第3章 能源与动力设备_图文.doc

浪子模型网第三章 能源与动力设备第一节 电动机与电池随着技术的发展，高效率、质量轻的电动机和高容量密度的电池开始越来越多的用在模型飞机上了电动模型飞机启动容易、准备时间短，噪音小，没有排气污染，因此相对于其他的能源是一种绿色的能源配置高性能的电池和电动机的航模在航行时间上已经和内燃机动力的差不多，而控制更加容易，价格差异已经不太大了模型飞机用的动力电机是一种强力电机，它的功率密度比较大，即单位重量的电动机能产生较大的功率，电流一般都比较大，因此对于电池要求比较高，一般都是用大电流放电的充电电池组航模用的电动机都是永磁直流电机，分有刷和无刷两大类，电池组有镍铬、镍氢、锂离子、太阳能等电压一般在9~12伏之间，电流从几安到几十上百安一、有刷直流电机有刷电机通常用280、380、545等来标示其型号这通常指的是电动机的近似长度（电机金属外壳长度，单位×10-1 mm），国外通常用直径×长度来表示电机的尺寸型号，如2535，相当于国内的360电机图3-1 普通有刷电机有刷直流电机的转子通常为三极，采用优质冷轧硅钢片叠制而成，绕有耐高温漆包线圈多数航模电机动力电机都采用碳质电刷和铜质镀银换向器（又称整流子），以满足大电流下比较长的寿命。

但是直径10毫米左右的微型电动机由于体积太小，不容易采用碳刷结构，多数都是采用的银质丝状电刷，在大电流下工作寿命比较短为了降低碳刷的电阻，多数电刷采用的是含铜石墨，体积电阻率比较低，这样在大电流下碳刷的压降就比较小，碳刷发热小为了保证足够低的接触电阻，碳刷用弹簧紧压在换向器上新电机为了保证碳刷和换向器的接触面积，需要低电压空载磨合，使电刷的换向器充分接触，避免接触电阻发热有刷直流电机的转速和输出功率是随着电机工作电压的提高而提高的但是有刷直流电动机的机械特性比较硬，也就是说有刷直流电机具有近似恒功率的特性，负载扭矩低则转速高，负载扭矩高则转速低，电机需要工作在合适的转矩和转速下才能得到最高的工作效率，否则工作电流大，发热严重模型用电机转速都比较高，转速一般都在一万转每分钟以上，为了获得比较高的效率，模型用电机通常要接减速组，得到低速大扭矩输出有刷直流电机的转速控制是通过改变电机工作电压的方法实现的，常用PWM斩波控制，该控制器通常称为电子调速器简称电调，也有称为电子风门的111312109876543211、 消火花电容 2、电刷压紧弹簧 3、电刷 4、转子线圈 5、永磁定子 6、外壳 7、主轴 2、 8、磁体固定卡簧 9、转子铁芯 10、电刷架 11、电源线 12、换向器 13、轴承图3-2 有刷直流电机结构示意图电机定子为环形或瓦形永久磁钢。

随着磁性材料的发展，航模电机 很多都采用了稀土永磁体同普通铁氧体永磁体相比，这种磁性材料顽矫力很高，可达800kA/m，磁感应强度一般都可以达到0.5~0.8T（1特斯拉=10000高斯），磁能积可达200-300J/m3，烧结钴、钕铁硼稀土永磁体性能更高，可达1.2~1.3T，400J/m3，正因为高性能永磁体的性能得以大幅度提高，电动机的功率密度和效率大大提高，有刷电机可以达到73%甚至更高而无刷电机的效率可达80%以上但是稀土永磁体有一个缺点，它的居里点温度比较低，一般在150℃左右，而铁氧体永磁体的居里点温度在300℃以上，这样稀土电机在使用不当时温升过高就会使永磁体退磁再加上铁氧体永磁体地成本相对比较低，所以还是有比较多的微型电动机采用的是铁氧体永磁体作为定子电动机的定子磁钢固定在铁质外壳内，靠外壳和内转子形成磁回路有些航模电机为了减轻重量，铁质外壳比较薄，因此漏磁比较大，电机外壳可以吸引铁磁性材料采用稀土永磁体的电机效率高，电流大，转速高，因此大功率的电机的碳刷和换向器都比较大，并且要制作成容易更换的结构，散热也要良好，必要时需要加装散热片图3-3 钴稀土永磁体有刷电机普通有刷电机转子体积比较大，转动惯量比较大，对于一些换向频繁的情况如舵机动力，就会严重的影响舵机的反应速度，使舵机反应存在滞后。

空心杯转子电机（coreless motor）是一种特殊的电动机如图3-4所示，它的转子没有铁芯，由绝缘漆包线绕成杯状，转子夹在定子的气隙中，定子气隙比较大由于转子质量轻，电机的响应速度很快，适合频繁换向，但是电机的输出功率比较小通常采用端面电刷而不是径向电刷图3-4 空心杯电机二、无刷电机（brushless motor）无刷电机没有换向器和电刷，它的转子为永磁体，定子上有绕组线圈由于没有电刷，因此降低了电刷的接触电阻，并且没有电刷的磨损，除了轴承磨损之外，寿命几乎是永久的再加上它的效率很高，功率密度更大，将是今后航模动力的发展方向 用于遥控模型的无刷电机多为内转子型内转子型无刷电机的构造是转子磁钢在里边．外周配置电磁线圈由于转子直径小、适合于高转速工作 外转子型无刷电机的结构正好相反、电磁线圈在里边，外周配置磁钢这种无刷电机广泛使用在电脑、办公自动化设备等方面有刷电机靠换向器来改变电流接通的绕组，使电流流过的绕组始终在产生最大扭矩的磁场中旋转而无刷电机绕组的切换不是通过机械触点开关，而是通过电子元件来开关每个绕组的电流的下面我们以最简单的三相无刷电机为例说明无刷电机的工作原理。

图3-5 无刷电机工作原理图图3-5中VF为逆变器，REPMM为永磁电动机本体，PS为与电动机本体同轴联结的转子位置传感器，控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场当然，三相无刷电机的绕组不一定只有三极，可能有9极、12极等绕组的解法也各不相同，有单向导通单相3状态星形接法，双向导通两相6状态星形接法等不同的绕组和不同的接法所使用的控制电路、驱动电路以及开关电路都不相同因此无刷电机必须配合相使用的电子调速器才能使用无刷电机按照是否使用传感器分为有感和无感的有感的必须使用转子位置传感器来监测转子的位置其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴心跟踪电机本体转子的位置，其定子固定于电机本体定子或端盖上，以敏感和输出转子位置信号转于位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可靠性等其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等，其中最常用的是霍尔磁敏传感器。

由于航模用无刷电机功率大，相应的允许温升高，对于像霍尔磁敏传感器之类的电子元件很容易失效，再加上工作环境恶劣（振动、砂尘）等，对于敏感元件都是一种严峻的考验航模上使用的无刷电机更多的是无位置传感器的无刷电机由于它省去了转于位置传感器，因而电机结构简单、体积小、可靠性高，但是其控制部分更加复杂，价格更加昂贵 无转子位置传感器的无刷直流电动机虽然省去了位置传感器，但其基本工作原理并未改变，仍是通过确定转于磁极位置来控制逆变器备开关管的导通顺序只不过是通过电机本体的输入输出参数，经过控制器的硬件测试比较或软件计算来测得转子磁极的位置常用的换向方法主要有以下几种： (1)利用电机反电势信号控制换向主要有三种反电势检测方法：过零法、锁相环法和积分法其中过零法是当检测到未导通相绕组的反电势过零时，触发定时器，在定时时间结束时，逆变器实现下一个相序的换向这种方法线路简单、成本低、缺点是零点检测对噪声敏感，影响电机调速范围锁相环法是每隔一个磁状态，锁定未导通相绕组的反电势波形，以决定逆变器下一个开关的准确导通时刻该方法具有随转速变化而实现自动调整的特性积分法是把整形后的反电势波形送至积分器，其输出与预置门槛电压比较后触发定时器。

这种方法降低了对开关噪声的敏感性，实现了随转速变化逆变器换向时间的自动调整 利用电机反电势信号控制电机换向的方法的优点是线路简单、技术成熟、成本低其缺点是在电机停止或转速很低时，反电势无法检测，必须另外设置起动线路 (2)利用电机变相瞬态电压和电流方程，实时计算电机由静止到正常运转任一时刻转子的位置．控制电机的运行该方法不需专门的起动线路电路简单，起动转矩大．但对电机本体的数学模型依赖性大，当电机参数因温度变化发生漂移时，容易造成建模误差．使控制精确性受影响；另外，由于计算复杂，当电机转速较高时，须采用价格较高的数字信号处理器DSP和高速A／D转换器ADC (3)通过检测不导通相绕组续流二极管的开关状态，间接监测电机反电势过零点，控制逆变器开关状态该方法检测电路简单，灵敏度高，电机调速范围宽该方法适用于方波电动机而不适用于正弦波电动机，因其检测电路要求电机的反电势信号必须为梯形波 在以上几种方法中，反电势过零检测换向法最为成熟、可靠，应用也最多由于无刷电机具有优异的性能，各个航模生产大厂都在积极研发三、电池充电电池的种类比较多，但是用于航模之上要求能量密度大，重量轻，放电电流大，目前主要使用镍铬电池、镍氢电池和锂离子电池。

充电电池的内阻低，使用时谨防短路，否则可能引起烫伤、火灾 镍铬电池（Ni-Cd）的主要特点是优异的大电流放电性能，满足航模短时间高功率要求充电电池一个重要的性能指标是放电倍率所谓放电倍率，就是指电池的最大连续放电电流与其容量C的比值C代表的是以一安培放电完毕所需小时数通常在容量C前加一个数字表示例如某种1800毫安电池的放电倍率为10 C，即表示它的最大连续放电电量为18A，可见放电倍率是衡量电池急放电性能的重要指标由于生产工艺和结构上的差异，不同品牌电池的放电倍率往往不同国产镍隔电池一般为6C~12C，进口电池通常要高一些，尤其是模型飞机专用动力电池，往往可达20C左右，优秀的三洋电池甚至高40 C以上选择电池首先就是选挥高放电倍率的电池但是镍铬电池的能量密度小，并且有记忆效应，废旧电池对环境污染比较大，将很快被淘汰，目前只用于特大电流输出的场合镍氢电池(NiMH)是一种环保型的充电电池，使用性能和充电方式同镍铬电池一样，标称电压也是1.25伏，但是功率密度更大，目前已经在相当多的场合取代了镍铬电池，只是在大电流放电性能方面尚不及镍铬电池，一般在7C左右镍铬电池和镍氢电池有相同系列的型号，常用的主要有SC型、A型、AA型（5号）、AAA型（7号）等。

此外还会有一些特殊型号的电池，它们通常是由标准电池型号规格衍生出来的加长或缩短型号电池单体（电池芯）有时也直接以电池尺寸为标示，如18650、1848，它们标示的是直径18毫米，长度分别为65毫米和8毫米的单体电池航模中电机以及接收机都要使用电源，它们的电压一般都在5伏以上，动力组一般都在9~12伏以上，这需要多节电池串联，一般用镍片点焊连接业余制作可以用用铜片锡焊，不过要注意焊接时间短，避免电池受损锂离子聚合物电池(Li-Poly)是今后充电电池发展的方向它已经广泛的是用在等掌上电子产品上面锂离子聚合物的单体电压高达3.6伏，能量密度大，质量轻，没有记忆效应但是锂离子电池的充放电要求比较高，也很难做到大电流放电，一般在3C左右，否则非常容易损伤电池而航模专用的锂离子聚合物电池的放电能力已达10C，同时锂离子聚合物电池的安全性已经不成问题，但需要专门的充放电保护电路保护锂离子聚合物电池的封装形式非常多，多数为扁的长方体，并且带有每块电池专用的保护电路，在放电电压。