我們在設(shè)計無人機(jī)時的第一步就是選擇一臺合適的電機(jī),。為了獲得最佳性能,，必須測試多臺電機(jī)并根據(jù)你的設(shè)計選定最高效的電機(jī)。市場上有很多種類的電機(jī),，包括許多專為無人機(jī)設(shè)計的電機(jī),。本文僅在這里討論有關(guān)無人機(jī)電動機(jī)方面的相關(guān)內(nèi)容：

1.   電動機(jī)的種類。

2.   無刷電機(jī)的工作原理,。

3.   內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子,。

4.   電機(jī)效率和性能。

5.   如何選擇最高效的電機(jī),？

電動機(jī)分為四類：通用電動機(jī),、交流電動機(jī)、有刷直流電動機(jī)和無刷直流電動機(jī),。

通用電動機(jī)可能最不適合在無人機(jī)中使用,。它效率低，速度調(diào)節(jié)差,，只有在非常高的轉(zhuǎn)速下才表現(xiàn)最好,，這對于無人機(jī)應(yīng)用不太理想，因?yàn)榇蠖鄶?shù)無人機(jī)需要精確的速度調(diào)節(jié)才能穩(wěn)定飛行,。它們更常見于工業(yè)工具和家用電器中,，例如鉆頭和吸塵器。

交流(AC)電機(jī)使用交流電來誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),，因此它通常需要插入墻上的插座里使用,。如果借助電池使用，交流電機(jī)需要一個變壓器才能運(yùn)行,。

另一方面,，直流(DC)電機(jī)與交流電機(jī)非常相似，但它的接線方式是使用直流電而不是交流電,。直流電機(jī)可以為無人機(jī)提供動力,，但效果還是不如另一個候選者-BLDC電機(jī)。

BLDC或無刷直流電機(jī)之所以如此命名,，是因?yàn)樗幌裼兴⒅绷麟姍C(jī)那樣需要使用電刷來工作,。同使用電刷將電源與轉(zhuǎn)子連接的有刷電機(jī)不同的是，BLDC電機(jī)不需要電刷，因?yàn)槌休d電荷的銅線圈被直接繞接到定子上,。刷子本身是有刷電機(jī)的主要缺點(diǎn),，因?yàn)樗⒆訒p并且需要也必須被維護(hù)或更換。無刷電機(jī)具有無人機(jī)設(shè)計所需的所有出色特性：高效率,、寬速度范圍和整體的高速轉(zhuǎn)矩能力,，相對低的成本和極少的維護(hù)也是其出色特性之一。

在介紹無刷電機(jī)的工作原理前,，我們先來了解其組成部分：

纏繞在金屬底座上的導(dǎo)線不會像磁鐵一樣起作用,，但是當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，它會誘導(dǎo)它像磁鐵一樣工作,。這通常被稱為電磁鐵,。如果相反的電流流過同一根電線，電磁鐵會產(chǎn)生相反的效果,，它會吸引另一個磁鐵而不是把它推開,。

圖3內(nèi)圈上看到的部分是電磁鐵，而在外圈上安裝有永磁體,。電機(jī)開動后通過向其線圈輸送電流來激活其中的一個電磁鐵,，這將使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橛来朋w受到類似電磁體的排斥并試圖與定子上的相反永磁體對齊,。當(dāng)電磁鐵和相對的永磁體對齊時,，這只會使它旋轉(zhuǎn)一小段距離。電機(jī)通過對下一個電磁鐵供電來使轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn),，然后繼續(xù)不斷供電下一個電磁鐵,，周而復(fù)始依此類推。

通過對電機(jī)以給定頻率提供三相電流,，轉(zhuǎn)子將以等于該信號頻率的速度旋轉(zhuǎn),。無人機(jī)控制器上的油門用來控制電機(jī)的速度，加大油門會向無人機(jī)發(fā)送更高頻率的信號,。電子速度控制器(ESC)控制信號傳遞,，根據(jù)油門的輸入信號來調(diào)整電機(jī)的速度。

3)   電調(diào)的作用是什么,？

ESC或電子速度控制器通過提供電信號來控制電動機(jī),，這些變化的電信號被轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速的變化或反轉(zhuǎn),。它使用直流電耦合開關(guān)系統(tǒng)來提供交流三相電流,，然后通過改變電路中開關(guān)打開和關(guān)閉的速率來修改此輸出電流。無刷ESC需要獲知轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置信息才能啟動電機(jī)并選擇旋轉(zhuǎn)方向,。為了確定其位置,，ESC使用來自最后一個未通電的電磁鐵的信息來測量其電磁感應(yīng)。上述感應(yīng)的強(qiáng)度變化隨著最近永磁體的位置變化而變化,，距離永磁體越近,，感應(yīng)的磁場越強(qiáng),。

油門可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為此ESC必須根據(jù)油門信號去調(diào)整開關(guān)的頻率,。目前最常見的信號傳輸協(xié)議是Oneshot,、Multishot和Dshot，它們之間的主要區(qū)別在于所傳遞信號的頻率,，頻率越大反應(yīng)時間越快,。此外，Dshot協(xié)議與其他兩個協(xié)議不同的是它發(fā)送的是數(shù)字信號而不是模擬信號,，對電噪聲不敏感,，因此信號傳輸更加穩(wěn)定、精確,，分辨率也更高,。

每個無刷電機(jī)都由兩個主要部分組成，一個定子和一個轉(zhuǎn)子,。定子上固定有電磁體本身靜止不動,，轉(zhuǎn)子是固定有永磁體的旋轉(zhuǎn)部件。目前主要有兩種類型的無刷直流電機(jī)：內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型,。對于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī),，轉(zhuǎn)子在定子“內(nèi)部”旋轉(zhuǎn)，或者相對于電機(jī)外殼進(jìn)一步向內(nèi)旋轉(zhuǎn),。當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子“外側(cè)”或進(jìn)一步向外旋轉(zhuǎn)時,，外轉(zhuǎn)子電機(jī)具有相反的設(shè)置，見圖6,。兩種型號在不同的應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn),。當(dāng)比較相同尺寸的內(nèi)流道和外流道時，很容易看出所施加的力的直徑是不同的,。發(fā)生這種情況是因?yàn)殡姶朋w比承載永磁體的轉(zhuǎn)子占用更多空間,。如果電磁鐵位于內(nèi)部，則與位于外部的情況相比,，其直徑更大（圖6）,。除了尺寸之外，對電機(jī)性能的影響也很重要,。更大的直徑意味著更大的扭矩,，因?yàn)榱κ┘釉陔x旋轉(zhuǎn)中心更遠(yuǎn)的地方，而更小的直徑對于高轉(zhuǎn)速來說會更好,。因此,，內(nèi)旋槳在高速時運(yùn)行最好，但產(chǎn)生的扭矩較小，而外旋槳在較大的螺旋槳上效果最好,，因?yàn)樗鼈兛梢暂敵龈蟮呐ぞ?，但以較慢的速度旋轉(zhuǎn)。

無人機(jī)行業(yè)的應(yīng)用——根據(jù)上述原理,，eVTOL因?yàn)樾枰吲ぞ囟鴷x擇外轉(zhuǎn)子來提供垂直拉力,，而內(nèi)轉(zhuǎn)子常應(yīng)用于需要提供高轉(zhuǎn)速用以水平運(yùn)動的噴氣式涵道螺旋槳飛機(jī)或固定翼飛機(jī)。我們可以通過電機(jī)的Kv值(RPM/Volt)來更好的理解上述原理,，即向電機(jī)發(fā)送的電壓值每增加1 V,，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)的變化值，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)具有相對較小的轉(zhuǎn)子,，在相同電壓下旋轉(zhuǎn)速度更快,，所以內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)通常比同等尺寸的外轉(zhuǎn)子電機(jī)具有更高的Kv值。當(dāng)瀏覽無刷電機(jī)時,，首先經(jīng)常會看到的技術(shù)參數(shù)就是Kv值,。

我們在探討無人機(jī)時經(jīng)常提及的一個性能就是續(xù)航時間，但非常遺憾地是目前最先進(jìn)技術(shù)的電池在重量/能量的比值方面也都無法比及燃?xì)獍l(fā)動機(jī),，所以唯一彌補(bǔ)上述不足的方案就是去選擇使用電池最高效的電子元器件,。我們可以通過多方面優(yōu)化系統(tǒng)的能量消耗，其中一個就是提升電機(jī)的效率來提高無人機(jī)的重量/能量比,，進(jìn)而提升電機(jī)和無人機(jī)整機(jī)的操控性能,。所以了解不同電機(jī)制造商之間的技術(shù)規(guī)格和品質(zhì)差異變的至關(guān)重要，為了驗(yàn)證上述方法,，我們對比了兩種不同價格范圍的同類型的BLDC電機(jī),。通過使用Tyto1585系列測試臺，同時運(yùn)用配備的軟件控制系統(tǒng),，我們測量采集了無人機(jī)系統(tǒng)的拉力,、扭矩、電壓,、電流,、轉(zhuǎn)速和相關(guān)效率等性能參數(shù)。其中被測的兩臺電機(jī)分別是1500Kv和2300Kv的T2407電機(jī),，兩個電機(jī)均使用的是7英寸,，螺距為4的螺旋槳。

圖7中的第一張圖是兩個電機(jī)的效率相對油門的趨勢變化,，第二張圖是電機(jī)效率相對轉(zhuǎn)速下的趨勢變化,。

我們發(fā)現(xiàn)1500Kv值的電機(jī)需要相對更大的油門才能有效運(yùn)行，在使用相同螺旋槳的情況下2300Kv值電機(jī)的效率會更高,。另外2300Kv值的電機(jī)的效率范圍也更廣,，說明電機(jī)在低速和最高速度下都能保持較高的效率,。

但從另一方面來說,，較小Kv值的電機(jī)可以在低轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行,，并且可以高效地使用較小的螺旋槳。運(yùn)輸類無人機(jī)一般使用較小Kv值的電機(jī),，能夠在低轉(zhuǎn)速下保持空載和穩(wěn)定,，而對于競速無人機(jī)，一個較大Kv值的電機(jī)即使在低轉(zhuǎn)速下也可以很好地保持懸停,。

所以為了更為全面和客觀的對比不同的電機(jī),，我們需要知道無人機(jī)的用途和它運(yùn)行的RPM。通過使用適合不同功能的螺旋槳進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)測試,，1500Kv值的電機(jī)也可以做到更高效,。

最后我們來談?wù)勥x擇電機(jī)時需要關(guān)注的事項(xiàng),，其中最重要的一項(xiàng)就是電機(jī)的Kv值,，它描述了電機(jī)獲得的轉(zhuǎn)速隨輸入功率的變化量，例如一個2000 Kv值電機(jī)的輸入電壓每增加1V,，轉(zhuǎn)速每分鐘增加2000轉(zhuǎn),。電機(jī)的外形尺寸與Kv值密切相關(guān)，寬而大的電機(jī)通常提供更高的扭矩但Kv值低,，因而可以配備更大的螺旋槳,；而薄而較長的電機(jī)具有更高的Kv值和較低的扭矩，因而比較適合小型螺旋槳,。所以現(xiàn)實(shí)中較大的電機(jī)以較低的RPM運(yùn)行,，而小型電機(jī)會以相對較高的RPM運(yùn)行。

電機(jī)的最大功率也是需要考慮的因素之一,，因?yàn)橐坏┏^電機(jī)的功率限制會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱,，從而大大降低其效率甚至有可能損壞電機(jī)。不同電機(jī)品牌的技術(shù)性能也是不一樣的,，相同Kv值的兩個不同品牌的電機(jī),，其中一個品牌的電機(jī)可能就比另一個品牌的電機(jī)性能更好。這就是為什么在建造無人機(jī)之前,，用戶需要反復(fù)測試不同品牌的電機(jī)的原因,。

無刷直流電機(jī)是一項(xiàng)天才發(fā)明，它改變了電力推進(jìn)領(lǐng)域的游戲規(guī)則,。它們簡單而流線型的設(shè)計,，使遙控車和無人機(jī)等車輛能夠以最大的控制力高效運(yùn)行。

在本文中,，我們介紹了電機(jī)的工作原理和其組成部分以及不同類型的BLDC電機(jī),。我們還介紹了電磁學(xué)以及ESC如何控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。這些都有助于我們了解并根據(jù)無人機(jī)不同的應(yīng)用用途去最大限度地提高電機(jī)的效率。