线上培训第四期——航模电气系统介绍

风履

上一期我们主要介绍了小金星的大致制作过程，但是我们也提到了一架小金星要上天，还缺少了一个很重要的部分——电气系统。

前期回顾：

航模队线上培训第一期——航模运动简介

线上培训第二期——航模分类及飞行原理简述

线上培训第三期——“小金星”，大制作

     航空模型上的电气系统主要包括了航模舵机，电机，电池，电调等电气设备，这一期我们将就这些主要的电气设备为大家作一个简要的介绍。

●舵机 ●

舵机主要是干什么呢？

舵机主要是航空模型飞机上的“执行原件”——遥控器发射的遥控信号最终会通过舵机的摆动来带动副翼、升降舵、方向舵或者其他执行部件完成升降、转弯等的动作。

舵机

舵机的规格主要有这几个方面：

转速:

由舵机无负载的情况下转过60°角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在0.11s/60°~0.21s/60°之间。

转矩:

舵机扭矩的单位是KG·CM，这是一个扭矩单位。可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1CM处，舵机能够带动的物体重量。

电压:

舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。

尺寸和重量等:

舵机的功率（速度×转矩）和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一般同样品牌的舵机，功率密度大的价格高。



机翼上控制副翼的舵机

●电动动力系统 ●

      航空模型飞机的动力源主要分为油动和电动。油动的动力系统我们将在下一期专门介绍。电动是以有刷直流电机、无刷直流电机作为动力。这里我们重点介绍由无刷电机、电调所组成的电动动力系统。

      无刷电机不同于一般的有刷电机，动力较强（效率达到80%以上），有三条引线，除了有两条分别接电源正负极外，还有一条接电子调速器（即电调）控制转速，进而控制飞机飞行速度。



● 无刷电机  ●

尺寸：

      大家选择无刷电机，会看到很多命名类似的型号，如2216、2814等，这个数字，前两位是定子外径（mm）、后两位的是定子高度（mm）。定子的外径和高度越多，定子的铁芯越大，线圈绕的匝数也越多，表现出来就是电机的功率越大。当然，尺寸越大功率越大，但重量也越大。

电机槽数和极数：

      槽数（N）：定子铁芯的槽数量。无刷电机是三相电机，所以槽数是3的倍数。极数（P）：定子上磁钢的数量，磁铁必定是南北极成对使用，极数必然是偶数。

      槽数(N)和极数(P)都与越最高转速成反比，即槽数（极数）越小，电机的转速越高。在槽数(N)相同的情况下，极数(P)与扭力成正比，极数越大，扭力越大。



无刷电机内部结构

KV:

       无刷电机KV值定义为转速/V，意思为输入电压增加1伏特(V)，无刷电机空转转速（转/分钟）增加的转速值。从这个定义来看，电压与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的，并且是常量。无论电机在哪个工作电压，电压和转速的关系都遵从上述关系。

外转子和内转子:

       无刷电机根据定子的位置，可以分为外转子和内转子两种。外转子：定子在里面，转子在外面叫外转子。内转子：跟外转子相反，内转子是定子包着转子，转动的时候，只是转子转动（外壳不转）。内转子扭矩比较小，KV值高。

●电调介绍 ●

      一套完整的电动动力系统除了要有无刷电机外，还需要有电调。



电调的功能：

      电调可以将输入的直流电转换为三相交流电以供电机使用，并根据飞控发出的控制信号控制电机的电压及电流大小，从而驱动电机实现需要的转速输出。电调具有电压变化器的作用，它通过转换电池电压以供接收机和飞控板工作。电机运转时的电流很大，当电机正常工作时，如果没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样大的电流。

电调的连接：

      输入线与电池连接，信号线输入线与接收机连接，三根信号输出线（有刷两根）与电机连接。



电调与无刷电机接线图

电调的参数A（安培）:

      电调最常见的参数A指电调可稳定调整输出的电流量。例如30A的电调最大可稳定输出30A的电流，如果超标准使用，会导致电调烧毁。

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电调的详细介绍

电池

      我们一般常用的电池包括了镍氢电池、锂铁电池、镍镉电池以及锂聚合物电池等。这些电池各有其优缺点，因此需要根据不同的需求选择不同的电池。

      使用电池时，除了要注意不同电池的电压值之外，电池的容量和放电率也是非常重要的参数。电池的容量以mah（毫安时）为单位，放电率以C为单位。1C是指电池用1C的放电率放电可以持续工作1小时，针对不同容量电池具体的数值是不一样的。



镍氢电池

      镍氢电池（NIMH）具有相同体积下容量较高，循环寿命长比一般的碱性电池更大的输出电流等特点。但是同时也有放电率较高，电压低（1.2V~1.25V）能量密度低等缺点。镍氢电池一般用于为下面将提到的接收机供电。



锂铁电池

      锂铁电池（Li-Fe）又称磷酸铁锂电池，主要有安全性能高，寿命长，耐高温以及容量大重量轻等特点。但其能量密度相对较低。一般多用于为遥控器或接收机供电。



镍镉电池

      镍镉电池（Ni-Cd）的特点是“结实”、价格便宜，但镉金属对于环境有污染，且镍铬电池容量小，寿命短，有记忆效应。每次充电都须先放电，而后充电。

      最后介绍的是锂聚合物电池，这种电池的安全性能好，容量大，重量轻，放电性能较好，经常用于为电机供电，是动力电池。

      锂聚合物电池一般采用6-7位数进行命名，分别表示厚/宽/高，如Li-Po6567100表示厚度为6.5mm，宽度为67mm，高度为100mm的锂离子聚合物电池。其中Li-Po表示该电池为锂聚合物电池。对于动力电池锂聚合物电池来说，充满以后电压一般达到4.2V。

      电池的容量以mah（毫安时）为单位，放电率以C为单位。1C是指电池用1C的放电率放电可以持续工作1小时，针对不同容量电池具体的数值是不一样的。



锂聚合物电池

      下面就以11.1V遥控航空模型锂电池为例子说明如何正确地使用锂电池。通常，11.1V的遥控航空模型锂电池都由3片锂电芯串联而成，即每片电芯的电压为3.7V。单片锂电芯的实际电压为2.75 ~4.2V，锂电上标的电容量是4.2V放电至2.75V所获得的电量。一般情况下，遥控航模锂电池以3.7V为标准放电电压，低于2.75V则属于过度放电（这对电池造成的损害是致命的），此时锂电会膨胀，内部的化学液体会结晶，这些结晶有可能会刺穿内部结构层造成短路，甚至会让锂电电压变为零。而锂电电压高于4.2V则属于过度充电，内部化学反应过于激烈，锂电会鼓气膨胀，若继续充电会燃烧甚至爆炸。所以，无论是过放还是过充均会对锂电池造成毁灭性的伤害，在平时使用电池的过程应注意一下三方面。



我们常用于为电池充电的B6平衡充电器。平衡充，顾名思义，它可以在充电时平衡每一片电芯的电压，更有利于电池的长期使用。

      充电

     充电电流不得超过规格书中规定的最大充电电流（一般情况下为0.5~1.0C或以下，即1-2A的电流。）充电的电压则不得超过规定的限制电压（4.20V/单体电池），4.25V为每只节充电电压的最高极限。

      充电过程还需注意电池必须在产品规格书规定的环境温度范围内进行充电，否则电池易受损坏。当发现电池表面温度异常时（指电池表面温度超过50℃），应立即停止充电。

     放电

  放电电流不得超过这块规定的最大放电电流，过大电流放电会导致容量剧减并导致电池过热膨胀。放电时电池必须在规格书规定的工作温度范围内放电。当电池表面温度超过60℃时，要暂时停使用，直到电池冷却到室温为止。

      还应注意因为过放电会对电池造成毁灭性的破坏，所以放电时最好不得使单体电池的电压低于3.7V。

   储存

    电池应放置在阴凉的环境下贮存，长期存放电池时（超过3个月），建议置于温度为10-25℃且低温度无腐蚀性气体的环境中。电池在长期贮存过程中每3个月充放电一次以保持电池活性，并保证每个电芯电压在3.85V范围内。

遥控器

航空模型遥控器又称发射机，主要是用来发射出无线信号来控制模型飞机。



遥控器

     一般航空模型发射机至少有4通道，分别控制油门、方向舵、升降舵、副翼等部件。那通道是指什么呢？它是遥控器和接收机所能容纳和识别的最大互不干扰的数据通路，每个通道一般相互独立，分别控制飞机的不同部位，自然，通道越多，价格越高，市场上所售的发射机有很多种，如Futaba、WFLY、FRSKY等。



飞手使用遥控器控制飞机

    发射机需要注意是它的频率。目前常见的2.4GHz遥控器，这类遥控器比较通用，不易重频互干扰, 但是对障碍物的穿透性较差，容易影响信号的接收。由于无线电波是在天线侧面向四周传播的，信号最强方向是天线指向的90度侧面。

接收机

接收机通过接收发射机的信号，并将信号转换并控制飞机上的执行元件，包括舵机、电调及电机等，使其做出相应的动作。接收机上有多个插口，分别与接收机上的通道相对应，每个通道对应的插口不同。



接收机

注：部分图片与视频源于网络

排版：吴紫燕、庄俊杰