原理与特点01燃气涡轮发动机与活塞式发动机工作原理的本质区别是什么？活塞式发动机属于往复间歇做功；涡轮发动机为连续气流做功。空气经压缩、燃烧后高速喷出，依靠动量变化，遵循牛顿第三定律来产出推力。02燃气涡轮发动机为什么能够产生巨大推力？压气机对空气进行大幅度压缩，压缩后的空气和燃油混合燃烧，生成高温高压燃气高速向外喷出。涡扇发动机还额外依靠大涵道风扇，和核心喷流一起共同输出推力。03燃气涡轮发动机有哪些主要类型，具备怎样的优缺点？分为涡喷、涡扇、涡桨、涡轴，无人机常使用涡扇、涡桨，直升机多用涡轴。它功率密度高、振动小，适配高速大载重场景；但耗油率偏高，制造成本昂贵。课程目录本任务知识模块高速旋转的涡轮——燃气涡轮发动机认知燃气涡轮发动机的发展历史简述燃气轮机国内外发展历程，介绍国内机型与航空四类燃气涡轮发动机01燃气涡轮发动机的核心部件介绍压气机、燃烧室、涡轮三大核心部件的功能、分类与结构02燃气涡轮发动机的工作原理燃气涡轮依布雷顿循环，经进气加压燃烧排气，实现热能向机械能转换0301燃气涡轮发动机的发展历史简述燃气轮机国内外发展历程，介绍国内机型与航空四类燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机的发展历史第一部分·燃气涡轮发动机的发展历史国外发展历程1791年｜英国约翰・巴伯，提出燃气涡轮发动机原始构想1872年｜德国施托尔策，设计全叶片式燃气涡轮发动机，试验失败1905年｜法国勒梅尔、阿芒戈，造出首台可输出功率样机，效率低未实用1920年｜德国霍尔茨瓦特，第一台实用燃气涡轮发动机20世纪30年代｜高效率轴流式压气机、耐热钢问世，等压加热循环实现应用阿芒戈-勒梅尔燃气涡轮发动机霍尔茨瓦特1920年发明的燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机的发展历史第一部分·燃气涡轮发动机的发展历史国内自主发展R0110重型燃气轮机国内首台具备自主知识产权的重型燃气轮机牵头单位：中科院工程热物理研究所2008年12月，在沈阳完成国家阶段验收R0110重型燃气轮机航空燃气涡轮发动机四大基本类型涡轮喷气发动机（涡喷）涡轮螺旋桨发动机（涡桨）涡轮风扇发动机（涡扇）涡轮轴发动机（涡轴）02燃气涡轮发动机的核心部件介绍压气机、燃烧室、涡轮三大核心部件的功能、分类与结构压气机第二部分·燃气涡轮发动机的核心部件功能：高速旋转叶片对空气做功，提高进气压力，向燃烧室供给高压空气。两类结构

轴流式压气机：多级转子+静子，效率高，多用于大型航空发动机离心式压气机：叶轮结构，结构简单，多用于辅助动力装置压气机燃烧室第二部分·燃气涡轮发动机的核心部件燃烧室功能：将压缩空气与燃料混合，持续燃烧，生成高温高压燃气。常见结构形式：环形、管形、环管形主要组成：火焰筒、喷油嘴、点火装置涡轮第二部分·燃气涡轮