电动模型飞机动力系统的配置(1)

近年来，电机、电池、电调等航模器材的技术逐渐成熟、价格不断下降，电动动力系统的采购成本随之降低，且越来越多地装备在模型飞机上。从入门级的小练习机，到国际级的竞赛机，乃至技术密集型的小型无人机上，都能见到电动动力系统的身影。相比传统的燃油动力，电动动力的优势有：更加清洁、安静、安全；易于实现小型化，对飞行场地的要求较低；安装和调试更为简单，辅助设备更少，使用维护更为方便。鉴于这些优点，许多资深模友都给爱机换装了电动动力，刚开始接触航模的“菜鸟”模友也大多将电动模型飞机作为入门的首选机型。

为了方便模友更好地了解和使用电动模型飞机，特对其动力系统的配置做一较全面的介绍。文章分三个版块，分别介绍电动模型飞机动力系统的基本知识、配置方法和选购策略。新手可将本文作为一份可行的入门指南，有多年飞行经验的“老鸟”也可一读，结合自己的经验做一次系统的梳理归纳。

其中第一部分主要围绕电动动力系统的基本组成、各部件的主要参数、一般配置原则、安装连接方法及安全准则等基本知识进行介绍。通过这一部分，初学者可大概了解：配备一套电动动力系统需要哪些器材；它们各自起到了什么作用，具有哪些特性，应如何搭配；电动动力系统应如何安装；使用中有哪些要点需要注意。

电动动力系统的基本组成

电动模型飞机的动力系统通常由电机、电调、电池和螺旋桨组成。浅显地讲，电动动力系统的运行过程很简单：先依据控制信号，将电池中的电能转换为螺旋桨的机械能，然后利用螺旋桨旋转产生的空气动力为模型的飞行提供动力。

因此，电动动力系统的动力源是储有电能的电池。和大多数电池一样，航模动力电池也是借助化学反应，将化学能转换为电能。

电子调速器通常简称电调，其作用是通过一系列电路，将电池的电能按照控制信号的要求，安全、可控地提供给电机，使电机运转并调节其转速。简单来说，电调是连接电源和电机的桥梁。

电动机的原理是，借助电磁效应，完成“电流—电磁力—扭转力矩”的转换。航模电机的原理与日常生活和工业生产中用到的电动机相同，但针对使用的要求，具有体积小、重量轻等特点。

螺旋桨是由两片或多片具有特殊扭转外形的桨叶组成的气动部件。桨叶在电机扭矩的驱动下高速旋转，使空气流过叶片表面，从而产生向前的拉力（或推力）。

总的来说，电动模型飞机动力系统的所有部件均源自成熟的工业技术。不同之处在于，由于航模产品要求重量轻、性能高，因此相比其他领域，其电动动力系统中用到的器材从设计、选材、制造等方面另有特点。

电动动力系统各部件的性能参数

生产航模器材的厂家很多，产品更新也很快，目前并没有制定针对电动模型飞机动力系统的统一技术规范。但模友如果能明白这些器材各项性能参数的意义，会为今后选配和购买器材带来很大帮助。

1.　电池

航模用电池的类型有：铅酸电池（Pb）、镍镉电池（Ni-Cd）、镍氢电池（Ni-MH）、锂离子（Li-ion）/锂聚合物（Li-polymer）电池、磷酸铁锂（Li-Fe）电池。与日常生活中用到的电池相比，航模用电池最大的特点是功率大。因为航模用电池对待机时间和使用寿命的要求不高，更注重重量轻、储能多、输出电流大等性能。

铅酸电池的整套装置非常重，但工作可靠，一般作为地面设备使用，如用作充电设备。镍镉电池（Ni-Cd）和镍氢电池（Ni-MH）都是镍基电池，曾被广泛用作电动模型飞机动力系统的动力源。但因其存在记忆效应、重量大等缺陷，现已逐渐被锂离子/锂聚合物电池所取代。目前，锂聚合物电池是电动动力航模上使用得最多的电池，不仅重量轻、容量大、无记忆效应，而且便于制成各种规格的电池组。由于篇幅所限，本文仅介绍锂聚合物电池的相关性能参数，对其他类型感兴趣的模友可查阅过往杂志中的相关文章。

锂聚合物电池的相关性能参数很多，不过模友在选配和购买时只需了解几个常用参数即可。反映锂聚合物电池性能的关键参数包括：电池容量、串并联数、最大/持续放电倍率。

电池容量，指的是电池内可储存电能的数量。锂聚合物电池的容量是按其在充满电后放电至最低安全电压的过程中，电流对时间积分的结果标定的。其计量单位分为两种：毫安时（mAh）和瓦时（Wh）。前者与电压无关，只表征了放电电流和放电时间的关系；后者则考虑了电压的因素，表征了电池的能量。通常笔记本电脑等设备的电池是以瓦时标示，而航模用电池一般以毫安时标示。

在实际选配和购买过程中，一块标称容量2500mAh的电池（图1），表明其在标定实验中拥有以250mA大小的电流持续放电10h的能力，或可理解为该电池能以2.5A大小的电流持续放电1h。需要注意的是：在实际使用中，一般不会将电池放电至最低安全电压；同时大电流放电时，电池的放电深度要小一些；另外某些厂商可能存在虚标容量的问题。也就是说，模友不能直接将锂聚合物电池的标称容量当作实际容量来用，而应乘以0.7～0.8的安全系数。

由于mAh用作标称容量的单位时，并不能反映电池的电压，因此选择时还需了解电池的串并联数。航模用电池一般用英文“series”的首字母“S”表示串联，英文“parallel”的首字母“P”表示并联。例如，一个标示为“3S1P　2200mAh”的电池组，表明它由3片2200mAh的锂聚合物电池单体串联而成；如果是“4S2P　2500mAh”，则表明它由4组串联而成，其中每组由2片2500mAh的锂聚合物电池单体并联而成。通过电池串并联数，可计算出电池组的总电压。因为一般锂聚合物电池的单体电压是3.7～4.2V，所以标示为“3S”的电池组的电压范围是11.1～12.6V，“4S”的电池组的电压范围是14.8～16.8V。

锂聚合物电池的充放电倍率是有上限的。若超过允许值，轻则损伤电池，影响其性能和寿命，重则导致电池组永久损坏。一般用字母“C”表征锂聚合物电池的充放电倍率。

关于充放电倍率，《航空模型》已在2012年第12期《锂聚合物电池的那些事儿（上）》一文里详细介绍，这里为保证文章完整性，略作介绍。“C”数标示的是电池充放电时间小时数的倒数，即“xC”说明该电池能在1/x小时内完成充放电。锂聚合物电池的允许充电速度是“1C”，最大放电倍率则依据电池的制造工艺，有“8C”、“10C”、“15C”、“20C”、“30C”等类型。通常最大放电倍率是指短时间放电，持续放电倍率一般低于最大放电倍率（图2）。虽然目前不少航模用电池都标示其最大放电倍率为“30C”，但根据笔者的经验，大多数电池无法维持“20C”以上的稳定输出。因此在使用时最好将电池的最大放电倍率控制在“15～18C”。需要注意的是，不论何种电池，其放电倍率越大，寿命越短。

2.　电调

如前所述，电调有两个最基本的功能：一是启动并维持电机运转，二是调节电机的转速。比较关键的电调性能参数有：最大额定电流、最大支持电压、最高支持频率、进角设置等。

最大额定电流是模友最需要关心的参数，它表征了电调能够支持电机持续运转的最大输入电流。通常最大额定电流与电调的尺寸、重量和造价都有直接关系，是划分电调规格的参数（图3）。电调最大额定电流的范围为10～100A，常用范围为15～80A。需要特别注意的是，这一指标是在电调散热良好的情况下测定的。如果使用时周边天气炎热，或者安装位置散热不良，电调的最大额定电流会比标示数值低一些。

最大支持电压，是指电调在标称电流下，能支持的最大输入电压。对应于电池的标示，有的电调会直接标出电压范围（图4），有的会用电池串数标出电压范围（图5）。如说明书中标示某电调的最高电压为6S，即表示其能用在由6节锂电池串联的电池组里。

最高支持频率，是指电调输出端切换电流方向的速度，所能达到的最高频率。最高支持频率的大小与制作电调的电子元件性能有关。通常来说，除非是多极电机需要在高速下运转，否则电调的最高支持频率都能满足电机的使用要求。

电调的进角设置与电机的匹配有一定关系，设置不当会影响电机的启动和加速，以及高转速下的稳定性。每个电调的进角设置方法不一，模友可参照与之配套的说明书自行了解。

3.　电机

电机的种类很多，不过初入门的模友只要粗略了解一般电动模型飞机动力系统会涉及的分类即可。航模电机可简单分为有刷电机和无刷电机两类，其中无刷电机又分为内转子电机和外转子电机。

有刷电机（图6）的结构简单、价格低廉，尤其调速电路非常简单。但是由于存在电刷磨损、发热严重等问题，因此除了在某些特殊场合，有刷电机目前已基本被价格越来越低廉的无刷电机所取代。

内转子无刷电机（图7）直径小、转速高，主要用在涵道风扇电动机（图8），以及少数电动滑翔机（配合行星减速器使用）中。在电动模型飞机的动力系统中，用得最多的是外转子无刷电机（图9）。外转子无刷电机的设计参数有：尺寸规格、最大允许电流、KV值。

KV值（图10），是指电机在空载状态下，提高单位电压时所能提高的电机转速，或可简单理解为空载状态下其转速和电压的比值。KV值是电机的一个重要性能参数，其牵涉和影响到的参数很多。初学者不必深究原理，可将其理解为电机扭矩和转速的一种均衡关系。选择时的准则是：高KV值电机适合在低电压、高转速环境下工作，搭配小直径螺旋桨；低KV值电机适合在高电压、低转速环境下工作，搭配大直径螺旋桨。具体选配时，一靠经验，二靠调试，这些都将在后文详述。

电机性能与其定子及绕组规格有直接关系。不同厂家对电机的尺寸规格有不同的标定方法。常见的有两种：电机定子尺寸和电机外形尺寸。如一台AXI电机的型号是“C28-26-08”。由于AXI一般以电机定子的尺寸来标示，因此该型号说明电机的定子直径为28mm，定子长度为26mm，每极绕组的匝数是8匝。这种标定方法较为合理，通过型号用户可大致了解电机的绕组情况，进而估算出KV值、功率等。又如同系列的另一台电机，型号是“C28-26-12”。与前者相比，二者的定子直径和长度相同，可推断功率是接近的；后者绕组匝数多，可推断其KV值更低，可搭配更大直径的螺旋桨。另一种标定方法参考的是电机的外形尺寸，多见于国内的一些厂家。如电机的型号是“3530”，那么它的外径为35mm，长度为30mm。这种标定方法可使用户立刻了解电机的尺寸，但不利于他们在不同厂家的产品之间做出选择。因为型号分别是“3530”和“3628”的电机，虽然外形尺寸差距较大，但其定子可能是完全一样的，二者功率十分接近。

根据散热量的大小，每个电机工作时能承受的最大电流是有限的。这个指标被称为最大允许电流，以安培（A）为单位。因为无刷电机都是三线电机，所以一般以电调的输入电流，即电池输出线上的电流作为其总电流，超额运行时很容易被烧毁。（未完待续）