電動力飛行器推進(jìn)系統(tǒng)研究

1、電動力飛行器推進(jìn)系統(tǒng)研究張健，周洲，周明（西北工業(yè)大學(xué)無人機(jī)特種技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）摘要：對電動力飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的組成與原理進(jìn)行了初步研究，分析了直流電源和無刷電機(jī)的外特性，建立了電推進(jìn)系統(tǒng)性能分析模型，并研究了電機(jī)與螺旋槳以及電推進(jìn)系統(tǒng)與飛行器的匹配方法，為電動力飛行器的研制提供參考。關(guān)鍵詞：推進(jìn)系統(tǒng)，直流電源，無刷電機(jī)，無人機(jī)THERESEARCHONPROPULSIONSYSTEMOFELECTRICPO

2、WEREDAIRCRAFTZhangJianZhouZhouZhouMing(NationalkeylabatyofUAVspecialtechnologyNthwesternPolytechnicalUniversityXi’AN710065China)AbstractBasedontheprinciplestructureofelectricpropulsionsystemTheexteriacteristicsofdirectcu

3、rrentbrushlessmotwasanalyzedTheperfmancemodelofElectricpropulsionsystemwasestablishedMatchingmethodofmotwithproppropulsionwithaircraftwasstudied.Theresultsareprovedtobeusefulfelectricpoweredaircraftdesign.KeywdsPropulsio

4、nSystem，DirectCurrent，BrushlessMot，UAV電動力飛行器是指以電力為能源，以電機(jī)、螺旋槳為推進(jìn)系統(tǒng)的飛行器，如微、小型電動無人機(jī)，燃料電池飛機(jī)和太陽能飛行器等。近年來，蓄電池、燃料電池的比能量與比功率有了很大提升，無刷電機(jī)技術(shù)的成熟使得電機(jī)效率與比功率也得到很大提高。電源、電機(jī)、螺旋槳組成的推進(jìn)系統(tǒng)（以下簡稱“電推進(jìn)系統(tǒng)”）成為繼活塞螺旋槳推進(jìn)和噴氣推進(jìn)系統(tǒng)后一種實(shí)用的航空推進(jìn)技術(shù)[12]。圖1采用電源電

5、機(jī)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的飛行器與活塞螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)不同，電推進(jìn)系統(tǒng)采用直流電源代替燃油，采用無刷電機(jī)代替活塞發(fā)動機(jī)將電源的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電推進(jìn)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，能量轉(zhuǎn)換效率高，能夠精確控制轉(zhuǎn)速與推力，使用維護(hù)方便，清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)可以根據(jù)需要定制，大大放寬了發(fā)動機(jī)對飛行器設(shè)計(jì)的限制，采用電推進(jìn)系統(tǒng)的飛行器噪音低、振動小、綠色環(huán)保。因此電動力飛行器的研制得到許多國家重視。美國、以色列在電動力飛行器（尤其是電動無人機(jī)）研制方面走在世

6、界前列。我國在這方面的研究相對較少，目前，還沒有形成完善的電動力飛行器的設(shè)計(jì)理論和方法。電動力飛行器的性能主要取決于電推進(jìn)系統(tǒng)的性能，提高電推進(jìn)系統(tǒng)效率、實(shí)現(xiàn)飛行器與推進(jìn)系統(tǒng)的最佳匹配對提高電動力飛行器的飛行性能具有重要意義。本文對電推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理，以及直流電源和無刷電機(jī)的外特性進(jìn)行分析，通過建立電推進(jìn)系統(tǒng)的性能分析模型，對電機(jī)與螺旋槳、飛行器與推進(jìn)系統(tǒng)的匹配方法進(jìn)行初步研究。一、電推進(jìn)系統(tǒng)的組成和工作原理1.11.1系統(tǒng)組成與工作

7、原理系統(tǒng)組成與工作原理電推進(jìn)系統(tǒng)由直流電源、調(diào)速器、無刷電機(jī)、減速器、螺旋槳等五部分組成?？沙潆婋姵貙?shí)際比能量還與放電深度（電池?放出的能量占其額定能量的百分比）有關(guān)，因此，實(shí)際比能量為。放電深度越深，電池壽命WW???越短，使用時(shí)應(yīng)盡量避免深度放電，的典型范圍?0.750.8。一次性使用的電池可選擇較高的放電深度，近似認(rèn)為=1。此外，放電特性還受溫度影響，?在一些極端的溫度環(huán)境下，需要考慮溫度對電池性能與壽命的影響。與蓄電池不同，燃料

8、電池把儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，等溫地按電化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化效率在4060%，是汽油燃燒的23倍。目前，氫燃料電池電機(jī)組合系統(tǒng)的比能可以做到300600WHKG，是高性能蓄電池能量密度的23倍，接近兩沖程汽油發(fā)動機(jī)的比能量（500600whkg）。但是，現(xiàn)階段與燃油動力相比，電池的比能量和比功率相對較小，限制了無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間和速度、高度、機(jī)動性。電推進(jìn)系統(tǒng)通常只能在對速度、航時(shí)和機(jī)動性要求較低的飛行器上使用，如單兵小型電

9、動無人機(jī)，微型飛行器，小型有人駕駛飛行器等，但隨著直流電源技術(shù)的進(jìn)步[4]（圖5），電動力飛行器的航時(shí)、速度、機(jī)動性將有較大提高。0100200300400500600700800900NiCdNiMHLiionLipolyLiSZnAirfuelsellFuelcellH2Nearfuture比能量（Whkg）圖5直流電源比能量發(fā)展趨勢1.31.3、無刷電機(jī)、無刷電機(jī)無刷電機(jī)技術(shù)的成熟使電機(jī)的比功率大大提高。目前，先進(jìn)兩沖程活塞式發(fā)動

10、機(jī)比功率為2.75kwkg，而高轉(zhuǎn)速小扭矩?zé)o刷電機(jī)的平均比功率達(dá)到2kwkg，最大比功率56wkg，未來可達(dá)到810kwkg，工作效率通常都不低于80％，是有刷電機(jī)的1.31.6倍。與活塞發(fā)動機(jī)相比響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定、噪音低、壽命長、幾乎不需要維護(hù)。工業(yè)用無刷電機(jī)可分為三種：重載高壓電機(jī)、高性能工業(yè)電機(jī)和高轉(zhuǎn)速小扭矩電機(jī)（航模用電機(jī)）。重載高壓電機(jī)的扭矩大、轉(zhuǎn)速低、比功率較?。桓咝阅芄I(yè)電機(jī)扭矩較大、轉(zhuǎn)速中等、比功率不高；高轉(zhuǎn)速小扭矩

11、電機(jī)的比功率大、轉(zhuǎn)速高、扭矩小，適合小型飛行器使用?？紤]到飛行器動力系統(tǒng)需要有良好的可靠性與耐久性，某些比功率較大的高性能工業(yè)電機(jī)也能作為飛行器的動力。圖6給出了250種無刷電機(jī)的最大輸出功率與電機(jī)質(zhì)量[5]。虛線的左側(cè)電機(jī)均可作為飛行器動力系統(tǒng)。圖6實(shí)心符號重載高壓電機(jī)，空心符號高性能工業(yè)電機(jī)，‘’或‘x’高轉(zhuǎn)速低扭矩電機(jī)二、電推進(jìn)系統(tǒng)性能分析電動推進(jìn)系統(tǒng)的性能主要取決于電機(jī)、螺旋槳的性能以及兩者的匹配。調(diào)速器和減速器對推進(jìn)效率有影響

12、，但不起主要作用且效率難以精確確定，初步分析時(shí)取兩者的組合效率為0.95。下面分別建立電機(jī)和螺旋槳的性能模型。2.12.1電機(jī)模型電機(jī)模型電機(jī)性能模型是指電機(jī)的輸出功率、輸出outP扭矩與工作效率隨轉(zhuǎn)速和控制電壓的mQm?mnU變化關(guān)系，可以通過試驗(yàn)來確定，也可由無刷電機(jī)原理推導(dǎo)。這里按照無刷電機(jī)原理，結(jié)合電機(jī)出廠標(biāo)定參數(shù)給出電機(jī)的性能模型。（2）09.5()mmmVVnQURIKK?????????（3）0mVmoutVVmnKUnP