電動航模無刷動力組分享

小笨

隨著當今微電子技術的迅速發展，電動遙控模型飛機的技術進步與發展也方興未艾。其最具革命性的技術進步就是採用電子調速器控制無感無刷電機作為強勁的動力系統和以聚合物鋰電池為能源的供電系統。由此使電動遙控航模飛機進入到一個完全可以與燃油發動機航模叫勁的嶄新時代。
   然而，不少傳統玩油動模型飛機的玩家，對而今的電動模型飛機仍缺少認識，其表現主要在兩個方面：一方面，一些傳統玩家以為如今的電動模型飛機還跟過去的電動模型飛機一樣留空時間短；動力不足；電機使用壽命短，對接收機干擾大等等。其實，而今的電動航模飛機由於採用了上述先進技術，已經和從前的有刷電動航模飛機有天壤之別了。
    其實，無刷電機與無刷電機電子調速器人們早就在工業領域運用了，但傳統的無刷電機控制主要用霍爾感測器來為無刷電機作換相檢測，而航模用無刷電機通常是不用感測器來檢測電機換相的。我們稱這種無刷電機為無感無刷電機。要驅動控制無感無刷電機按我們的需要運行起來，用傳統的數位電路幾乎無法實現，因為它的控制機理十分複雜，即使傳統數位電路能夠實現對無感無刷電機的運行控制，那也必然是一塊幾何尺寸和重量都相當可觀的複雜裝置，這樣的話，它就顯然不適合航模控制電路輕量化和小型化的要求。所以我們眼下看到的無感無刷電機電子調速控制器（業內俗稱“無刷電調”）無一例外都是採用微處理器作為核心器件，通過相當複雜的動態計算來實現對無感無刷電機的調速控制的。
    因此無感無刷電機的運轉關鍵在控制電路。在航模領域，兩三年前這一控制技術主要掌握在德國、美國和捷克人手頭。因此當時的“無刷電調”市場價格實在不蜚。而近一兩年來，國內已有“阿爾舍電子控制技術有限公司”等企業開發出了具有完全自主知識產權的航模專用無感無刷電機電子調速控制器。隨著中國產“無刷電調”的上市，全球“無刷電調”的價格已大幅下調。無刷電機在航模領域的普及運用已成必然。
    在航模領域，用無刷電機代替傳統的有刷電機之所以已成必然，是因為作為電動航模動力組的電機、電調、電池這三者都有了劃時代的進步。
    首先，無刷電機運用於航模領域，優點確實突出。無刷電機工作效率很高，一般的有刷電機工作效率在50％∼60％；而無刷電機的工作效率通常都不低於80％。因此獲得同樣的功率，無刷電機就比傳統的有刷電機體積小、重量輕。無刷電機工作時沒有碳刷電機那樣的火花干擾，也不存在碳刷磨損，因此採用無刷電機更有利於遠距離遙控，且使用壽命長，基本無需維護。
另外，作為無感無刷電機的關鍵控制電路“無刷電調”由於採用高速微處理單片機和大功率貼片式場效應管，使其已做到小型化、輕量化，且售價在不斷降低。這就為無刷電機在航模領域的應用提供了普及的重要條件。
    再就是聚合物鋰電池的出現，也為無刷電機在航模領域的應用提供了重要條件。聚合物鋰電池相比傳統的鎳鎘電池、鎳輕電池其最大的優點就是單位電容量的重量輕，另外它也比鋰離子電池在使用上更加安全。
    聚合物鋰電池的技術進步也很快。世界上聚合物鋰電池才出現還沒有幾年，到目前就已，大致發展到了第三代，第一代C值在2∼3；第二代C值在3∼5；第三代C值在5∼12；平均一年一代。所謂C值，就是電池容量的放電倍率。比如一組標稱C值為10、標稱容量為1600ma/h的聚合物鋰電池，就是說它可以在最大16A放電電流下工作。容量是1600ma/h。
    有了無感無刷電機和相應的電子調速控制器以及聚合物鋰電池這三者的絕佳配合才有了開篇所說的遙電動遙控航模飛機正進入到一個完全可以與燃油發動機航模叫勁的嶄新時代。但是不少模友買回一些採用無刷動力組的商品電動航模，使用起來卻並不感到滿意，不是電池使用壽命比較短，就是無刷電機過熱；或者是留空時間短，甚至是無刷電調損壞燒毀等等。這又是為什麼呢？原因當然很多，但筆者總的歸結起來就是兩方面的原因。一個是商品機本生的原因；另一個就是使用不得法的原因。二者合起來的根本原因就在於生產者和使用者對於新生事物都有一個逐步認知和探索的過程！就目前來說，筆者觀察到，不少國內生產無刷電機的廠家，基本不懂得什麼樣的無刷電機適合於什麼樣的航模；而不少的航模商品機生產廠家，卻又不知道怎樣的電機參數（包括電池參數）才是最適合於自己所生產的航模飛機；而另一些並不具有獨力設計無刷電調能力而僅靠其他途徑獲得生產無刷電調能力的廠家卻又很難不斷優化自己生產的電調，由此配套出來的商品航模就當然不盡人意了。而更多的使用者都是初步嘗試使用，對無刷動力組的電動航模還沒有更多的內在認識。好在這些問題都是一個過程，這一過程正在迅速好起來。不要認為這只是國內電動航模的問題，歐美發達國家廣泛採用無刷動力組的電動航模也只是近幾年的事，我國大量出口的相對廉價的電動航模及其電機、電調等配套商品同樣推動了歐美發達國家電動航模的進一步普及。把話說得遠一點，發達國家採用無刷動力組是首先用於無人偵察機，特別是以色列的小型無人偵察機，已廣泛採用無刷動力組。並且出口到美國等國家。據《軍事文摘》2005年第4期報導，我國某重點型號軍用直升機的穩壓電源系統也採用了“一套新穎的航空無刷直流電動機，其特點是要求低電壓、大功率、大電流、高轉速，……這種從未在中國直升機上使用的新型電動機，為XX直升機提供了先進穩定的電源。”可見無刷電機技術，特別是無感無刷電機技術在全球來說都是一項可以說是先進的技術，人們正在對其不斷認知。
    接下來談談無刷電機、無刷電調以及聚合物電池在使用中的一些問題。
    首先談談無刷電機。目前在航模上用的無刷電機因其結構的不同分為內轉子無刷電機和外轉子無刷電機。通常來說，一隻內轉子無刷電機的轉速比一隻相同功率的外轉子無刷電機的轉速要高，但扭力比外轉子無刷電機小。生產廠家一般會給出電機的K/V值、推薦最大工作電流值等主要參數。所謂K/V值，通俗地說，就是供給電機的工作電壓每提高一伏，所能增加的轉速。所以通常電機的K/V值越高，能夠獲得的轉速就越高。需要注意的是，在航模上，電機的K/V值並不是越高越好。不少模友盲目追求高K/V值電機，而不顧及電機的其他參數和電機與螺旋槳的搭配關係，這樣就往往容易造成使用中電機過熱，或螺旋槳工作效率低下，電機功率損失也大，這就得不償失。
    一般來說，用於目前市場上流行的電動直升機的無刷電機的K/V值比較高，通常在2800到3200；而用於固定翼航模飛機的無刷電機的K/V值相對比較低，如果是直驅漿，K/V值在1200∼1800就夠了。所以目前的固定翼航模飛機多採用外轉子無刷電機，以期獲得更大的直驅槳的能力；而電動直升機多採用內轉子無刷電機，以期獲得必要的電機轉速。因為外轉子無刷電機要獲得比較高的轉速，就要有高的K/V值，而高K/V值的外轉子無刷電機作起來比較困難。但隨著技術的進步，高K/V值的外轉子無刷電機也一天天多起來，所以電動直升機採用高K/V值的外轉子無刷電機會逐漸成為趨勢。今後的電動直升機甚至有可能直接採用大直徑、大扭力，低K/V值的外轉子無刷電機直接驅動直升機主槳，從而省去大盤齒輪。
    固定翼航模飛機的電機如果採用減速齒輪，就可獲得更大的驅動大直徑槳的能力，但減速齒輪會帶來功率損失和重量的增加。再就是高速旋轉中減速齒輪的磨損相當大，尤其是金屬材質的減速齒輪磨損就更甚，這就影響了航模的使用壽命。所以能夠採用直驅就盡可能不要用減速齒輪。只要螺旋槳、電機、電調等要素搭配合理，固定翼航模飛機採用電機直驅槳綜合優勢會更大。直接的感覺就是既保持強勁的動力，又省電，留空時間也長，這是我自製幾十架電動航模飛機後的體會。有人可能就會問，那麼你自製的電動航模飛機留空時間究竟有多長？飛行性能又如何？這樣告訴你吧：眼下我自製的電動航模特技機，如果和一架標配的油動F3A同時起飛，我的電動特技機不會比F3A（飛完一箱油）先落地，且至少在3/4時段中都可以作幾乎所有常規的特技動作。我曾用一架40級商品油動練習機改為無刷動力組電動練習機，並有意作了不同螺旋槳、電機、電調等要素的搭配試驗，結果是模型飛機在獲得同樣大小的推重比條件下，不同螺旋槳和不同電機的搭配，會有高達近20A電流的差異。螺旋槳、電機、電池相對搭配合理，其最大工作電流只有22A；搭配不夠合理，最大工作電流在40A.。可見合理搭配螺旋槳、電機、電調等要素，對於省電、延長航模飛機的留空時間是多麼的重要！話不說遠了，下面我們再談談無刷電調。
    無刷電調、無刷電機其實是緊密關聯的。要談無刷電調，還會談到無刷電機。
從早兩年到現在，不少模友都十分迷信美國的XX無刷電調，認為中國人作的電調完全不可對其超越。其實只要你真正瞭解了無刷電調，你就一定會得出不一樣的結論。事實也是如此。早兩年用於航模的無感無刷電機幾乎都是內轉子無感無刷電機，那時在航模領域幾乎還沒有外轉子無感無刷電機，應當說，美國的XX無刷電調對內轉子無感無刷電機的支持是比較好的，但對於內轉子無感無刷電機的直驅能力和啟動特性，筆者仍不敢恭維，而當越來越多的外轉子無感無刷電機出現後，它對不少外轉子無感無刷電機的支持就更不那麼盡人意了，新出了幾個版本，啟動特性有所提高，但相對來說也不怎麼成功。而國產的無刷電調呢，（當然這裏我們指的是國內處於前沿設計開發水準的航模專用無感無刷電機電子調速控制器專門生產企業）應當說其無刷電調是越做越好，功能品質都可圈可點，相對而言，更接近於價廉物美。那麼怎樣的一款電調才適合於你呢？我們接著談。

jonylien

龍崗小吳

把電子變速器說成電變是台灣人
說成電調是大陸人
台灣的無刷，說實在的，比對岸高竿

龍崗小吳

而且，電動飛機在大型飛機上多是內轉子無刷過減速機，因為過減速機能壓榨出更高的效率值。
電動直升機以目前來看幾乎都是外轉子無刷，其原因為外轉子散熱較佳，且扭力較內轉子還要大。
至於省卻大齒盤？？？我想那個無刷需要有超大的轉殼，才有足夠的扭力來驅動旋翼，那又跟我們需要的--輕--相違背了。

F3A

文章內容部份不甚贊同.

電機馬達KV用到 1200~1800 的直驅??? ~~~~~ 怪怪!!! 這個直驅馬達大概是競速用的. 槳要用短小精幹槳.
想請教我這架電機要如何搭配才能飛行時間比油機久.

龍崗小吳

原帖由 F3A 於 2006年11月30日 10:15 AM 發表
文章內容部份不甚贊同.

電機馬達KV用到 1200~1800 的直驅??? ~~~~~ 怪怪!!! 這個直驅馬達大概是競速用的. 槳要用短小精幹槳.
想請教我這架電機要如何搭配才能飛行時間比油機久.

原來不是只有我ㄧ個人不甚贊同喔！