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成熟的无刷电机及控制技术助力于无人机开拓更大的市场

2021-03-04 16:40:57     来源:老赵说制造        

【哔哥哔特导读】消费级无人机一般带有四个单独电机的四旋翼,每个电机都有驱动螺旋桨,电机必须与电源(电池),控制微电子设备和软件。

国家空中交通管制规定无人机的举升限制在地面高度以上120m,飞行器必须保持在用户视线范围内。大多数消费级无人机只能飞行20–25分钟,飞行范围在2公里左右的地方,无人机只有给消费者带来愉快的飞行体验,才能成为成功的产品。

无刷电机

消费级无人机一般带有四个单独电机的四旋翼,每个电机都有驱动螺旋桨,电机必须与电源(电池),控制微电子设备和软件,飞机传感器(如加速度计)和有效载荷集成在一起。消费级无人机设计专注于具有高便携性,易用性和飞行性,同时提供更好的成像/视频质量,带有4K视频和高动态范围(HDR)图像以及诸如防撞传感器等功能。

为什么要为垂直起降(VTOL)无人机采用四旋翼配置?垂直起降无人机采用四旋翼配置,四叶片转子是简单的支柱,叶片角是固定的,通过每个节流点上的电机来控制。两个转子顺时针旋转,另两个转子逆时针旋转,从而消除了转矩影响。每个转子倾斜一个角度,旋翼节流点一起增加或减少升力,飞机上升或下降,控制电流实现无人机的俯仰,偏航和侧倾。一些更昂贵的无人机采用六角转子设计,即使一个转子发生故障,也可以连续飞行。

无人机需要最大限度提高举升能力,电机和支柱的推力以及高效的输出不仅会影响飞行,还会影响无人机的稳定性和控制能力。无人机不能使用具有主旋翼和尾旋翼的直升机来消除扭矩,直升机旋翼很复杂,每个叶片都需要改变其在空中的迎角。机械斜盘以不同的方式改变叶片角度,沿您想要的方向运动,机械盘会改变叶片角度增加零件重量。

无人机电机将电能转换为机械动力方面起着至关重要的作用, 电机具有高输出功率,在悬停时具有最佳效率。电机设定了关键的重量范围,以使无人机尽可能轻便,从而增加了耐用性和整体便携性。无人机采用无刷电机,以电子方式对电枢线圈中的电流(以及由此产生的磁场)进行换向或切换,从而通过对永磁体磁场的反作用产生转矩。 磁体的外环导致较大的气隙表面积,以使电磁场从旋转轴以较大的半径穿过,外伸装置固有地会产生更大的扭矩。随着绕组线圈的自动化程度的提高,大大降低小型无刷电机的成本。形状记忆材料的使用避免了机械部件的复杂性,使螺旋桨增加提升高度的自由度,提高无人机的可控性和稳定性。

无刷电机具有更高的防尘和防潮性能,绕组线是隔离的,在敏感区域没有接触,效率是电机的关键性能指标之一。电机精确地适配于螺旋桨以提供良好的散热,这就是为什么绕组尤为重要,线圈必须保持凉爽,从而最大程度地提高电机效率。无刷电机相对于有刷电机更加耐用,在每分钟数万转数(rpm)摩擦更小,减小了导致接触磨损。没有电刷减小了电弧,电弧可能会导致电磁干扰,从而影响无人机的电子设备。同时,无人机电机的密封件设计方案,可进一步提高无人机正常运行的时间。

电机控制算法针对电机进行定制以最高速度盘旋和推动无人机,在每个飞行阶段以快速响应时间来控制电机增强飞行稳定性。对无人机所选择的电机的电磁,机械和电气性能有严格要求,最大程度地减小其尺寸和重量。无刷技术的成熟,最终目标仍是在保证电机高性能的同时减小尺寸和重量。

电机控制器对每个控制器在驱动电机发出信号之间快速切换,无人机使用一种控制算法会产生成一个近似正弦波的梯形信号以降低热量。控制器放置在靠近螺旋桨的位置,或在螺旋桨尖端下方的气流中使用单个散热器。散热器的重量最小化,并相对于重心放置,最大程度地减少对惯性和可控性的影响。高效的无人机电机满足最小的热量消耗功率,将以较慢的速度消耗电池,从而延长飞行时间。

结论

无人机在极端温度,降水,灰尘和其他微粒中飞行,不仅会影响机械和电气组件,而且还会影响各个子系统的性能,这对于无人机的可靠性至关重要。这要求系统组件(尤其是电机)的使用寿命比普通无刷电机更长。当前的无人机技术和系统为消费者提供了通用的功能,但行业的发展正引导未来有更多、更具成本效益的无人机投入市场。

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