小型电动无人机动力系统设计和优化

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1、第40卷第6期航空计算技术V01．40No．62010年11月AeronauticalComputingTechniqueNov．2010小型电动无人机动力系统设计和优化梁冰，王和平，袁昌盛(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：小型电动无人机由于使用维护方便，可靠性高，噪声小，无污染等特点，具有较高的应用价值。然而电池的能量密度远低于燃油，动力系统在起飞重量中占较大比重，在初始设计中就需要准确估算动力系统重量和性能。以保证续航性能。通过建立动力系统中电池、无刷电机和调速器、螺旋桨三个部分的数学描述，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及优化准则。实验表明，方法具有一定精度，

2、可以为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。关键词：电动；小型无人机；动力系统；无刷电机中图分类号：V221．6文献标识码：A文章编号：1671．654X(20LO)06．0078．03引言小型无人机由于体积小、重量轻、机动灵活、成本低的特点广泛用于军事和民用。采用的动力装置多为内燃机或电动机，电动无人机由于操作简便，可靠性高，维护方便、便于储存运输等特点，具有较高的应用价值。然而电池的能量密度远低于燃油⋯，严重限制了无人机的续航性能，在设计中就需要更多地考虑动力系统。动力系统各部件多为用于航模的现成产品，而航模零部件厂商注重输出功率，很少提供效率的相关数据，导致续航性能估算误差较大，

3、影响总体设计。本文通过建立动力系统各部分的数学描述，并用实验验证，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及优化准则，可为总体参数设计提供依据。1动力系统数学描述动力系统可分为三个部分：电池、电机和调速器、螺旋桨。电池将化学能转换为电能；电机和调速器共同将电能转换为机械能，并控制输出功率满足不同飞行状态的需要；螺旋桨将轴功率转换为推力，推动无人机飞行。1．1电池电池为电机和调速器提供电压和电流，在工作时输出电压不断降低，初步设计时应以标称电压为准。同时电池会有最大输出电流限制，并且电流越大实际放出的能量越少。1．2电机和调速器无人机所用动力电机多为永磁直流电机，分为有刷和无刷。无刷电机由于取

4、消了由电刷和换向器组成的机械接触机构，没有换向火花和机械摩擦，具有效率高、无电磁干扰、寿命长、运行可靠等优势。特别是近年来稀土永磁材料的发展，磁能密度和磁场强度较有刷电机常用的铁氧体永磁材料有很大提高，无刷电机的体积和重量减小，功率增加，已成为小型电动无人机的首选动力。无刷电机在一定转速时的电流、扭矩计算公式‘1]如下：u一△u一罢，：——』(I)肘-(，一Io)羔(2)式中：，为工作电流(A)，M为扭矩(Nm)，U为工作电压(V)，aU为电子调速器的导通压降(可忽略)，J／,为转速(rpm)，勋为电机固有参数(rpnv'V)；r为内阻(n)；，0为电机在电压为U时的空载电流(A)。其中

5、u、幻、r、，o由电机厂商的作为产品参数提供。由此可得输入功率、输出功率和效率：Pi。=U／(3)P。。。=∞。M=2'rr6盖。M(4)P田=≠(5)田5FL)J根据以上方法算得效率与实验数据对比如图1所收稿日期：2010．05．04作者简介：梁冰(1984一)，男，陕西兴平人，硕士研究生。研究方向为飞行器总体设计。●2010年11月梁冰等：小型电动无人机动力系统设计和优化·79·示，在电机最大工作电流附近相对误差为3％～7％，小电流时为22％。4681012l

6、K效率一电流曲线电机说明书中只给出一个工作电压及对应空载电流，而电机的允许工作电压范围较大，使用中可能采用不同电压供电，空载

7、电流也会随之改变，此时要估算效率就需要计算出不同电压下的空载电流。根据文献[2]，电机的损耗主要有铜耗和铁耗：Pl。。=Pi。一P。，=P。叩Pe，+Pl。。(6)铜耗为绕组电流引起的热损耗：P。。孵=，r(7)铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗”J：PI。。一cI√‘3磷G(8)式中：C‰为铁心损耗系数，／为磁场的交变频率，B。为最大磁通密度，G为铁心重量。磁场不饱和时，电机磁场的平均磁通密度不随电流变化L3J，铁耗只随转速变化，即，n、1．3PImn=l}}P枷(9)n。为空载转速，可将，0代人式(1)后得到，P。。∞为空载时的铁耗：Pl。棚=Uto一后，‘(10)当工作电压变为u’时，U’

8、，70=，702r+PT。(11)将式(1)(9)代人(11)得到关于空载转速n7。的非线性方程警12⋯kv．PI。砷(翁3一Ut儿t0=0(12)由此可以解出电压为u’时的空载转速n’。，代入(1)式可得到空载电流，’。，再由公式(1)～(5)确定电机性能。在实验中降低工作电压，测得空载电流为0．627A，计算值为0．623A，结果符合较好。以上计算的是无刷电机在全功率状态的性能，实际无人机为满足最大推力会选用大功率电机，在续航时