多旋翼无人机技术基础(第2版)课件 第4章多旋翼无人机动力装置

多旋翼无人机技术基础

（第2版-4）符长青博士多旋翼无人机发动机的分类

发动机是能够把其他形式的能转化为机械能，进而产生拉力或推力的机器，是多旋翼无人机动力装置的核心，被视为多旋翼无人机的心脏。发动机电动机无刷电动机有刷电动机燃油发动机活塞发动机往复式活塞发动机旋转式活塞发动机定轴涡轮发动机涡轮轴发动机自由涡轮发动机发动机的功用与要求

评定发动机品质的主要指标有性能参数与可靠性、耐久性等。其基本要求归结如下：

（1）功率重量比大：要保证足够大的功率而自重又很轻。

（2）耗能小：耗电（油）率是指单位功率（1牛顿或1马力）

在1小时内所耗电的度数或油料的重量。

（3）体积小：发动机应在保证功率不减小的前提下，力求体

积较小。

（4）工作安全可靠、寿命长

（5）维护方便直流电动机及其附件和系统（1）无刷直流电机系统①无刷直流电机：无刷直流电机属于外转子电机，没有电刷。②电调：主要作用是控制电机的转速。③电池：电池用来给电机供电，有聚合物锂电池、燃料电池等。④平衡充电器：专用电池必须要用平衡充电器进行充电。⑤传动系统：微型机载重小，旋翼叶片直接安装在电动机的转轴上（2）空心杯有刷直流电机系统①空心杯有刷直流电机：空心杯有刷直流电机转子无铁芯。②MOS管：用做驱动电路。③电池：锂电池用来给电机供电。④平衡充电器：专用电池必须要用平衡充电器充电。燃油发动机及其附件和系统（1）发动机：

航空发动机将燃油的化学能转换为机械能，带动旋翼旋转产生升力（2）燃油系统：

用于存贮和向航空发动机的油泵供给燃油，保证发动机正常工作。（3）滑油系统：

滑油系统由带过滤装置的滑油箱、导管和空气滑油散热器组成，其

功用是向发动机供给需用的滑油，并进行过滤和散热，保证一定量的

滑油循环使用。（4）传动系统：燃油发动机所提供的动力要经过传动系统才能到达

旋翼主轴，传动系统性能好坏直接影响多旋翼无人机的性能和可靠

性。直流电动机的定义和类型

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。如果从轴上输入机械功率，电机作发电机运行，向外输出直流电能。如果从电刷上输入电功率，电机即作电动机运行，向外输出机械功率。这种同一台电机在不同的外界条件下作发电机或电动机运行的原理，称为电机的可逆性原理。

直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型：

（1）他励直流电机

（2）并励直流电机

（3）串励直流电机

（4）复励直流电机直流电动机的基本结构和特性（1）直流电动机的基本构造分为三部分①定子：定子是电机的静止部分。②转子：转子是电机的转动部分。③气隙：在小容量电机中，气隙为0.5～3mm。（2）直流电动机的特性①调速性能好：直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑

的无级调速，而且调速范围较宽。②起动力矩大：直流电动机起动力矩大，且在重负载下可以均匀而

经济地实现转速调节。无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机是多旋翼无人机使用最多的动力来源，由电动机主体和电子调速器（电调）两部分组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机的基本结构与有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反。有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢。无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机。无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机依靠改变输入到定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了。电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，控制电机的转速，以满足使用需要。

无刷直流电机的结构是比较简单的，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器（电调），好的电子调速器需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程总体控制，所以价格要比有刷电机高很多。无刷直流电机的KV值

无刷直流电机KV值定义为“转速N”，表示输入电压增加1伏特，无刷直流电机空转转速增加的转速值。

（1）KV值与绕线匝数的关系：无刷电机KV值体现了电机扭力性能，当加上负载后，其极速降落到空载极速的60%－70%，对于同种尺寸规格的无刷直流电机来说，KV值与绕线匝数的关系有：

①绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大。

②绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小

（2）在低电压环境下，KV值对输出功率的影响有：

①KV值低的，由于转速偏低，适合配较小减速比和较大的螺旋桨

②KV值高的，由于转速较高，适合配较大减速比和较小的螺旋桨

（3）在高电压环境下

，KV值对输出功率的影响有：

①KV值低的，在此电压环境下可以达到较高的转速，扭力比较大。

需要配合较大的减速比和较小的螺旋桨

②KV值高的，在该环境中转速过高，为避免电流过大，要减少负荷无刷直流电机的指标参数（1）标称空载电流和电压：在空载试验时，对电动机施加标称空载电压（通常为10V），使其不带任何负载空转，定子三相绕组中通过的电流，称为标称空载电流。（2）最大瞬时电流和最大持续电流：电机能承受的最大瞬时通过的电流，电机能允许持续工作而不烧坏的最大连续电流。（3）内阻：电机电枢本身存在内阻，虽然该内阻很小，但是由于电机电流很大有时甚至可以达到几十安培，所以该小内阻不可忽略。无刷直流电机的优点（1）低干扰：没有电刷，消除了电火花对无线电设备的干扰（2）噪音低：没有电刷，运行顺畅，噪音低许多。（3）寿命长：机械磨损少，寿命长，可连续工作20000小时

使用寿命7~10年。（4）转矩特性优异：中、低速转矩性能好，启动转矩大，启

动电流小。（5）效率高：体积小、重量轻、功率大；软启软停、制动特

性好。（6）性能优异：可靠性高，稳定性好，适应性强，过载能力

强，维修与保养简单。（7）节能省电：无级调速，调速范围广，综合节电率可达20%~60%。有刷直流电机的工作原理

有刷直流电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。有刷直流电机由定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子上有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，使电机旋转。改变电刷的位子，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向。有刷直流电机分高速电机和低速电机两种，碳刷电机通常可连续工作500小时左右，常规的使用寿命2－3年。有刷直流电机的优缺点（1）有刷直流电机的优点

制造简单，成本低廉，并具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等优点。（2）有刷直流电机的缺点

①摩损大、维护难②发热大、寿命短③效率低、输出功率小（比无刷电机耗电量高3倍）④噪音高，干扰大空心杯电机的基本结构

空心杯电动机属于直流、永磁、伺服微特电机。与普通电机的主要区别是采用无铁芯转子，也叫空心杯型转子。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向之一。微特电机，简称微电机是指直径小于160mm或额定功率小于750W或具有特殊性能、特殊用途的微电机。

空心杯电动机在结构上突破了传统电机转子结构形式，采用无铁芯转子彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。

空心杯电机分为有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。绕组采用三角形接法空心杯电机主要特性1、节能特性

能量转换效率很高，最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（有铁芯电动机一般在20~50%）。2、控制特性

起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内（有铁芯电动机一般在100毫秒以上）。3、拖动特性

运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微电机其转速波动能够控制在2%以内。4、能量密度特性

空心杯电机的能量密度大幅度提高，与同等功率的有铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3－1/2。航空活塞式发动机的分类

航空活塞式发动机分为往复活塞式和旋转活塞式两大类，其中往复活塞式发动机是发展历史最长，技术最为成熟，使用最多，应用最广泛的航空活塞式发动机，因此，一般谈到航空活塞式发动机时，如果没有特别提示或申明，通常都是指的往复活塞式发动机。其分类方法：（1）按混合气形成的方式划分①汽化器式发动机②直接喷射式发动机（2）按发动机的冷却方式划分①气冷式发动机②液冷式发动机（3）按空气进入气缸前是否增压划分

①增压式发动机②吸气式发动机（4）按气缸排列方式划分①直列型发动机②星型发动机航空活塞式发动机的基本结构（1）气缸

（2）活塞（3）连杆（4）曲轴（5）气门机构（6）机匣航空活塞式发动机工作的基本原理

航空活塞式发动机的主要工作是将热能转变成机械能，它是通过活塞的几个行程来完成的。发动机工作时燃料与空气组成的混合气经进气门进入气缸，在气缸内被活塞压缩后，由电火花点火进行燃烧，放出热能。高温高压的燃气膨胀，推动活塞做功，将热能转换为机械能。最后将做功后的废气经排气门排到大气中。

（1）四行程①进气行程②压缩行程③膨胀行程④排气行程

（2）五个工作过程①进气②压缩③燃烧④膨胀⑤排气旋转活塞式发动机的基本结构

旋转活塞式发动机又称汪克尔发动机由缸体、转子、中心齿轮、电嘴和主轴组成。缸体内腔是一种特殊型面，按三角形转子的中心内齿轮在一个不同心的固定的外齿轮上啮合滚动时，三角形顶点的运动轨迹形成的。在其短轴方向分别设置进/排气口和电嘴。

转子外形呈曲面三角形，中间有一个内齿轮，与固定在缸体盖上的中心齿轮啮合。转子外表面与缸体内表面形成三个独立的工作室。转子在自转的同时还绕中心齿轮做行星运动。转子的三个顶点在缸体内滑动时，每个工作室的容积周期性地变化。旋转活塞式发动机的工作过程

（1）当转子的某个表面朝向进/排气口方向开始转动时，该工作室的容积先逐渐变大，在吸入混合气后，逐渐变小，压缩混合气。

（2）当该工作面转动至朝向电嘴时，容积最小而压力最大，混合气被点火燃烧。

（3）接着工作室的容积又逐渐变大，燃气膨胀，燃气压向转子，依靠偏心轴径的偏心距产生主轴的扭矩，输出功率。

（4）三角形活塞再继续转动，工作室容积又逐渐变小，将废气压出排气口，直到工作表面回到正对进/排气口，废气被完全排出后，又开始进气。到此完成一个进气、压缩、膨胀和排气的热力循环。转子自转一周主轴转动三周。

与常规的往复活塞式发动机相比，旋转活塞式发动机优点是没有往复运动构件和复杂的分气机构，因而结构轻巧、工作平稳、振动小。缺点是缸体局部高温，冷却困难，各工作室之间难以密封，难以达到大的扭矩，排气污染重。

航空活塞式发动机的工作特性1．航空活塞式发动机的转速特性

（1）当转速由较小转速增大时，有效功率增大而后随着转速增大而减小

（2）燃油消耗率随转速的增大一直是增大的。2．航空活塞式发动机的螺旋桨特性

（1）有效功率随转速的增大而增大。

（2）燃油消耗率随转速的增大，先是减小，而后增大。3．航空活塞式发动机的高度特性

（1）吸气式发动机的高度特性

①随着飞行高度的升高，有效功率减小。②随着飞行高度的升高，燃油消耗率增大。

（2）增压式发动机的高度特性①在额定高度以下，随着飞行高度的增加，有效功率一直增大，有效

燃油消耗率不断减小。②在额定高度以上，随着飞行高度的增加，有效功率一直减小，有

效燃油消耗率不断增大。涡轮轴发动机的分类

涡轮轴发动机的涡轮除带动压气机外，更主要的是带动外界负载（旋翼），喷气几乎没有推力，因此尾喷管退化成了排气管。涡轮轴发动机根据其功率输出轴的结构形式分为定轴涡轮和自由涡轮两种。

（1）定轴涡轮发动机

（2）自由涡轮发动机涡轮轴发动机的工作原理

自由涡轮轴发动机前面有两级普通涡轮，带动压气机转动，维持发动机工作；后面的二级是自由涡轮，燃气在其中做功，通过动力输出传动轴专门用来带动多旋翼无人机的旋翼旋转。此外，从涡轮流出来的燃气，经过尾喷管喷出，可产生一定的推力，由于喷速不大，这种推力很小，如折合为功率，大约仅占总功率的十分之一左右。有时喷速过小，甚至不产生什么推力。为了合理地安排多人机旋翼无的结构，涡轮轴发动机的喷口，可以向上，向下或向两侧，这有利于多旋翼无人机设计时的总体安排。

为减少发动机传至多旋翼无人机主减速器的传动扭矩，使输出轴的直径与重量较小，因而涡轮轴发动机的动力输出轴转速较高，高达6000~8000转/分。涡轮轴发动机的基本结构（1）进气装置（2）压气机（3）燃烧室（4）涡轮（5）排气装置（6）减速器涡轮轴发动机的工作特性1．涡轮轴发动机的转速特性（1）功率随转速的增大而增大，而且转速越大，功率随转速

增大而增长得越快。（2）燃油消耗率随转速的增大而减小。2．涡轮轴发动机的高度特性（1）功率随飞行高度的增加而下降。（2）燃油消耗率随飞行高度的增加有少量的下降，当飞行高

度大于4km后，其下降量变得缓慢起来。3．涡轮轴发动机的速度特性（1）功率随飞行速度的提高而增大。（2）燃油消耗率随飞行速度的提高而减小。涡轮轴发动机与活塞式发动机比较（1）功率重量比大（2）体积小（3）启动容易（4）振动小（5）高空特性好（6）温度特性差（7）耗油特性①小功率范围航空活塞式发动机的单位耗油率较低。②大功率涡轮轴发动机单位耗油率比活塞式发动机单位耗油率低。（8）经济性①小功率航空活塞式发动机经济性优于小功率涡轮轴发动机。②大功率涡轮轴发动机不仅单位耗油率较低，而且购置和使用成本

都优于航空活塞式发动机。定轴涡轮和自由涡轮发动机的比较（1）发动机与旋翼的转速特性比较：定轴涡轮发动

机转速特性差。（2）发动机与旋翼的转速－扭矩特性比较：自由涡

轮发动机输出功率受转速影响较小。（3）对传动系统影晌比较：自由涡轮发动机不必安

装起动离合器。（4）发动机加速性比较：自由涡轮发动机加速性较

差。燃油系统的定义和功用

燃油系统是油动多旋翼无人机能源供应系统。燃油系统有内外之分，内燃油系统是指发动机内部有一套燃油系统，用来将外燃油系统提供的燃油输送到燃烧室内去，它属于发动机总体结构的一部分；外燃油系统是指发动机外部的一套燃油系统，安装在多旋翼无人机的机体上，燃油箱中储存一定量的燃油，根据需要可靠地将燃油供应到发动机内燃油系统和辅助动力装置。这里所讲的燃油系统指的是外燃油系统，包括燃油箱、输油管路、燃油增压泵、防火开关、放油开关和燃油控制系统等。

燃油系统主要功能：

（1）储存燃油。

（2）按照发动机各个工作状态的不同要求，安全可靠地把燃油定时

定量输送到发动机和辅助装置。

（3）可调整重心位置，保持多旋翼无人机平衡和机体结构受力。

（4）为发动机滑油、液压油提供冷却。燃油系统的结构（1）燃油箱

①软油箱②硬油箱③整体油箱（2）输油管路（3）燃油增压泵（4）防火开关（5）放油开关燃油控制系统

（1）计量系统

计量系统的功用是依据计算系统计算的流量向燃烧窒供应燃油，主要部件包括油滤、计量阀、压力调节阀和环境压力伺服等。其中，最主要的部件是计量阀，燃油控制器通过控制计量阀开度的大小来改变供油量。计量阀的开度由计算系统和油门杆来控制。

（2）计算系统

计算系统的功用是感受各种参数，在发动机所有工作阶段控制计量部分的输出。滑油系统的功用和要求

滑油系统将润滑油涂溥在相互接触的金属表面上，形成一层滑油油膜，让滑油填平零件表面的凹凸不平，靠油膜把相互接触的部件隔开，使相对运动的部件表面之间的干摩擦变为液体摩擦，从而大大降低摩擦阻力。

（1）滑油系统的功用①润滑：减小摩擦力，减小摩擦损失。②冷却：降低温度，带走热量。③清洁：滑油将磨损下来的金属微粒带走，达到清洁的目的。④防腐：在金属部件表面有一层一定厚度的油膜覆盖，将金属与空气

隔离开来。

（2）对滑油系统的要求①能正常工作，保证航空发动机对润滑的需求。②在低温条件下发动机能正常起动。③有必要的指示系统，以监控滑油的状态和洁净状况。④方便维护人员检查、拆装。航空发动机滑油的类型

（1）矿物质滑油

矿物质滑油是从石油中提取出来的，一般用于航空活

塞式发动机中。

（2）人工合成滑油

人工合成滑油从石油、植物油以及动物油中提炼出来经

人工合成的，主要用于涡轮轴发动机中。滑油系统的总体结构（1）存储系统

主要包括滑油箱组件，用于滑油的存储。（2）分配系统①供油系统：供油系统负责把一定压力、一定量的滑油送到需要润

滑的区域，主要靠油泵来完成。

②回油系统：把润滑后的滑油尽可能快地送回滑油箱。③通风系统：把轴承腔、滑油箱和附件齿轮箱连在一起，然后经过

油气分离装置与外界大气连通，多的空气从发动机内部排出来，

使内部的压力维持在一定范围之内。（3）指示系统

指示和监控滑油系统工作情况，包括滑油压力、滑油量和滑油温度滑油系统主要部件（1）滑油箱

（2）滑油泵①供油泵：把滑油从滑油箱中抽出送到轴承腔、齿轮箱等处②回油泵：负责把润滑后的滑油收集起来送回滑油箱（3）滑油滤

用