多旋翼无人机设计:为什么电机容易坏?

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最近有一位无人机电机行业的读者在后台提问，为什么自家配套给无人机厂家的电机经常出问题？不是烧毁就是异响。客户觉得是产品质量问题，自己觉得是客户使用维护不当。

对这个问题的理解，最深刻的莫过于大疆公司了，他们有庞大丰富的案例数据，关于电机的每种故障类型和失效原因都有清晰的认识。但是作为商业公司他们不会把这些宝贵的信息对外公布。而高校和科研院所对多旋翼无人机电机的故障和失效类型也缺乏足够的统计数据，只能“一事一议”地进行问题分析。

这个问题让我想到了之前的一篇文章：eVTOL需要什么样的电机？。FAA在对eVTOL电机的失效要求中，整体可以分为两类：1.防止热失效；2.防止机械失效。首先对于热失效来说，电机的最大功率和时间相关。比如电机设计的最大短时功率为10kW，可持续时间为30s。而用户在实际使用中，由于对严苛工况的预估不足，导致最大短时功率下持续时间远超30s，这肯定会导致电机热失效。这种故障的责任肯定在用户。但是事实上，由于行业竞争比较激烈，无人机电机的厂家往往会“夸大”自家产品的性能，对额定功率、最大额定功率以及含时间限制的最大短时功率不加以严格区分，往往以后者的数据来定义产品的功率等级。更别提电机工作时环境温度以及对流风速对输出功率的影响。

对于电机的机械失效来说，问题要更复杂，首当其冲的是轴承。绝大部分的多旋翼无人机采用电机直接驱动的形式。不论是内转子电机还是外转子电机，旋翼的载荷都需要通过轴承来传递。因此轴承的寿命和旋翼载荷息息相关。而旋翼的载荷又和整机飞行速度、角速度、动平衡等因素相关。这些因素对轴承产生的载荷往往要远大于静止状态下的力载荷。

多旋翼无人机常见的外转子电机结构



内转子电机：转子和定子通过一对轴承连接，需要很高的承载能力

以Joby S4飞行器的旋翼为例，在过渡飞行过程中，受力非常复杂。除了拉力T和扭矩Q外，其他方向的力和力矩载荷也十分显著，必须加以考虑。但是这些复杂的载荷对于无人机厂商来说都很难精确评估，更何况对于电机生产商。因此在这种情况下电机出现机械失效也不足为奇了。合理的方法应该是，无人机厂商通过数值仿真或者试验测量，充分获取旋翼在飞行包线内的各种力和力矩载荷，连同功率需求一并提给电机厂商。而电机厂商通过对载荷的分解，选择合适规格的轴承，必要的时候甚至需要更换轴承类型以及电机承力结构。



旋翼在前飞时受力非常复杂

风洞试验是获取旋翼载荷最好的方法

除了轴承故障外，机械失效的另外一种形式是电机结构材料强度和刚度不足，导致电机结构出现断裂、永久变形以及扫膛等问题。这类问题必须通过完善的机械应力、热应力以及电磁力的应力分析来解决。

本文笼统地回答了开头提到的这位读者的问题，并没有“一事一议”地分析具体故障。“低空经济”的概念逐渐火热，这对行业来说是好事情。但后续的法规要求肯定也会补全。对于需要适航审定的无人机厂商和零部件供应商是挑战，也是机会。就电机而言，之前推送的关于FAA对eVTOL电机适航审定的咨询通告仍然值得一读。后台回复：FAA，获取咨询通告原文，电机部分位于Subpart I（P36-P49）。

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