电动力飞行器推进系统研究

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1、电动力飞行器推进系统研究张健，周洲，周明（西北工业大学无人机特种技术国防科技重点实验室，陕西西安710072）摘要：对电动力飞行器推进系统的组成与原理进行了初步研究，分析了直流电源和无刷电机的外特性，建立了电推进系统性能分析模型，并研究了电机与螺旋桨以及电推进系统与飞行器的匹配方法，为电动力飞行器的研制提供参考。关键词：推进系统，直流电源，无刷电机，无人机THERESEARCHONPROPULSIONSYSTEMOFELECTRIC-POWEREDAIRCRAFTZhangJian,ZhouZhou,ZhouMing(Nationa

2、lkeylaboratoryofUAVspecialtechnology,NorthwesternPoly-technicalUniversity,Xi’AN710065,China)AbstractBasedontheprincipleandstructureofelectricpropulsionsystem,Theexteriorcharacteristicsofdirectcurrentandbrushlessmotorwasanalyzed,TheperformancemodelofElectricpropulsionsy

3、stemwasestablished,Matchingmethodofmotorwithpropandpropulsionwithaircraftwasstudied.Theresultsareprovedtobeusefulforelectric-poweredaircraftdesign.KeywordsPropulsionSystem，DirectCurrent，BrushlessMotor，UAV电动力飞行器是指以电力为能源，以电机、螺旋桨为推进系统的飞行器，如微、小型电动无人机，燃料电池飞机和太阳能飞行器等。近年来，蓄电池

4、、燃料电池的比能量与比功率有了很大提升，无刷电机技术的成熟使得电机效率与比功率也得到很大提高。电源、电机、螺旋桨组成的推进系统（以下简称“电推进系统”）成为继活塞螺旋桨推进和喷气推进系统后一种实用的航空推进技术[1,2]。图1采用电源/电机/螺旋桨推进系统的飞行器与活塞螺旋桨推进系统不同，电推进系统采用直流电源代替燃油，采用无刷电机代替活塞发动机将电源的化学能转化为机械能。电推进系统具有响应速度快，能量转换效率高，能够精确控制转速与推力，使用维护方便，清洁无污染等优点。电机可以根据需要定制，大大放宽了发动机对飞行器设计的限制，采用电

5、推进系统的飞行器噪音低、振动小、绿色环保。因此电动力飞行器的研制得到许多国家重视。美国、以色列在电动力飞行器（尤其是电动无人机）研制方面走在世界前列。我国在这方面的研究相对较少，目前，还没有形成完善的电动力飞行器的设计理论和方法。电动力飞行器的性能主要取决于电推进系统的性能，提高电推进系统效率、实现飞行器与推进系统的最佳匹配对提高电动力飞行器的飞行性能具有重要意义。本文对电推进系统的工作原理，以及直流电源和无刷电机的外特性进行分析，通过建立电推进系统的性能分析模型，对电机与螺旋桨、飞行器与推进系统的匹配方法进行初步研究。一、电推进系

6、统的组成和工作原理1.1系统组成与工作原理电推进系统由直流电源、调速器、无刷电机、减速器、螺旋桨等五部分组成。图2电推进系统组成示意图电源提供飞行及机载设备需要的全部能量，主要性能参数有比能量和比功率，电源的放电特性主要受放电电流和使用温度的影响，功率损失主要是内阻产生焦耳热，效率为；电机将电能转化为机械能，性能参数主要有比功率、最大输出功率等。功率损失包括电枢电阻的焦耳热、各种摩擦损耗和磁性损耗等，效率为；电子调速器通过调节电机的输入电压调节转速，其作用与油门类似，要求其正常工作的电流与电压范围要覆盖电动机的最大电压和最大电流，功

7、率损耗主要由内阻产生的焦耳热，效率为；螺旋桨的指标有直径D、螺矩H和桨叶形状，螺旋桨性能曲线可由理论分析或风洞试验给出，效率为；减速器用来匹配电机与螺旋桨转速，作为功率传递环节降低了系统的总效率，减速器由齿轮组构成，功率损耗主要为机械摩擦，效率为。电推进系统总效率由下式表示：（1）1.2、直流电源电动力飞行器对电源的要求是：1、电源能量满足飞行器在整个任务过程的能量需求。2、放电功率满足飞行器在全部飞行包线内的功率需求。下面以蓄电池为例，分析电源的外特性。电池在一定的放电条件所能释放出的总能量称电池容量E（Wh）。单位质量电池所储藏

8、的能量称比能量（Wh/kg），它衡量了电池能量存储能力的大小；电池放电功率与电池质量的比值称比功率（W/kg），它衡量了电池放电能力的大小。按照飞机设计原理，动力系统的比能量直接影响飞行器的续航时间和飞行重量，比功率也直接影响飞行速度