​无人机关键零部件——电机

远洋航空

当我们用手搓动竹蜻蜓后，旋转的速度就会产生升力，让竹蜻蜓起飞。


同理，多旋翼无人机也是通过螺旋桨的旋转来产生升力起飞的，其中手搓施予竹蜻蜓的动力，在无人机上由电机来完成，电机带动旋翼转动产生压力差，从而带动无人机升空飞行。

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以四旋翼飞行器为例，多旋翼无人机飞行原理如下图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均会被抵消。通过调节不同电机的转速可以实现4个方向上的运动，分别为：垂直、俯仰、横滚和偏航。

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所以电机是无人机的核心组件之一。电机又称为马达，能将电能转化为机械能，带动无人机完成起飞、悬停、降落和移动等动作。电机的功率和效率直接影响到无人机的性能和飞行时间。

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无人机电机分类

电机分为直流（DC）电机和交流（AC）电机两种，其中直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，BLDC）。无人机上常用的是直流电机。

图 有刷直流电机（左一和左二）&无刷直流电机（右一）
有刷直流电机主要由固定不动的磁极定子、可转动的线圈转子、换向器和一对电刷（电刷主要材质为石墨，因此也被称为碳刷）组成。


图 有刷直流电机内部结构
有刷直流电机采用机械换向，磁极定子和电刷不动，线圈转子和换向器旋转，电刷和换向器产生摩擦，使线圈按照一定的频率实现电流的换向，从而实现转子的连续旋转。有刷电动机优点在于开发简单、低成本，但效率较低、寿命较短，主要用于小型无人机。

无刷直流电机主要由用磁极转子、多级线圈绕组定子和霍尔效应位置传感器（非必须）组成。工作原理基于电磁感应和磁场相互作用，定子包括多个线圈，通常由绝缘导线绕制而成，并固定在电机的外壳上。转子由永久磁铁组成，通常排列成一种特定的形式。电子调速控制器（ESC）控制定子线圈中的电流，产生磁场，并使转子开始旋转。其优点包括高效率、高功率密度、低噪音和长寿命。


图 无刷直流电机内部结构
电机的型号一般以尺寸为依据。比如，有刷370电机，是指它不包括轴的长度是37mm；无刷外电子2208电机是指它定子线圈的直径是22mm，不包括轴电子线圈的长度是8mm。
无人机上应用的其他类型电机
1、空心杯电机：空心杯电机是一种特殊的直流电机，采用无铁芯转子，具有高能量转化效率、快速响应速度、拖动特性和高能量密度等特点。空心杯电机能量转化效率一般超过70%（传统电机的转化效率通常在70%以下），部分产品能够达到90%以上，常用于航模无人机。

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2、伺服电机：伺服电机是一种将直流电机、驱动器、编码器结合在一起的伺服系统，具有高集成度、高精度控制、快速响应和高效运行等优点。常用于系留无人机或无人机的云台控制系统。用于云台系统时能提供精准的控制，使无人机拍摄的画面更加稳定平滑。

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电机的关键技术指标

与无人机动力特性最相关的指标是转速、电流和功率。
转速一般用KV来表示，所KV是指每伏特(V)能达到的空载每分钟转速。比如，使用KV1000的电机，11. 1V电池，电机转速应该是1000×11. 1=11100，即每分钟11100转。KV值越高，电机转速越高，但提供的扭矩会相应降低。
电流和功率决定了电机的输出能力和负载能力。选型时需根据无人机的重量和飞行需求进行匹配。电流（A）过大会导致电机过热，电流过小则会导致无法提供足够的推力。功率（W）越大，电机的推力也就越大。
总结：电机适合为低空、低速、小型无人机提供动力，具有结构简单、重量轻、使用方便，减少无人机的噪声和红外特征等，同时又能提供与内燃机不相上下的比功率，适用于物流、植保、监测等领域。
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