学习航模/无人机,你必须要知道的知识 《航空模型》机架、电机、桨、电池的关系

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地球因为有了人类而改变，人类因为有了空气而改变，人类发展了科技，在空气中有了飞行器，飞行器是人类前沿科技的集大成者，特别是多旋翼飞行器，包含了人类科技中的机械、材料、电子、智能程序、电池技术、空气动力、各种基础物理技术，本文就多旋翼飞行器的动力系统组成部分，做个简短的知识科普，促进一下飞行器初学者的学习进度。

航空模型中的固定翼、多旋翼、直升机中使用的电池、电调、电机、桨叶组成了完整的动力系统。弄清楚电池、电调、电机、桨、机架之间的关系，对于新同学的基础学习过程非常重要，以下内容以固定翼与多旋翼航空模型的动力系统为例进行说明。

1、多旋翼机架、桨直径

机架尺寸：多旋翼飞机常见的小型机架有2寸、3寸、5寸、7寸、9寸、12寸、15寸；2-9寸机架一般用于穿越机和小型航拍机，这里说的寸，是能够安装多少英寸直径的桨叶。当然，机架也有一个参数可以直观地说明它的大小，那就是对角电机安装轴距。机架有碳纤维板子切割的，也有尼龙材料和玻璃纤维板制造的，有些机架是用碳纤维管子做机臂，尼龙或铝合金部件做连接件。只要机架足够轻，就能有效增加飞行时间，但减少了机架的重量，机架的机械强度就会变低，容易产生材料柔性变形，导致机架共振，影响飞行性能，在机架的选择时，需要权衡取舍。

多旋翼飞机的机架尺寸



多旋翼飞机的机架与尺寸概念

桨叶直径：只要相邻两个电机之间、电机与机架中心板之间有足够的距离，就可以配置更大直径的桨叶。当然，在选择机架时，需要遵循能小就不大，能轻就不重的原则，这是因为尺寸较大的机架更容易产生低频共振，机架更轻续航时间能更长一些。

2、机翼翼展

固定翼的机翼长度，机翼面积，决定了飞机的有效载荷及失速速度。从理论上说机翼越长，机翼面积也可以做得越大，飞机的有效载荷也越大，飞机的失速度也越低；当然，在超音速飞机上，机翼面积和翼展都可以做得更小，可有效避免空气绕流和震颤问题，这在航模里就不去展开讨论了。如果需要做高速固定翼航模，也有必要去了解一下机翼结构设计与震颤发生原理，避免高度飞行时发生机体空中解体事故。

固定翼模型常见的有双翼机和单翼机，单以及的机翼布局有上单翼、中单翼、下单翼几种结构；双翼机通常用于表演类飞行，飞行速度较低，失速度也较低。上单翼飞机机翼离地更高，在起降时机身倾斜角度可以更大，不容易触碰地面，发动机和桨叶不容易吸入异物，如运输机；下单翼机身设计常用于民航客机中，机翼主梁贯穿整个飞机机身，承载力更大更结实，起落架也连接到机翼大梁上，结构上更稳固。因为尾翼平尾受到机翼空气乱流影响，上单翼机的平尾几乎都放在垂尾顶部，与垂尾呈T字型，下单翼机都是低平尾布局；上单翼升力大、飞行稳定性好但机动性较差，下单翼稳定较性差、但机动性好；中单翼机型，如战斗机类模型和KT板模型，气动干扰和阻力较小，飞行机动性较好。

受机型和机翼大小的影响，一般机翼较小的模型飞机，使用的螺旋尺寸就更小，电机的KV值较高，电机转速更高；如果使用较大尺寸的桨叶和较低的转速，则反扭力变大，单桨固定翼模型机身受到扭力的反作用力更大；如果机翼面积过小，飞行时会导致飞机水平倾斜度过高，不利于操控。如果是双桨设计，转速和桨尺寸可以随意。



                                                上单翼塞斯纳



                                                   KT板F22模型

如果过度减小桨叶直径，电机转速将需要增加更多，导致桨效率下降，耗电增加，不利于加速和续航。如果过度降低电机转速、增加桨叶直径，可能导致流经尾翼的气流速度过低，不利于尾舵控制机身姿态，操控动作难于实现，这将需要大大增加机翼和尾翼的面积，这样一来就会使飞机阻力增大，气动效率降低，反而增加了耗电量。

3、飞行电池组

飞机上配置的飞行电池是飞机的动力源，它存储的电量多少决定了连续飞行时间的长短。在设计飞机款式时，需要重点关注电池的容量、重量、电压、最大放电电流，还要考虑电池内阻和充电电流这些参数。

串联电池组：飞行电池由多片电芯串联而成，通过串联电芯，电池的电压增加，总功率瓦时数增加，当然电池组的内阻为串联电芯内阻之和。设计飞机时，首先要考虑的是飞机的起飞重量，有了一个确定的重量，就可以设计电机和桨叶的具体参数，让飞机的操控性与续航处于最佳区间，不至于出现小马拉大车或者航母拉游艇现象。

放电倍率：电池在规定时间内放出电池的额定容量，所需要的电流强度被称为电池的放电倍率。放电倍率是放电快慢（速率）的一种度量；倍率用C表示，具体计算式为：电流强度/额定容量=额定容量的放电倍数（A/Ah=C）。例如: 电池额定容量为2Ah,电池以100A电流放电，放电倍率就是50C。

标称电压：标称电压就是电池的稳定放电电压，依据不同的极性材料不同，锂离子电池的标称电压也不同，钴酸锂离子电池的电芯标称电压为3.7V、锰酸锂为3.8V、锂镍钴锰三元为3.5-3.7V、磷酸铁锂电池为3.2V。

充电截止电压：航模锂聚合物电池充满电时，单芯电压在4.15-4.20V较为合适，超过这个过电压后，电池充放电性能会快速老化，其超充的有效电量可忽略不计，超电压充电是一种得不偿失的行为。

放电截止电压：锂聚合物电芯放电的最低限制电压为3.2V,实际使用中要限制在3.6V以上，因为在这个电压以下的剩余容量很少，很容易在极短的时间内出现过放电，电量如果被全部放完后会导致电芯损坏，切记不要过放，过放一次电池将不可逆转损坏。

存储电压：电池在长期不使用时，电池的电芯储存电压最好为3.7-3.85V，存放时的环境温度为5-35°为宜，空气相对湿度<85%，没两三个月检查一次电压情况，将低于3.7V电芯的电池进行补充充电，避免饿死电芯；没半年要将电池进行循环充放电，以保持电芯极板物质的化学活性。



锂电池的基本结构



                                   充电限制电压、循环次数、有效容量之间的关系

电池串、并联：1S即为一个电芯的标称电压，两个电芯串联时电压翻倍，两个电芯并联时容量翻倍，无论串并联，电池组的容量翻倍。例如1S1P表示一个电芯，电压为一个电芯的标称电压；1S2P表示为两个电芯并联，电压为一个电芯的标称电压，容量为一个电芯的两倍；2S1P表示为两个电芯串联，电压为一个电芯标称电压的两倍，容量为一个电芯的两倍；2S2P表示为两个电芯并联，两组并联的电芯再串联，电压为一个电芯标称电压的两倍，容量为一个电芯的四倍。

串并联的意义：将电芯并联时可提供翻倍放电电流（C数翻倍），电芯串联时最大放电电流能力（C数）保持不变；串联电芯数量越多，电压越高，则可使用更细的传输导线。飞行电池使用多个电芯串联而成，可使用较细的输出线，这是有实用意义的。

电池的容量与重量：电池容量大小与电极的面积有关，极板面积越大容量越大，同时电池的重量也相应增加，所以，电池的容量与重量是对应关系。在飞机设计时就需要明确用途、机架尺寸、动力配置、载荷重量、电池容量与重量这些互相牵扯的参数，它们可以在一定的范围内微调，但是，与设计参数相差太大的部件是不能满足系统需要的；简而言之，就是一个飞机的设计完成后，是不能随意去更改各部件的规格参数，任何改动都会带来系统的不稳定因素。不少新手不明白这些简单的道理，也没有什么实作经验，但总是想自己做出一个优秀的方案来制造一台优秀的飞机，这明显太过自信了，最终会为这些好高骛远不切实际的想法，付出更多的时间和资金成本



多片电芯串联的电池组原理图



多片电芯串联的电池组实物与原理图

电池内阻：因制造电池材料的不同，不同类型、不同容量的电池内阻不尽相同。电池内阻越小，充放电损失越低，发热量越少，充放效率越高，充放电电流越大，所用的充放电时间越短，锂聚合物飞行电池组的内阻一般在5毫欧至40毫欧之间。原则上，电池组中的电芯内阻一致性越高越好，差异过大容易导致电芯压差过大，影响充放电效率，且容易损坏。电池容量一定时，内阻越小，充放电倍率越大，但重量也越大，能量密度也越小，但这对大电流放电有利；当然，电池的放电倍率也和电芯的材料有关。电芯容量越大，一般放电倍率可以做得越小；电芯容量越小，放电倍率就要做得越大，容量与重量的比值会变小一些。如1500mAh80C的4S电池组，重量为170克；而1500mAh120C的4S电池组，重量有195克，增加了放电倍率，重量也增加了，这是电池功率密度概念所涉及的知识。

平衡充电器：航模锂聚合物电池组需要配套平衡充电器来充电，当电池组中的某一个电芯电压达到4.20V时，充电器关断电池串联输入口的电流，改由平衡线小电流充电模式，继续为尚未达到4.20V的电芯充电，直到它们分别达到4.20V为止。这样可以让电池组中的每一个电芯充入的电量尽量接近设计容量，避免出现水桶短板现象而导致电池组容量严重变小。当然，在组装电池组时，也要尽量采用相同容量、内阻的电芯，保证充放的一致性；性能优秀的电池组，电芯一致性非常好，其价格也比较高一些。某些品牌飞行电池内置了均衡保护电路，使得电池的充放电过程更安全。

电池温度：电池在充电放电过程中，温度会升高，这是电能-化学能-电能转换过程中电子移动时在电极板中无序运动碰撞所释放的热能，一定范围内的温度升高是安全的。电池是一个电能和化学能的存储转换装置，在充放电中需要一个合适的环境温度，才能保证转换过程中的电子活动强度。温度过低时，电池的充放电都不能达到理想状态；电池在低温时放电电流会严重偏低，电压也会被拉低到无法满足飞机的动力设计需要，容易造成摔机事故。电池高温时容易导致电解质气化，出现物理损坏，这是不可逆的，电池的容量和可循环次数明显降低。一般在电池充放电时，必须保证电芯温度达到15°C或者以上，要么提前预热电池，要么在飞机起飞后悬停一段时间，让电池升温后再飞出去做动作；暴力飞行的时间不宜过长，大电流放电容易导致电芯高温，电解质气化，电芯鼓胀。电池破损导致极板短路，也会造成温度升高甚至起火燃烧，电池起火时可将周围易燃物快速移走，让它燃烧完自动熄灭，也可以用各种灭火装置进行灭火，防止火势扩大。电池封装外壳破裂后，电芯内的电解质与空气中的氧气会发生化学反应生成新的物质，这种物理损坏是不可逆转的，电芯会在短时间内损坏不可用。发现电池鼓胀、破损现象，需要及时停止使用该电池，确保飞行安全。

过度放电：电芯依照制造材料、容量不同，其标称电压也不同，但是它们都有一个安全充、放电限制电压。在规定的充放电电流下，电池可以被充电至最高限制电压，也可以被放电至最低限制电压；但如果使用更大的电流进行充放电，很容易导致电芯损坏。较大电流的过度放电，会出现电芯温度快速升高和电解质气化现象，这会导致电芯极板的电子活性降低，甚至出现极板上的电子完全损失，造成电芯永久性损坏。如果是小电流的过放，导致电池电压低于安全放电电压，只要电池电压没有达到0V，可以通过涓流充电法试图恢复电池极板的电子活性，修复电池；但这也只是权宜之计，样修复后的电池电芯依旧会在不久以后快速老化，导致电池组失衡报废。

4、电机和电调：

航模飞机的电机分为有刷电机和无刷电机，其中有刷电机只要接上电池，就可以转动，但无刷电机一定需要使用电子调速器配合才能旋转。无刷电机电子调速板也称为电调，电调是无刷电机动力系统不可或缺的一个组成部分。电调通过大功率晶体管开关快速切换电流的通断和运动方向，在无刷电机的三条导线中，电流来回切换，产生交变磁场，磁场与电机转子上贴片永磁体的固有磁场产生相吸和相排斥的力，电机转子就旋转起来了。飞控向电调发送PWM脉宽指令信号，电调上的单片机处理器接收指令后，控制大功率晶体管开关的通断持续时间和开闭的频率，快速调节无刷电机的转速，从而带动螺旋桨转动，获得不断变化的空气推力，保持飞行器的姿态。



致盈EX2306-2750电机的厂方参数



四合一电调板

电调参数：耐压值V，电流值A，开关频率Hz，单片机类型8/16/32位，固件类型；双向电调可驱动电机正、反转，如船模和车模电机、穿越机反乌龟模式时就需要使用双向电调，但这需要电调固件的支持。

电机参数：电机物理尺寸、电机绕组数、电机磁体数、耐电压值、电流值、电功率值、转速值、最高温度、电机KV值、拉力值、桨匹配参数、力效值等。上图为致盈EX2306-2750电机的厂方参数。

例如电机型号2306KV2750,电机厂商标注参数还有如50A最大电流,740W最大功率，185°C最高温度，匹配5045三叶桨，在14.8V电压下能产生1533g最大拉力；电机工作温度73°C、电机重量28g，安装尺寸等。从型号为2306KV2750来看，其中23表示电机里线圈定子的直径为23mm，06表示定子高度为6mm，KV值表示在1V电压时每分钟转子转动2750圈（空载），15V电压下就是每分钟转41250圈（2750转X15V）。不同型号的电机，每分钟转速在几百至十万转都有。电机的各种参数可以通过厂家的电机参数实验表查询。

电机的转速R（空载）=KV值X电压V；例如KV1000的电机在10V电压下它的转速（空载）就是10000转/分钟。电机的KV值越高，每分钟转速也就越高，相对能耗也越高；电机的KV值大小与浆尺寸有着密切的关系，不同KV值电机需要配不同的桨叶，以免电机过热烧毁或者转速不够导致桨的拉力不足。在电机的参数中有些厂家还提供扭力数据，KV值越高的电机，相对扭力输出就越小，所采用的的匹配桨叶直径也越小。往往电机的KV值越低，转速越小，扭力越大，桨直径越大，动力电池的电压越高。如2306KV1700电机需要使用6S 22.2V电池组，匹配5045三叶桨，而同样的桨叶在2306KV2300电机上，使用4S 14.8V电池组就能达到理想转速；如果使用KV2800电机，3S 11.1V的电池组就可以使转速达到理想值。电机的转速和电压成正比关系，KV值与电机转速也成正比关系。

电机混用：不同型号的电机、不同KV值的电机是否可以混用？这个话题已经有许多人做过实验，答案是可以混用，飞控会输出不同的控制信号，平衡飞机的姿态，电机的KV值不一样（只要KV值相差不是很大），也是能正常飞行的。但是，需要遵循一个原则，混用电机的KV值相当或者高于系统设计值。为何要求代用电机的KV值相当或者高于设计值呢？试想，系统设计的KV值与电池电压，是用于保证电机的转速否能达到理想值，在最佳力效范畴使桨叶获得最佳的拉力；如果其中一个电机的KV值明显低于其它几个电机，那么这个电机将不能在电池电压不变的情况下达到最佳转速，就无法保证整个系统的动力要求。

举例说明：2204KV2800电机可以与2204KV2300混用，也可以与2306KV2300、KV2450、KV2750电机混用，但是不能与2306KV1700或2205KV1800电机混用，因为KV1700左右的电机是需要匹配6S电池使用的，如果一定要这么混用，需要将动力电池更换为6S电池组，这又涉及到电调和飞控的耐压值、电调温度这些参数；如果不更换电池组，继续使用4S电池组供电，会造成什么问题呢？这就涉及到系统稳定性、操控、载荷这些方面的问题了，这是一个系统性问题，许多人并不能在短时间内领会系统稳定性潜在的一些概念；这里就不再去强调那么多，做实验嘛，你喜欢怎么搞就怎么搞，能飞起来就好，炸过很多次之后，你会明白什么叫系统稳定性。

5、桨叶（螺旋桨）

桨叶是空气动力部件，它在高速旋转时，可在空气中获得拉力；多旋翼飞机主要利用了桨叶拉力中与地心引力相反的力，使飞机悬浮于空气中，这是一个反重力装置，桨叶拉力与地心引力形成夹角的力，可用于驱动飞机做水平位移。

桨叶常识：桨叶有2叶、3叶、多叶结构，多叶桨的飞行平稳性更好，直径越大的桨需要的转速越低、拉力转化效率越高、也更省电。海拔高度越低，空气密度越大，桨叶力效越高。桨叶可以由塑料、碳纤维、木头、金属、复合材料等制成。桨叶的尺寸单位为英寸，1英寸=2.54厘米。桨叶在电机上的固定方式有螺钉固定、螺帽固定、正反轴螺纹自紧。

相对于飞机的机身而言，固定翼是固定的机翼，螺旋桨是连续旋转的机翼。固定翼飞机的机翼与螺旋桨的安装角度差不多为90°，螺旋桨产生的拉力（推力）使固定机翼获得一个向前运动的速度，固定机翼在空气中运动会产生一个升力，当机翼的运动速度大于等于飞机的失速度时，飞机便可悬浮在空气中向前运动。多旋翼飞机直接利用多个螺旋桨机翼的运动升力，将飞机托举悬浮在空气中。多旋翼飞机由两个或多个螺旋桨动力部件提供升力，通常还需要为多旋翼飞机配置姿态控制电路，否则多旋翼飞机是无法正常起飞和悬停的；飞控中的陀螺仪采样装置与姿态解算装置，控制不同方位螺旋桨的瞬时转速，改变托举力的大小，使飞机总是能保持目标姿态。

空气密度：海拔高度超过1500米后，空气密度对桨叶升力的影响会越来越大，海拔高度超过3000米，越往高空，桨升力越小，需要的电机转速越高，可适当增加桨叶螺距提升升力，因转速增大了，飞行时耗电量会有所增加。

航天模型动力：当然，在没有空气的地方，例如在真空的太空环境中就无法使用螺旋桨式空气动力装置获得前进的拉力，航天飞行器应当改用反冲式火箭发动机装置获得前进的拉力；真空中的动力装置种类也不少，这不是航空模型动力涵盖的范畴，感兴趣的同学可以去研究航天模型系列发动机相关知识。



二叶、三叶、多叶螺旋桨



DJI 9450二叶自紧螺旋桨

桨叶参数：直径(总长度)、几何螺距（推进距离）、桨叶数量。如5045、50/45、5045X3；例如5045X3表示桨直径5英寸（12.7厘米），桨叶几何螺距4.5英寸（11.43厘米），三叶桨。几何螺距表示螺旋桨在连续流体中每旋转一周向前推进的距离，用英寸为单位表示。一般在形容螺距时，都是将无限多的独立空气分子看做一个粘性整体，这就是所说的连续流体。

螺旋结构机翼运动方式及空气拉力方向

桨质量：螺旋桨是高速旋转的部件，需要非常高的制造精度和一致性，细微的差异就会导致严重的失衡抖动。螺旋桨在设计时要求使用足够轻、结构强度足够大的材料，制造时要保证制作精度，不单需要完美保持同心圆中心和重心重叠，还需要每一个叶片的质量和尺寸保持高度的一致。

在同一台飞机上使用不同品质的桨叶，记录飞行日志，用黑匣子数据查看软件观察电机和陀螺仪的噪声分布，不同的桨叶，噪声的分布差异较大，除了严重的机架共振所产生的的噪声波形，还有多次谐振噪声出现，这都会影响飞机的操控性能。

桨叶的制造瑕疵，一些细微的差异，都会造成桨叶高速旋转时的不平衡，发生震颤，这些震颤传导到电机和机臂上，直接导致整个机架发生共振，影响飞控姿态采样，也会发生动力衰减现象，严重的振动噪声被陀螺仪采样，运算后被再次送入电机执行，电机也无法执行这么快速的转速变化指令，电流就在电机的线圈里来回跑，产生严重的热量，使电机发烫，稍微不注意就可能会烧毁电机和电调。所以，重视螺旋桨的品质，是保证飞机平稳飞行的基础。

6、电机与桨叶匹配

电机与桨匹配1：设计飞行平台载重目标400克，使用9寸F450机架，电池4S3300mAh 30C（380克），电调4S 20A，电机DJI2312A，桨叶DJI 9450二叶自紧。假如要使带载能力为500克，可减轻电池重量，同时容量会减少，续航时间也会减少。

电机与桨匹配2：设计穿越机载重目标300克，使用5寸210mm机架，电池4S1500mAh 100C（180克），电调4S30A四合一，电机2306KV2750，5045三叶桨。

电机与桨匹配3：设计穿越机载重目标400克，使用7寸280mm机架，电池4S150mAh 100C（180克），电调4S30A四合一，电机2207KV2000，桨叶7450三叶。

按照设计方案制作好飞机，如果带载重量明显超过设计载重量，飞机在最大油门下能起飞，正常风力时飞一段距离也没有问题，但并不是说这样使用没有问题；此时飞机的飞行稳定性会显著下降，系统可靠性已经被破坏，出于飞行安全考虑，这是不可取的。每台飞机的设计起飞重量和带载重量，在设计时就已经确定，不要去超负荷挂载，这样不安全，极容易摔机。飞机是一个严谨的机械、电子设备，重量也按照克来计算，要严格按照设计性能参数来使用，以免发生严重人为事故。