航模电动动力系统 （一） 系统构成和基本原理 在开始之前，先要把最基本的几个公式说一下，学过中学物理的都应该能看懂。 (1) 关于电池的：P＝U*I ,P是功率，U是电压，I是电流 (2) 关于电机的：P＝T＊w, P是功率，T是扭矩，w是转速 (3) 关于牛顿力学的： A＝F／m， A是加速度，F是力，m是质量。 (4) 还是牛顿力学的： P=F*V, P是功率，F是力，V是速度。 当代典型的模型电动系统的最基本部件按照能量流动方向的顺序排列是： 锂电池，电调，电机，螺旋桨。 电动系统工作的原理是这样的。直流电从电池里面出来，经过电调，变成交流电，进入电机，通电导线在电机内的永磁体产生的磁场中受到洛伦兹力，于是动子带动电机轴转动。 输出轴或者直接驱动螺旋桨做功，或者通过减速齿轮，甚至变速箱的调节再带动螺旋桨转动。螺旋桨在空气中运动，推动空气产生一个轴向向后的气流和一个切向的气流，根据做用力反作用力的原理，螺旋桨对轴向气流的加速产生一个对螺旋桨自己的推力，拉动飞机做功，而切向的空气加速度，对螺旋桨产生一个反向于螺旋桨转动方向的力，这个力和他的力臂相乘，得出一个力矩，我们一般称之为反扭力矩。 螺旋桨拉力是我们想要得到的，反扭则是我们想要削弱的。 一套动力系统，最重要的指标是什么？ 所有人都知道，功率！就像买车的人永远关心自己的动力是否强劲一样，模友要想让板砖飞上天，靠的也是功率。 几乎所有的设备都有他的额定功率，所谓额定功率就是系统能够安全长时间输出的功率。简单的说就是你的电池能够健康循环，电调和电机能长时间运转而不会烧掉或者退磁的功率。 对于电动系统这个整体来说，功率由谁来决定？ 答案是整套系统，电池，电调，电机，甚至螺旋桨。水桶理论指出，这个链条中间的最短板决定整个系统的额定功率。 如果你搞一个100A的电调，加2820的电机，配上4节AA电池，相当于买辆1MW功率的坦克，配个点滴瓶子当油箱。 你的电机转不快，你的电池很快短路过放，整个动力系统迅速崩溃。 一整套动力系统的配置和优化，大家追逐的目标是什么？ 不是单纯电机的功率，也不是单纯电调的功率，而是整个系统输出效率。 能量从源头电池中流出，经过动力系统{zh1}被转换成飞机的机械能（可能是爬升的势能，可能是加速的动能，最常见的是克服阻力做功），能量在电动系统的链条中的每一次接力都意味着一次损耗，电调转换是有效率（e1）的，电机把电能转换成机械能是有效率（e2）的，螺旋桨把电动机的转动机械能转变成飞机动能也是有效率（e3）的， 动力系统的效率E=e1*e2*e2。 系统的输入功率是电池，这事功率的源头，公式（1）P_in=U*I，电池电压和电流乘积。 系统的输出功率在末尾，螺旋桨，公式（4）P=F*V. 就是你的螺旋桨动拉力和飞机速度乘积。记住是动拉力而不是静拉力，两套xx相同的系统，静拉力必然相同，装在两架不同的飞机上用不同的速度飞行，拉力会截然不同，而效率可能一个天上，一个地下。系统总体效率E=P_out/P_in=e1*e2*e3，各分系统的功率多大基本是由你的钱包决定的，但是如何配置让效率{zg}，很大程度上是你的知识和头脑决定的。 当然除了效率外，航模动力的另外一个重要指标是重量，或者功率/重量比--由于大家都还基本处在螺旋桨动力时代，时髦的推重比这个喷气飞机的时髦概念在此没有意义，就像同属涡轮发动机家族的涡轮轴（涡轴）发动机的指标永远是千瓦，而他表兄涡扇和涡喷始终标推力一样。 同样优化好的配置，重量基本只和一个因素相关--钞票，所有我就不在这上面浪费笔墨了。 先说电池 电池的指标有三个，电压（U，单位伏特），容量（Q，单位毫安时），放电率（C，单位1/小 时）。 电池的电压决定了同样的放电电流下功率的大小，因为P=U*I。电池电压只和正负极材料相关和电解液成分还有电极是否纳米化无关，比如锂电池的平台电压是3.7V，不管你是锂离子电池还是锂聚合物电池，而{zx1}的磷酸铁锂电池平台电压是3.3V，已经快被淘汰的镍氢电池是1.2V。 容量决定电池能够储存的电量，用同样电流放电的话，容量越高电池工作时间就越长，比如两节电池分别是1000mAH和2000mAH， 都用1A电流放电，前者能工作大约1小时，后者则能坚持2小时，对于航模来说，电池容量相当于飞机油箱大小，容量大续航时间就长，当然飞机重量也越大。 {zh1}一个指标很容易被新手忽视，就是放电率，放电率和容量一起决定了电池能够容忍的{zd0}放电电流，{zd0}电流I= Q*C，一定要注意，放电电流是由C和Q共同决定的，同样20C的电池，1000mAH的{zd0}电流只有2000mAH电池{zd0}电流的一半。 电池存储的能量是E=U*Q， 通过这个公式我们能看出来，同样1000mAH的电池，镍氢电池只有锂电池能量的1/3。 电池的{zd0}输出功率P=U*Q*C，比如1000mAH，20C的单块锂聚电池，{zd0}功率就是3.7V*1000mAH*20/H=74W。 电池很少单节使用，大家一般都是串联使用提高功率，两个串联在一起就是2S，3个串一起就是3S，串联之后电池组的容量是不变的，放电率也是不变的，{wy}变化的是电压，nS锂电的电压就是n*3.7V, 相应的功率也是n*P。 如果把n节电池并联会如何？并联后电压不变，容量=Q*n， 放电率=C*n， 等于你把原来的电池换成更大容量的电池了。不过这是理想情况，考虑到工艺上很难把电池的一致性做到xx，每个电池的放电曲线都有细微的差别，结果就是并联的电池放电的时候不是平衡放电的，导致电池不一致性会在使用中被放大，甚至可能出现电池间互相充放电的现象，{zh1}降低电池性能和寿命。作为对比，串联的电池由于流过每一个电池的电流都是xx一致的，电池的不一致性在放电中带来的麻烦不会太大，最多就是放电结束后各电池电压不一致了。其实充电的时候电池就是并联的，为了克服这个讨厌的不平衡，大家都要购买昂贵的平衡充。镍镉，镍氢，锂离子电池的世界老大比亚迪开发汽车用磷酸铁锂电池很久了，据说还是没搞定一致性，所以炒作了半天，现在比亚迪的充电汽车还是没大规模上市。 所以，如果不是特殊情况，大家尽量不要把电池串联来提高容量，直接购买更高容量的大电池是{zj0}的选择。 {zh1}说一下电池的种类，过去大家用镍镉电池，污染很大，容量并不高，有记忆效应，每次必须放电xx了才能冲，但优点是放电率很高。后来镍镉被无污染，低记忆效应，容量更高的镍氢电池取代了。 再后来，出现了大容量的锂离子电池，但是由于锂离子电池放电率上不去，而且喜欢爆炸，在模型上用的不多，倒是在控电商上发扬光大了。锂聚合物电池的出现对于模友来说{jd1}是里程碑式的，他单位体积容量大，放电率非常高，可以做成任意形状，相对耐冲击，而且不容易爆炸（但还是容易起火的）。随着made in china让锂聚合物电池离开高价的神坛，全球模友基本都转向了中国造锂聚。结果2008年的时候为了奥运安保，中国的航空快递禁运了锂电池，带来了全球 范围的模友缺粮。 锂聚电池并不是终点，磷酸铁锂电池的出现再次刷新了电池的性能记录，磷酸铁锂电池的容量并不比其他电池大太多，他的{zd0}优点就是放电率超高，持续30C，峰值60C（当然现在只有A123公司使用纳米技术达到了这一性能），相应的充电率也超高，可以4C充电，也就是说15分钟充完，还有就是安全性非常好，耐冲击，不会燃烧爆炸。 但是高性能的磷酸铁锂电池现在还在神坛之上，现在国内的有些厂家已经能生产磷酸铁锂电池了，但是由于没有A123公司的相应纳米技术，非A123生产的电池放电率并不比锂聚电池高。 国货不强的结果就是两个，{dy}是国际市场上的高性能铁锂电池基本被A123垄断，现在是高价，第二就是A123在国内不销售，取而代之的是鱼龙混杂的洋垃 圾拆机电池市场。最开始的时候拆机A123电池还能被合理分拣，按照合理价格出售，后来随着商家的炒作和模友的迷信，大量的废旧电池被包上新衣，以全新电池的面目用极高的价格在市场上出售。国内现在有一大票企业在攻关铁锂电池的技术，啥时候他们攻关成功了，全球模友就能再次全面升级换代了，祝他们早日成功。 再说电调 无刷电机替代有刷电机{jd1}是航模界的一大飞跃，现如今菜鸟也能造飞机，歪歪扭扭也能飞起来都要感谢动力的强劲，这其中有锂聚合物电池电池的功劳，也有无刷电机的功劳。 其实无刷电机并不比有刷电机复杂，其实还要比有刷电机简单一些，换向器都节省了，原来生产有刷电机的厂家基本都能生产无刷电机。真正的技术进步在于电动调 速器，他用纯固态元件代替了原来讨厌的碳刷，和稀土磁体一起，一下子提高了电机的功率密度，让菜鸟的板砖也能飞上天。 电池输出的电流是直流的，在过去可以直接供有刷电机使用，但是无刷电机没有换向器，需要频率和转速相匹配的交流电，于是电动调速器登场，他依靠功率场效应 管和一系列外围元件来控制输出电流的频率，相位和电压，被电调调制后的交流电输入无刷电机，就能驱动电机的转动。 电调的指标有两个，一个是电流，一个是耐压，前一个卖电调的都会着重表示，比如20A的电调，30A的电调。 后一个有些商家都忘了标，但电调的耐压不是无限的，你用市面上常用的新西达30A电调驱动10S的锂聚电池，就算电流没超，电调多半还是保不住。 淘宝上的电调耐压能力一般会标识成能驱动多少串电池，比如普通30A的新西达只能承受15V的电压，商家不标示15V，而是在下面的小字里面提示，能驱动4S的锂电或者12S的镍氢，你把电池电压乘以串联数，发现其实就是15V。 电调的功率也很简单，P=U*I。 在电动航模上，电调有时候还客串充当一个DC/DC转换器的作用，就是说带BEC功能，把锂电池的电压转换成5V直流电供接收机和舵机使用。模友们购买的时候一定要注意，如果你的电调不带BEC功能的话，你需要单独购买BEC连接电池来给接收机供电。 市面上的新西达电调50A一下的基本都能在3S的情况下充当BEC，4S的时候由于电压太高，电调就无能为力了，需要另配。50A以上的电调本来就主要给4S以上的电池使用，所以基本都需要另配BEC或者购买套装。 电调和电池一定要匹配，这样就能减少不必要的重量和投资。两者的功率{zh0}相当，电调耐压一定要高于电池电压，一般都是先确定电机的功率，然后去选择相应C数和容量的电池（如果你资金无限的话当然挑C数大 的买），然后选择相应电流的电调，当然电池和电调都要注意留有余量，因为这年头奸商们不虚标指标都不好意思出门见人。 航模电动动力系统 （三） 无刷电机的结构和功率 这个系列的前两篇我们说了动力系统的前两个组成部分，电池和电调，今天我们来说电机，电机是动力系统的核心，是他实现了电能机械能转换的关键一步。 马头老师说大家都爱看图不爱看字，我于是就把手头的外转子2212拆开，拍了下面两张照片。 
{dy}张图中左边的是转子，外壳内侧贴着的金属长条就是永磁体，托中国工业的腾飞的福，现在大家都鸟枪换炮了，永磁体都是高性能的稀土磁体。转子的顶端是开好了的一圈散热孔，轴直接插在转子外壳上，由位于外壳顶端的两个内六角螺丝紧固，从第二张图上可以看到。转子的右手就是拆下来的定子，上面绕着线圈，不同的KV用不同的绕法绕上去不同粗细和匝数的漆包线。定子的中心是轴承，转子的轴插入轴承和定子相连，转轴在定子的低端被卡子卡住，实现了定子和转子的紧固。电机基本上是不需要维护的，但是也有例外，就是轴承，如果长时间使用或者在灰尘非常重的恶劣环境使用后电机的噪音有可能突然变高，这个时候把电机拆开，往轴承里面滴一滴润滑油很可能就解决了问题。{dy}张图的下方和第二章图转轴的顶部是桨保护器，严格的说这个不是电机的组件，但是这是个很了不起的发明。 前拉桨飞机炸机的时候受冲击的必然是机头的桨，如果桨和电机轴刚性相连的话炸机的时候螺旋桨就会把非常大的冲击力和冲击力矩毫无保留的传递给电机轴，结果很可能是轴弯了，一个几十块的电机很可能就断送在这几毛钱的轴上。现在利用桨保护器和橡皮圈，浆可以在电机轴上前后摆动，这样冲击力矩就可以被缓冲，炸机挂掉电机的概率就大大降低了。 这里有一个大家容易忽视，但是非常重要的细节。所有的转动机件都要求转动轴过质心，保证动平衡，不然的话转动轴就会受到不平衡的侧向离心力。这里的转动轴是电机轴心，安装在桨保护器上的螺旋桨的质心是桨保护器中心，如果电机轴和桨保护器轴不xx重合的话就会导致动不平衡，轻则增加摩擦降低电机效率和轴承寿命，重则增加射桨概率引发安全事故。其实避免这个问题的方法很简单，就是在紧固桨保护器的时候两边的螺丝要对称拧，左两圈右两圈，千万别把左边的拧到拧不动再去拧右边的，这样的话桨保护器轴必然偏右。 电机好坏主要看转子的装配能不能实现质心和转轴xx重合，也就是动平衡，还有轴承的质量，以及永磁体的磁场强度和耐高温能力。具我观察，给一般固定翼用的话即使{zpy}的无刷电机也足够好了，空载转到几千转后电机的噪音几乎还是听不见，说明现在山寨小厂的装配技术也达标了。 和前面一样，技术指标上我们还是从动力系统最重要的功率说起，但是麻烦来了，现在国内的无刷电机基本上都不标额定功率，不知道是不敢标还是不会标，或者考虑到大家使用环境不一样，标了也没用。 厂家不提供功率，打个比方就是卖车的不标马力，怎么办？ 买车的只好去看车屁股后面的排气量了，排量不等于功率，但有一定相关性，同一系列的发动机，2.4L的基本要比1.6L的功率高。当然你拿一个柴油发动机和汽油发动机比没有意义，就像你直接拿无刷和有刷比没有意义一样。无刷电机的排气量是什么？体积。 这就是为啥汽车厂家总喜欢在车屁股后面标上1.6L，2.4L，而电机厂家喜欢标2208，2212的原因。 不是说体积大就一定功率大， 但是电机体积和额定功率相关性{zd0}，比如同是新西达无刷电机，2208电机，22毫米直径，8毫米高度，不管KV值是多少，额定功率都差别不会太大，你拿新西达的2217的电机出来，额定功率肯定比2208大。 流进电机的电能从两个途径转换成了其他能力，一部分克服电机转动的反向电动势做功，变成了我们需要的机械能。另外一部分由于漆包线的内阻，P=I^2*R,变成了有害的热能耗散掉了。电机的功率限制主要是由放热决定的，温度升高后导线内阻变大，电机效率变低， 此外永磁体也是怕高温的，120度之后就会让普通永磁体受损，所以电机必须控制电流,于是功率受到了限制。 同样的绕法和匝数，电机体积大就能用更粗的铜线，内阻变小，同样电流下放热就小，或者说同样的放热可以达到更高电流，这样功率就能提高。 同一个电机，在通风散热良好的情况下跑200W没有问题，你把他闷到箱子里面100W就可以要了他的小命，如果你能够把电机浸泡到液氮里面，2208跑1KW也不是没可能，如果泡进液氦，导线超导了，那2208跑5KW也有可能。所以大家做飞机的时候一定要考虑到电机散热，有时候一个巧妙的散热气流引导处理带来的性能提升比多花很多钱买更好电机带来的提升更大。 孟子曰：“鱼，我所欲也，熊掌，亦我所欲也；二者不可得兼，舍鱼而取熊掌者也”。两千年后，电动机说“扭矩，我所欲也，转速，亦我所欲也；二者不可得兼，视飞机权衡也” 功率并是电机最重要的指标，但并不是一切，除了功率外，还有一个重要的指标就是扭矩和转速。功率是越高越好，但是根据公式P＝T*w,（ P是功率，T是扭矩，w是转速）功率定下来后，扭矩和转速的乘积就确定了，提高其中的一个就会降低另外一个，两者不可得兼，怎么办？扭矩和转速的原则是匹配飞机的就好。 对于使用变速齿轮的飞机来说，扭矩和转速不是问题，只要功率够，要什么转速扭矩就给你变什么转速扭矩，转速太高扭矩太低就加一个减速组，这样输出到螺旋桨的转速就降低了，扭矩就上来了， 直升机的大桨需要的扭矩不是一般电机能提供的，没问题，那个大大的减速齿轮就是来解决这个问题的。转速太低，扭矩太高，也不是问题，加一个提速齿轮组，转速就上来了，当然扭矩也就下来了。骑山地车的同学都知道，每个人的额定功率都差不多，大概也就是2208电机的功率（是不是很自卑？），无氧爆发一下也就是2217电机的水平，而且这是在一定的扭矩（大腿力量）和转速（踏频）下才能稳定输出的。上坡的时候需要高扭矩来对抗重力，换低档，这样你的踏频和大腿的扭矩不变（仍旧在{zj0}输出工况），但是传递到轮子上的动力成了低转高扭。 走平路维持高速度的时候，只需要克服气动和摩擦阻力，扭矩要求不高，但是需要高速，于是用xx位，输出到轮子上的就是高转低扭的动力。想当年大家骑老式自行车的时候，没有变速，大坡上不去下来推，平路彪个车腿都能蹬抽筋。 电动机的转速特性由KV值决定，1000KV就是说在1V电压下，电机空载的转速是1000转/分钟，KV越高，线圈的匝数越少，扭矩越低。现在说直驱的固定翼飞机，你要根据你的飞机特性选螺旋桨（请看下集），进而根据螺旋桨来选电机，如果桨需要高扭矩，你就要配1000KV左右的电机，等于山地车用低档位上坡。 如果你要用高速飞行，用小桨，你就要高KV的电机。 很可惜，现在变速系统在模型上没普及，你只能在高KV，中KV，低KV这几个组合中选一个来匹配你的飞机，而不能像变速自行车一样在不同情况下用不同的组合。 不过也不用太担心，因为电动机和人或者汽油机不大一样，就是自适应能力特别好，在不同的转速下功率变化不是特别大，低速的时候自然扭矩大，高速的时候扭矩自动降下来。 人肉和汽油机比较难伺候，转速高了或者扭矩高了都不灵光，功率降低，效率也降低，需要调整到{zj0}工况运行，所以有了24速自行车变速器，6速汽车变速箱，但是你看电动自行车，电动汽车基本都不用变速器，或者只用简单的两速变速器。 二战的时候德国鬼子就明白这个问题，坦克歼击车上搞电传动，就是发动机始终在{zj0}转速扭矩下运行，发电，然后电力输出给电动机，让他在不同转速下都优美的输出这些功率，这样就省掉了复杂的变速箱，还能提高效率。 现在的弱混合动力汽车也有部分这个主意。 电动机相对人肉和汽油机相对要好，并不意味他是xx的，大家还是要根据需要选好KV，让电机运行在它{zj0}工况的位置，这样效率才能{zg}（电机能达到90％，比较一下汽油机可怜的35％左右外加变速系统的损耗），效率高放热就低，就能帮助你榨取{zh1}一点额定功率，让你口袋里的每一个铜板发挥出自己的{zd0}价值。 |
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