6S vs 3S：which one is better？——关于高电压长航时的讨论

Salem

   对长航时的追求几乎是随航模这项活动之生而生的。从最初的3~5分钟到现在的半个小时甚至一小时以上，航模的航时正在不断地增加。但学无止境，对长航时的追求亦无止境，何况有些直机至今只能飞5分钟呢。所以，一代又一代的模友都致力于提高飞机的航时。其中，提高电压是一种较为普遍也较为有效（至少看上去是这样）的方法，有些模友甚至将航时提高了整整一倍。但是，如果仅仅提高电压就能将效率提高一倍的话，那岂不是永动机出现了？为此，模友们讨论了数年之久。在此，我谨向模友们提出一些我个人的见解。

   首先，我们可以肯定的是提高电压不可能使效率增加一倍，因为无刷电机的效率一般都能达到85%，提高一倍就是170%了，这违背能量守恒定律。那么，是什么使得电压提高，航时能提高一倍？让我们看一看这个公式：P=Fv（功率=力*速度）。
   我们会发现：决定航时的是P，电池容量相同时，P越小，航时越长。而决定飞机留空与否的是F，它们不是相等的，因为还有个v呢。
   要实现长航时，我们就要做到使推力F不变，使P减小，于是，我们发现了另一种延长航时的方法，即减小向下排气速度v。在这里，我们需要引入一个新的（其实也不能说是新的了，因为它在多轴运用非常广泛）参数：力效。
   力效指的是电机推力与功率的比值，即推力除以功率，单位g／W（其实应该是N／W，但由于航模的质量都以克计，故常见的力效表都用g／W作为单位，这里也延用老传统吧）。根据力效的定义可得：推力=功率*力效。要实现长航时，就要增加力效，使得电机用较低的功率也能得到相同的推力。此外，这是一个不常见的参数，以至于我至今仍不知道它的符号是什么。但要参与运算，总得有个符号才行啊！于是，根据力效的定义，F／P=F／（Fv）=1／v。即力效是桨向下排空气的速度的倒数。所以要长航时可以，速度得减小，如果航时又长速度又高就违背能量守恒定律了。到底要哪个就看个人喜好了。这里举个例子：
   有两个功率同为100W的电动机，一个以1m／s的速度向下排气，一个以10m／s的速度向下排气，可求得第一个电机提供的推力F=100N=10kg，第二个电机提供的推力F=10N=1kg。根据1／v=F／P，可得第一个电机的力效1／v为100g／W，第二个为10g／W。此时第一个电机虽然速度低，但推力大，只须第二个电机1／10的功率即可达到相同的推力。于是力效的作用显示出来了。但力效高也意味着速度低，第一个电机的爬升速度只有第二个的1／10。不过对于直机来说，这问题不大。后面会讲原因。力效对于悬停类的飞行器来说是个非常重要的指标，但可惜现在绝大多数电机力效都在8~9之间。
   小结1：在功率相同、效率相同的情况下，航时是可以提升的。相同的推力，力效越高，功率越小，航时越长。

   讲了力效，接下来讲力效与什么有关。力效取决于桨的桨型、螺距等，电机的电流。其中，由于我们讨论的是单纯的提高电压，所以桨方面的可以略去。（但略去不代表与力效无关，直机飞行时的螺距是可以改变的，我们也可以借此调整电机的力效，实现该暴力时暴力，不须暴力时长航时。）单纯的电压对力效影响不大，故也略去。于是乎，我们得到：同电机同桨时，力效与电流有关。实际上，由于直机以悬停为主的工作状态，所以当电机与桨相同时，电流越高，力效越低（不信的请自行去x宝随便找一款多轴电机，看上面的力效—电流表）。如果我们要用一类函数来描述此时力效与电流的关系，我们会发现：这个函数大致为y=k／（x+b）。即1／v=k／（I+b）。k、b由其他的几个参数决定。
   小结2：同电机同桨时，电流越低，力效越高。

  此外，我们知道：P=IU，即I=P／U。因此，功率相同时，电压越大，电流越小。

于是，总结以上几点得：
为简化内容，定义＂电机L＂为电压较低的电机，＂电机H＂为电压较高的电机。
因为P=IU，功率相同时，电压越高，电流越低。
所以，相同功率时，电机L的电流比电机H的高。
因为电流越高，力效越低。
所以，电机L的力效比电机H低。
因为电机L与电机H功率相同。
所以，电机H的推力比电机L大。
于是得出结论：电机L与电机H功率、桨、电机相同时，电机H推力大，速度低。

同理，电机L与电机H推力、电机、桨相同时，电机H功率小，速度低。（要解方程，太麻烦，码字码得比较累，大家体谅一下吧。）

实例：
  以某电机为例，其力效与电流的函数关系式1／v=40／（I+3）。如果用它分别配3S，5000mah电池与6S，2500mah电池来产生200g的推力，那么：
用3S电池，11.1V，推力F=P／v=IU／v=40*11.1*I／（I+3）=200，解方程得I=2.46A，留空时间t=5000／6000=2.03h。
用6S电池，22.2V，同理可得40*22.2*I／（I+3）=200，解得I=0.88A，于是t=2500／880=2.84h，多出40%。

   最终，下一个结论：同电机同桨时，使用高电压可以增加力效（是力效不是效率哦），从而延长航时。

   长航时就是这么来的。这也是貌似唯一能解释6S长航时的理论（希望这称得上是理论）。如果我的理论有误或者我的表述有什么不恰当的地方，请您指出，我将第一时间改正。如果您对高电压长续航有不同观点的话，欢迎您提出，我们可以共同探讨这个问题。如果您是电机与配桨方面的专家，有更加完善的理论，希望您能以回帖的方式告诉我，我将在帖子中写出，并注明原作者。
祝大家天天爽飞！
AGBTJA。
补充：
模友weian提醒：电压增加后电机的效率会有所下降，但如果同时下降kv值的话效率下降不大。而力效近40%的提升已超过了效率的损失。

amdrk

电压小，线损大。

ibmv4

我跟他讨论过用正弦波驱动，应该能提高效率。我也不局限在高低压哪个效率高，我只想更了解影响电机效率的因素。建议你不要把所有人都当小学生，如果你已经洞察电机效能的全部原理，你可以写出来，目前为止我也只阅读到你分析电阻部分，但这并不是电机效率的全部。
我回贴的目的讨论，你写出来的公式我有赞同，但你没写出来的电磁部分我继续请教。

PUG

ibmv4 发表于 2017-12-23 19:00
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我请教过变压器的专家，圈数多少确实是影响效率的，他们的优化目标是 ...

“圈数多少确实是影响效率的”，请检查这句话的前提是什么？

请注意下面这句话：
导线越长，电阻越大。它的前提是什么？截面积保持不变！
为什么那么多的人相信了，6S电池的负担比3S电池小了？，为什么那么多的人相信了，3S电机的铜损比6S大？
很抱歉，你在犯同样的错误。

你可请教那位专家铁损和什么有关，和电流直接相关吗？别把两个世界搞在一起！
你问过那位专家什么是 安匝 数吗？2x1=1x2, 这是数学里最基本的东西，就像 2x1=1+1一样。

ibmv4

[quote][url=forum.php?mod=redirect

我请教过变压器的专家，圈数多少确实是影响效率的，他们的优化目标是让铁损加铜损最小。
所以我认为除了电阻热效率以外，还有可能存在与电流相关的效率因素。

PUG

ibmv4 发表于 2017-12-22 16:08
你误解我的观点了，有关频率，我不是说两种情况的频率不一样导致效率不一样，而是说高频会导致涡流损耗。 ...

你说得很对，这是一个很复杂的东西，但我认为这个并没有妨碍我们讨论，因为我们只讨论定性的东西，在量方面也是用的已知的，即电流和电压的关系，其它都是符号，在运算中被消掉。
另外，这是物理现象的讨论，所以其它的人为因素都必须排除在外，不能因为一家厂商为了什么目的用了什么工艺来得出物理之外的结论，如果这样就不是讨论物理问题了，命题本身就成为伪命题了。

我想这大概是坚信 6S 的效率是那样出奇的人的一个误区。当然，他们的坚信是有他们坚信的道理，因为他们用了6S的电机的确是爆了，而且很有可能两个电机看上去是一样。但那已经不是物理意义上的3S和6S的比较了。另外一个很严重的问题，坚信他们坚信的是在坚信 实践是检验真理的唯一标准。这是一个很可悲的事，他们坚信他们的实践步骤没出问题，其实可怜到连最基本的实践（实验）常识都没有。。。。。。

ibmv4

PUG 发表于 2017-12-19 16:47
第一，两者转速是一样的，电机结构一样（磁极数），所以频率是一样。
第二，3S是6S的两股线并绕，不存在 ...

你误解我的观点了，有关频率，我不是说两种情况的频率不一样导致效率不一样，而是说高频会导致涡流损耗。我给出的文章里也说了，多股并绕可以解决涡流问题。
提出这个看法，只是想说，热损耗两种情况是一样的，可能除了热损耗还有其他因素，比如厂家生产3s的时候，可能并不是多股呢？
无刷电机的热损耗很容易计算，这个我推导的结论是和你一样的，而且这个确实是大部分人的误区，但真正最难的有关电磁部分是非常难计算的，不知道你最近的帖子在电磁部分是否有分析，我之前只看到了电阻热损耗的分析。我请教过做变压器的专家、咨询过做电机的人、也粗略阅读过电机原理之类的书，发现和空气动力学类似，是理论和经验非常结合的学科。
要找高压低压效率除了电阻热损耗外是否相同这个问题的答案，或许需要像其他研究一样，提出假设，并且设计各种环境来进行实验，然后去找理论进行论证。

小马

很多同学延长时间的飞行都是勉强维持悬停下的增加的时间，如果用同样的转速下飞行其实增加不了多少，起码在下电压，小安倍的使用下提现不大，起码要汽车级别的用电器下才有较明显的提高。电跑特斯拉就有这方面的优化。

m28

收藏收藏，有空慢慢研究

hs987654321

挖坟。。6s的优势是动力强，电机效率都是差不多的，长航的关键主要还是降速，减少空气阻力。

PUG

ibmv4 发表于 2017-12-19 09:47
我也是今天才看到你上次回复我的帖子，但那篇帖子太久不能回复了。有关高低压效率的问题，热损耗分析是除 ...

第一，两者转速是一样的，电机结构一样（磁极数），所以频率是一样。
第二，3S是6S的两股线并绕，不存在3S是粗线的问题。1+1=2x1。如果前面能想通，这里应该也能想通吧？

所谓的 6S电机，只是叫 6S 电机，并不是一个真正相对于其电压一倍，电流一半的电机。

ibmv4

PUG 发表于 2016-4-25 23:36
你说了半天，都是6S电池和6S电机 或 3S电池和3S电机，在这个前提下来谈油门。问， 读清楚题了吗？{:1_20: ...

我也是今天才看到你上次回复我的帖子，但那篇帖子太久不能回复了。有关高低压效率的问题，热损耗分析是除了导线、MOS、插头电阻，其他热损耗高低是一样的。
但我最近的分析，额外考虑了绕组里的涡流损耗。高KV，粗铜线会导致绕组里产生涡流。我请教过做电力的朋友，高频时绕组里的涡流需要考虑。高频来至于驱动PWM的方波谐波。
相关文献可以搜索《考虑临近效应的高速永磁无刷电机交流损耗》

xjinganglang

楼主貌似对电机不是很懂，只服pug大

淮安爱好者

火前留名   不明觉厉、、 看不懂啊。。。。只知道老司机都建议6S  咱也不知道哪里好  就上6S吧~~

tjcdq

楼主，看了你的很多帖子，特别是关于氢燃料电池的帖子。
你的氢燃料电池做的怎么样了？有没有什么进展了？
我有一个弟弟，专门研究石墨烯锂电池的。你所说的大容量电极的问题，完全可以考虑石墨烯电极。
采用石墨烯化学气相沉积法镀膜的电极，容量可以大大的提升。如电动汽车，原来需要7-8个小时才能完成充电任务的锂电池，现在几分钟就可以搞定。其原理就是在于电极的容量大大增加，可以极大电流的充电。
你想要的是不是这个东西？
如果对路，你可以联系我，我帮你弄石墨烯电极，把你的氢燃料电池的研究继续下去。
联系方法：企鹅：1311375135，陈

q2w3e4r7

amphibia 发表于 2016-4-30 19:20
我不是放弃6s电池配1700kv马达，而去选3s电池配3400kv马达。而是在飞低转速时，宁可用6s标配的1700kv配3s ...

我懂你的意思，我只是想说明，6s也很省电，发热也不高，仅此而已

PUG

amphibia 发表于 2016-4-30 19:20
我不是放弃6s电池配1700kv马达，而去选3s电池配3400kv马达。而是在飞低转速时，宁可用6s标配的1700kv配3s ...

和他扯什么？
为了显示他懂很多，又搬出一堆东西，这一堆东西有用吗？对比实验除了要对比的两个参数不同，其余都要一样，最基本的常识。
什么是对比实验都不清楚，还谈啥？

amphibia

q2w3e4r7 发表于 2016-4-27 10:28
问题就在这里，你们的理论可能是正确的，但是不全面，因为实际飞行时候还是有很多条件被忽略了，电机设计 ...

我不是放弃6s电池配1700kv马达，而去选3s电池配3400kv马达。而是在飞低转速时，宁可用6s标配的1700kv配3s电池跑100%油门，而不是用6s电池跑50%油门。仅此而已。

q2w3e4r7

amphibia 发表于 2016-4-25 16:53
这是咱们第N次探讨这个问题。我相信大家的实验数据都是真实可靠的，难度在于找一个大而全的解释 ...

问题就在这里，你们的理论可能是正确的，但是不全面，因为实际飞行时候还是有很多条件被忽略了，电机设计，进角，频率，甚至连机械阻力，装配松紧度，电调位置，电池内阻，导线材质，粗细，当地温度，当地海拔，风力，可能都会造成影响。

所以，我觉得作为一个玩家，当大家都在用6s电机和6s电池的时候，何必一定要逆势而行改变用3s呢？这种问题说多了，就给人一种抬杠和钻牛角尖的味道了。

amphibia

PUG 发表于 2016-4-25 23:40
现在只剩最后一个谜底了，为什么用6S电机。

你的长航进行得如何了？

最近工作繁忙，年后基本没时间玩。定期拿出来摸摸