本帖最后由 illss 于 2012-10-23 00:34 编辑
多年前，md4-200华丽地现身，2安培的悬停电流让人惊叹不已。接着一段md4-1000悬停88分钟的视频更是让人佩服得五体投地。从此心里便埋下一个好奇的种子， 直到多轴飞行器开始流行，有幸学了点相关知识的皮毛，便想对这个神奇的留空时间分析一番。水平有限，如有不当之处，请指正。
为了引出与留空时间相关的因素，应该从能量的来源以及能量的流失开始。能量源自电池，经过电调、传给电机，由电机转化为机械能，传递给螺旋桨，由螺旋桨产生升力，抵抗重力的作用，保持飞行器的位置不变。实际上还有另一股能量，传给飞行控制系统，一般来说这股能量很小，几乎可以忽略，但是由于飞行控制的需要，飞行控制系统会不停的改变电机的转速，一股不可忽视的能量，在不停的加速减速运动中被消耗。即使在无风力干扰的室内，这股由于飞行控制系统导致的电机、螺旋桨加速减速消耗的能量也能达到飞行器总能量的10%左右。
由此看来多轴飞行器的能量来源只有电池，消耗能量的因素包括所有有重量的零件、飞行控制系统、电调、电机、螺旋桨。作为一个粗略估算的例程，分析这些零件“省油”的妙处。
1、电池
找到的资料如图1、图2，microdrone的官网还是比较厚道，给出了创造奇迹的那个6S3P电池的容量为18.3Ah，锂聚合电池。在一个台湾网站上找到的6S3P的电池重量为2400克。在本文中，将电池的性能表示为单位重量的电池所具有的能量，类似于能量密度，单位为g/Wh。
算例：2400g/（22.2V*18.3Ah）= 5.9 g/Wh。
之前曾经推算过目前的航模电池普遍的能量密度为6.76 g/Wh，可见在电池技术上，md4-1000所用的电池有10%以上的重量优势。
图1
图2
md4-1000使用的螺旋桨直径达700mm，这是一年前偶然看到的一个md4-1000的三视图里的数据。这几天一直没找到这样的图，所以只能通过估算来证实，图1显示md4-1000的轴距为1030。在图2中截图如图3：
图3
1030*sin（45）=728 mm。留28mm的桨间间隙，可以证实md4-1000的螺旋桨直径为700mm。 下面根据图1、图2的数据，假设88分钟的留空时间是在没有使用负载的情况下，用6S3P、18.3AH的电池飞出来的。这时的起飞重量为空机重量 （2650g）+ 电池重量（2400g）= 5050g，即一个螺旋桨所需产生的拉力为1262.5g。由图4得到螺旋桨宽度分布，推算结果如下：在飞行88分钟的视频里，螺旋桨转速为1400至1600rpm，螺旋桨效率为21至24g/W（本人理论估算的结果是22.6g/W，结合自己的螺旋桨设计实践经验得到21至24g/W这个范围），扭矩为0.30至36Nm，螺旋桨消耗的功率为50至58W。
有意思的是，md4-1000的螺旋桨的载荷和模型直升机的载荷非常相似，会不会是在这个飞行器设计之初，设计师就考虑到这个飞行器需要和直升机在留空时间上做一个比拼，至少不应该比直升机差很多的缘故。
图4
3、电机
md4-1000采用的盘式电机如图5，这个电机看起来挺怪异的，但是如果知道它要工作在1400至1600RPM的话，了解电机理论的人，可能比较好理解为何采用这种设计了。
该电机的磁路长度非常短，采用扁平的外形，定子高度也非常小，这样有利于用较小的电流产生较大的扭矩和较低的转速，才能与大直径低转速螺旋桨匹配。
由于篇幅所限，不便于对电机方面的理论展开更深入的讨论。以下举个简单的小例子，试图分析盘式电机省电的奥秘。
图5所示的盘式电机有36个槽，把盘式电机看做由36个完全一样的电磁铁组成的力的输出机构，假设每个单元输出的力为a，方向与电机外圆相切。盘式电机的定子外径为D，电磁铁的高度为L，则盘式电机输出的扭矩为36*a*0.5*D。如果制造一个电机，同样有跟盘式电机的电磁铁一样的36个电磁铁，但是其定子外径为0.5*D，其硅钢片高度将增加1倍，即是由两个单元电磁铁层叠起来。则其力矩为36*a*0.5*（0.5*D），扭矩减小一倍！！为了驱动同样的螺旋桨，必须将每个单元输出的力a变为2*a，由安培力F=BIL.可知，相当于增大了电流或者导线长度，考虑到硅钢片的磁化曲线（还是难以避开电机学的东西），为了输出同样的转速和扭矩，缩小电机的半径，即使增加了响应的定子高度，也会造成硅钢片接近磁饱和导致的效率降低、电流增大导致效率降低，和绕线困难等问题。
实际上，由于使用大直径螺旋桨可以带来比较高的螺旋桨效率，这是md4采用盘式电机的原因，对于一个既定的螺旋桨，都一个最优的电机与之对应。可以推算出这个盘式电机一个比较优化的结果。
注：作为多轴飞行器的设计建议，本人不建议一味最求“盘式”外形的电机，应考虑到飞行器的用途，进行整机优化，确定螺旋桨的性能，再根据螺旋桨的动力要求，在有条件的情况下，选择最合理的电机（又说空话了，这个最优真不容易 ）。md4-1000采用的盘式电机如图5，这个电机看起来挺怪异的，但是如果知道它要工作在1400至1600RPM的话，了解电机理论的人，可能比较好理解为何采用这种设计了。
图5
4、电调、飞行控制系统
没有找到关于md4-1000的电调资料，如下图，可见md4-200使用的是有感无刷的电调，在此只能猜测md4-200的电调方案对提供悬停效率的好处。
如图6，电调输出的导线有6根，比较粗一点的应该是电源线，其余四根应为信号线，采用串口或者其他方式与飞行控制系统进行双向通信，飞行控制系统可以给电调发送指令，电调也可以将动力系统的信息（比如电机的转速）反馈给飞行控制系统， 这样飞行控制系统对动力系统的控制就是闭环控制。相比现在航模行业使用的开环方案(飞行控制系统只管控制电调的PWM值，不管电机转速是否随之升高，只是由 陀螺仪来判别飞行器的姿态），对电机转速进行闭环控制，姿态的调整可能实现变成“一步到位”，极大地减少了电机转速变化的频率和幅度。从而减少了由于电机频繁做变速运动引起的额外能量损耗。现在航模的多轴动力系统动力系统在微风的时候这部分损耗高达25%左右，风力风向如果剧烈变化这部分损耗则变得更大，在室内飞行会就稍微好些。
注：以上关于电调及飞行控制系统的分析完全是猜测，轻信者后果自负。
图6
图7、8
图9
图10
5、机架
md4-1000采用全碳结构机架，造型形简洁得有点呆板，却没有一丝多余的结构件，看起来像是航空行业的作风。5550g起飞重量而空机重量只有2650g。md4-1000的机架设计应该可以说是做到了为节省每一克重量奋斗，如同飞机设计师所推崇的。md4-1000是半封闭的结构，可以长时间在雨中飞行，雨水不会进入机身内部，又能正常散热。其折叠臂的设计与舰载机的机翼折叠和固定方式相似，脚架设计更是简洁而轻盈。
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6、留空时间的估算
在那个88分钟的留空时间的视频里，假设当时飞行器的起飞重量为5050g，电池容量为18.3Ah，电池电压为22.2V，电机、电调效率为85%，转动惯量损耗的能量为总能量输出的10%，推算螺旋桨的效率。
a）电池输出的功率=18.3*22.2/(88/60)=277W；
b）飞机所需的动力系统效率=5050g/277W =18.23g/W ；
c）螺旋桨效率*85%* （1-10%）=18.23g/W ；
即螺旋桨的效率为23.8g/W ，在第二节螺旋桨部分所计算出的21至24g/W 范围之内。
注：实际上，电池轻量化、电机频繁做变速运动引起的额外能量损耗都很难达到文中提到的水准。
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发表于 2012-10-22 14:20
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