如何選擇更適合無人機(jī)的高速電機(jī)?

　　在無人機(jī)的飛行體系中，電機(jī)無疑充當(dāng)著最為關(guān)鍵的角色，堪稱無人機(jī)的 “心臟” 與 “動力引擎”。格瑞普小編將深入探究無人機(jī)電機(jī)領(lǐng)域，從電機(jī)的工作原理、涵蓋的類型，到不同電機(jī)間的顯著差異，展開全方位、深層次的剖析，帶您透徹了解這一核心部件究竟是如何驅(qū)動無人機(jī)翱翔藍(lán)天的。

　　一、無人機(jī)電機(jī)的工作原理

　　無人機(jī)電機(jī)主要包括有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，它們的工作原理有所不同：

　　有刷電機(jī)工作原理

　　●基本結(jié)構(gòu)：有刷電機(jī)主要由定子(靜止部分)、轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)部分)、電刷和換向器組成。定子通常是永磁體，產(chǎn)生固定的磁場。轉(zhuǎn)子是由鐵芯和繞組(線圈)構(gòu)成的電樞，它是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。電刷和換向器則起到電流換向的作用。

　　●工作過程：當(dāng)電流通過電刷進(jìn)入換向器時，電流會流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組。根據(jù)安培定律，載流導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用，這個力使得轉(zhuǎn)子繞組(也就是轉(zhuǎn)子)開始旋轉(zhuǎn)。由于換向器和電刷的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度后，電流能夠及時改變方向，使得轉(zhuǎn)子繞組所受的電磁力方向始終保持一致，從而使轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)。例如，在一個簡單的兩極有刷電機(jī)中，電流從電刷進(jìn)入，經(jīng)過換向器的兩個半環(huán)，分別流入轉(zhuǎn)子繞組的兩個部分，產(chǎn)生相對的電磁力，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，電刷與換向器不斷切換接觸點，保證電流方向的適時改變，維持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

　　無刷電機(jī)工作原理

　　●基本結(jié)構(gòu)：無刷電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是電機(jī)的靜止部分，通常由多相繞組(如三相繞組)構(gòu)成，繞組按照一定的規(guī)律分布在定子鐵芯上。轉(zhuǎn)子是永磁體，一般采用高性能的稀土永磁材料，如釹鐵硼永磁體，它能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場。無刷電機(jī)還需要配套的電子調(diào)速器(ESC)來控制電機(jī)的運行。

　　●工作過程：電子調(diào)速器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，然后按照一定的順序?qū)㈦娏鞴┙o定子繞組。當(dāng)定子繞組中有電流通過時，會在周圍產(chǎn)生磁場。由于定子磁場和轉(zhuǎn)子永磁體磁場的相互作用，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，轉(zhuǎn)子就會受到一個轉(zhuǎn)矩而開始旋轉(zhuǎn)。電子調(diào)速器會不斷地改變定子繞組中電流的導(dǎo)通順序和時間，使得定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向和速度能夠精確控制，從而帶動轉(zhuǎn)子持續(xù)穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。例如，對于三相無刷電機(jī)，電子調(diào)速器會按照 A - B - C、A - C - B 等順序依次給三相繞組通電，使定子磁場不斷旋轉(zhuǎn)，推動轉(zhuǎn)子永磁體轉(zhuǎn)動。并且，通過改變通電的頻率和占空比等參數(shù)，還可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　在無人機(jī)應(yīng)用中，無刷電機(jī)由于效率高、壽命長、扭矩大等優(yōu)點而被廣泛使用。它能夠為無人機(jī)提供穩(wěn)定的動力，使螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，從而讓無人機(jī)實現(xiàn)飛行。

　　二、無人機(jī)電機(jī)的作用是什么

　　電機(jī)在無人機(jī)飛行中起到了至關(guān)重要的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　●提供動力支持

　　電機(jī)是無人機(jī)的動力源之一，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在無人機(jī)飛行過程中，電機(jī)驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時會切割空氣，從而產(chǎn)生升力。例如，對于多旋翼無人機(jī)而言，多個電機(jī)(通常是四個或六個等)同時工作，它們帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力總和足以克服無人機(jī)自身的重力，使無人機(jī)能夠離開地面并在空中保持懸停狀態(tài)。而且，電機(jī)的動力輸出還能讓無人機(jī)在不同的飛行狀態(tài)下(如上升、下降、前進(jìn)、后退、側(cè)向移動等)穩(wěn)定運行。當(dāng)需要無人機(jī)上升時，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，螺旋槳產(chǎn)生的升力增大，從而使無人機(jī)向上飛行;當(dāng)需要下降時，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，升力減小，無人機(jī)就會下降。

　　●實現(xiàn)飛行姿態(tài)控制

　　無人機(jī)通過改變各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制飛行姿態(tài)。以四旋翼無人機(jī)為例，它的四個電機(jī)分別位于機(jī)身的四個角。當(dāng)要實現(xiàn)無人機(jī)的俯仰(向前或向后傾斜)姿態(tài)時，無人機(jī)的控制系統(tǒng)會增加前面兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時降低后面兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣，由于前面的升力增大，后面的升力減小，無人機(jī)就會向前傾斜并向前飛行。同理，要實現(xiàn)橫滾(向左或向右傾斜)姿態(tài)時，就改變左右兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;要實現(xiàn)偏航(繞垂直軸旋轉(zhuǎn))姿態(tài)時，通過改變對角線上電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制對于無人機(jī)飛行姿態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)至關(guān)重要，這有助于無人機(jī)在復(fù)雜的環(huán)境和飛行任務(wù)中保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。

　　●保證飛行性能和效率

　　電機(jī)的性能直接影響無人機(jī)的飛行性能和效率。高性能的電機(jī)，如無刷電機(jī)，具有效率高、扭矩大等特點。較高的效率意味著電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，能量損失較小，這樣可以延長無人機(jī)的飛行時間。而且，足夠的扭矩能夠使螺旋槳快速達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速，從而使無人機(jī)能夠更敏捷地響應(yīng)飛行控制指令。例如，在需要無人機(jī)進(jìn)行快速上升或緊急避障等操作時，電機(jī)的扭矩和響應(yīng)速度就顯得尤為重要。此外，電機(jī)的質(zhì)量和穩(wěn)定性也會影響無人機(jī)的可靠性。質(zhì)量好的電機(jī)在長時間飛行和復(fù)雜環(huán)境下(如高溫、高濕度等)能夠穩(wěn)定工作，減少故障發(fā)生的概率，從而保障無人機(jī)的飛行安全和性能。

　　三、有刷電機(jī)和無刷電機(jī)的主要區(qū)別是什么

　　有刷電機(jī)

　　●動力性能：

　　有刷電機(jī)扭矩相對較小。在小型無人機(jī)中，這種扭矩可能足以驅(qū)動螺旋槳使其起飛和維持簡單飛行，但對于較大尺寸或者需要攜帶較重負(fù)載的無人機(jī)來說，動力可能就顯得不足。例如，在一些玩具級無人機(jī)中使用有刷電機(jī)可以滿足基本的飛行需求，如短時間的低空飛行、簡單的懸停等。但如果要讓無人機(jī)攜帶專業(yè)的航拍設(shè)備或者執(zhí)行物資運輸任務(wù)，有刷電機(jī)產(chǎn)生的動力就很難滿足要求。

　　有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速提升相對較慢。這使得無人機(jī)在需要快速響應(yīng)的飛行場景中，如快速上升、緊急躲避障礙物等，不能很好地發(fā)揮作用。因為其動力輸出的響應(yīng)速度有限，會影響無人機(jī)的機(jī)動性。

　　●效率和續(xù)航：

　　有刷電機(jī)的效率較低。在電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，有刷電機(jī)由于電刷和換向器之間的摩擦以及電流的損耗，會浪費較多的能量。這就導(dǎo)致使用有刷電機(jī)的無人機(jī)續(xù)航時間較短。例如，同樣容量的電池，搭載有刷電機(jī)的無人機(jī)飛行時間可能比搭載無刷電機(jī)的無人機(jī)短很多，一般可能只有后者的一半甚至更少。

　　●使用壽命：

　　電刷和換向器是有刷電機(jī)的易磨損部件。在電機(jī)運轉(zhuǎn)過程中，電刷會不斷地與換向器摩擦，隨著使用時間的增加，電刷會逐漸磨損，導(dǎo)致電機(jī)性能下降甚至出現(xiàn)故障。所以有刷電機(jī)的使用壽命相對較短，頻繁使用的情況下可能幾百小時就需要更換電刷或者電機(jī)整體。這增加了無人機(jī)的維護(hù)成本和使用成本。

　　●穩(wěn)定性和噪音：

　　由于電刷和換向器之間的接觸問題，有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性稍差。在運行過程中，可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動的情況，這會影響無人機(jī)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性。例如，在拍攝高質(zhì)量的航拍視頻時，有刷電機(jī)的這種不穩(wěn)定性可能會導(dǎo)致畫面抖動，影響拍攝效果。

　　有刷電機(jī)在工作時噪音相對較大。這主要是因為電刷和換向器之間的摩擦以及電機(jī)內(nèi)部磁場變化等因素引起的。較大的噪音在一些對噪音敏感的應(yīng)用場景(如環(huán)境監(jiān)測、野生動物觀察等)中會產(chǎn)生干擾。

　　無刷電機(jī)

　　●動力性能：

　　無刷電機(jī)具有較大的扭矩。這使得它能夠輕松驅(qū)動螺旋槳，為無人機(jī)提供強(qiáng)大的動力。無論是小型的消費級航拍無人機(jī)還是大型的工業(yè)級無人機(jī)，無刷電機(jī)都能滿足其動力需求。對于需要攜帶較重負(fù)載(如專業(yè)的測繪設(shè)備、消防設(shè)備等)的無人機(jī)，無刷電機(jī)的高扭矩優(yōu)勢更加明顯。

　　無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快。在飛行控制指令發(fā)出后，無刷電機(jī)能夠迅速調(diào)整轉(zhuǎn)速，讓無人機(jī)可以快速改變飛行姿態(tài)或者速度。例如，在無人機(jī)競速比賽中，無刷電機(jī)能夠使無人機(jī)實現(xiàn)高速飛行和敏捷的轉(zhuǎn)彎等動作。

　　●效率和續(xù)航：

　　無刷電機(jī)的效率較高。由于沒有電刷和換向器的能量損耗，無刷電機(jī)能夠更有效地將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這使得無人機(jī)的續(xù)航時間得以延長。使用無刷電機(jī)的無人機(jī)在相同電池容量下，其飛行時間可比有刷電機(jī)的無人機(jī)長 30% - 50% 左右，具體的提升程度還與電機(jī)的型號、飛行條件等因素有關(guān)。

　　●使用壽命：

　　無刷電機(jī)沒有電刷這樣的易磨損部件，其主要部件(如定子和轉(zhuǎn)子)在正常使用和維護(hù)下壽命較長。這減少了電機(jī)更換的頻率，降低了無人機(jī)的長期使用成本。只要電機(jī)的軸承等部件正常工作，無刷電機(jī)可以穩(wěn)定運行數(shù)千小時。

　　●穩(wěn)定性和噪音：

　　無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。因為其通過電子調(diào)速器精確控制電流和磁場，所以能夠保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。這對于需要高精度飛行姿態(tài)控制的無人機(jī)應(yīng)用場景(如測繪、攝影等)非常重要，能夠保證拍攝畫面的清晰和平穩(wěn)。

　　無刷電機(jī)工作時噪音相對較小。由于沒有電刷和換向器的摩擦噪音，其整體運行噪音主要來源于電機(jī)的電磁振動和螺旋槳切割空氣的聲音，這使得無人機(jī)在飛行過程中更加安靜，適合于一些需要低噪音的任務(wù)。

　　四、如何根據(jù)無人機(jī)的性能需求選擇合適的電機(jī)類型

　　考慮動力需求

　　●負(fù)載重量：

　　如果無人機(jī)需要攜帶較重的負(fù)載，如專業(yè)的測繪設(shè)備、農(nóng)藥噴灑裝置或者物資運輸箱等，應(yīng)該選擇無刷電機(jī)。無刷電機(jī)具有較大的扭矩，能夠提供足夠的動力來驅(qū)動螺旋槳，使無人機(jī)可以順利攜帶這些負(fù)載起飛并維持穩(wěn)定飛行。例如，農(nóng)業(yè)無人機(jī)用于大面積農(nóng)田的農(nóng)藥噴灑作業(yè)，需要攜帶一定量的農(nóng)藥和噴灑設(shè)備，此時無刷電機(jī)是更好的選擇，它可以輕松應(yīng)對這種負(fù)載情況。而對于一些僅用于簡單娛樂，如小型玩具無人機(jī)，負(fù)載較輕，有刷電機(jī)就可以滿足基本的動力需求，驅(qū)動螺旋槳使無人機(jī)實現(xiàn)低空短時間飛行。

　　對于一些對動力輸出響應(yīng)速度要求較高的無人機(jī)應(yīng)用場景，如無人機(jī)競速比賽或者需要快速躲避障礙物的工業(yè)巡檢無人機(jī)，無刷電機(jī)是理想的選擇。無刷電機(jī)能夠快速調(diào)整轉(zhuǎn)速，在短時間內(nèi)提供足夠的動力變化，使無人機(jī)能夠迅速改變飛行姿態(tài)和速度。相比之下，有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)慢，在這些場景下很難滿足要求。

　　●飛行速度和機(jī)動性：

　　若希望無人機(jī)實現(xiàn)高速飛行和高機(jī)動性，如在特種偵察、應(yīng)急救援等應(yīng)用場景中，無刷電機(jī)是首選。無刷電機(jī)可以提供更高的轉(zhuǎn)速和更快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，從而使無人機(jī)能夠快速地進(jìn)行轉(zhuǎn)向、加速、減速等動作。而有刷電機(jī)由于動力和轉(zhuǎn)速響應(yīng)的限制，很難讓無人機(jī)達(dá)到較高的飛行速度和良好的機(jī)動性。

　　考慮續(xù)航要求：

　　如果無人機(jī)需要長時間飛行，例如用于長時間的環(huán)境監(jiān)測、電力線路巡檢等任務(wù)，那么無刷電機(jī)是更好的選擇。無刷電機(jī)的效率高，在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中能量損失小，能夠延長無人機(jī)的續(xù)航時間。在相同電池容量的情況下，使用無刷電機(jī)的無人機(jī)可以比使用有刷電機(jī)的無人機(jī)飛行時間延長 30% - 50% 左右。而對于一些飛行時間要求較短的應(yīng)用場景，如室內(nèi)短距離演示無人機(jī)或者小型玩具無人機(jī)，有刷電機(jī)的續(xù)航劣勢可能就不是那么關(guān)鍵的因素。

　　●考慮使用壽命和維護(hù)成本：

　　在需要無人機(jī)長期穩(wěn)定運行且對維護(hù)成本較為敏感的情況下，如工業(yè)自動化巡檢系統(tǒng)中的無人機(jī)，無刷電機(jī)是更合適的選擇。無刷電機(jī)沒有電刷這種易磨損部件，主要部件(如定子和轉(zhuǎn)子)在正常使用和維護(hù)下壽命較長，可以穩(wěn)定運行數(shù)千小時，減少了電機(jī)更換的頻率，從而降低了無人機(jī)的長期使用成本。而有刷電機(jī)由于電刷和換向器的磨損，使用壽命相對較短，頻繁使用的情況下可能幾百小時就需要更換電刷或者電機(jī)整體，這會增加維護(hù)成本和使用成本。

　　●考慮飛行穩(wěn)定性和噪音要求：

　　對于需要高精度飛行姿態(tài)控制的無人機(jī)應(yīng)用場景，如測繪、攝影等，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，能夠保證無人機(jī)的飛行姿態(tài)穩(wěn)定，從而確保拍攝畫面的清晰和平穩(wěn)。同時，無刷電機(jī)工作時噪音相對較小，對于一些對噪音敏感的任務(wù)，如野生動物觀察、城市環(huán)境監(jiān)測等，無刷電機(jī)更能滿足要求。而有刷電機(jī)由于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性稍差，可能會導(dǎo)致無人機(jī)飛行姿態(tài)的小幅度波動，并且其工作噪音相對較大，在這些場景下可能會影響使用效果。

　　五、不同類型電機(jī)的價格和成本有何差異

　　不同類型電機(jī)在價格和成本上存在明顯差異，以下是具體介紹：

　　有刷電機(jī)

　　●制造成本：結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等部件組成，制造工藝成熟，對生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)要求較低，因此制造成本也較低

　　●購買價格：一般較為便宜，以電動車用電機(jī)為例，有刷低速電機(jī)成本價在 250 元左右，有刷高速電機(jī)成本價在 400 元左右

　　●維護(hù)成本：電刷和換向器在工作中會產(chǎn)生磨損，需要定期更換，增加了維護(hù)工作量和成本。而且電刷與換向器的接觸電阻較大，容易發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)整體效率較低，能耗成本相對較高

　　無刷電機(jī)

　　●制造成本：結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，由定子繞組、永磁體轉(zhuǎn)子和電子控制器等組成，需要更精密的制造工藝和更高質(zhì)量的材料，還需使用電子控制器來管理電流，增加了制造成本

　　●購買價格：通常比有刷電機(jī)貴。在電商平臺上，直流無刷電機(jī)的價格，小功率的如 DC24V 0.75KW 的，單價在 1500 元左右，大功率的如 DC72V 7.5KW 的，單價則超過 1 萬元

　　●維護(hù)成本：無刷電機(jī)沒有電刷和換向器等易磨損部件，減少了維護(hù)工作量和更換部件的成本，且效率高，能耗成本低，長期來看，綜合使用成本可能更具優(yōu)勢

　　六、結(jié)論

　　無人機(jī)電機(jī)作為其核心部件至關(guān)重要。有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但存在電刷磨損與效率問題;無刷電機(jī)憑借扭矩大、響應(yīng)快、效率高和壽命長等優(yōu)勢成為主流。電機(jī)的功率、效率、扭矩特性等指標(biāo)深刻影響無人機(jī)的載重、速度、續(xù)航與操控性。選擇電機(jī)時需綜合考量無人機(jī)用途、性能需求與成本等因素。專業(yè)級無人機(jī)常選無刷電機(jī)以達(dá)高性能長續(xù)航，娛樂或低成本場景有刷電機(jī)可提供經(jīng)濟(jì)方案?？傊?，無人機(jī)電機(jī)的持續(xù)發(fā)展與適配選擇，是推動無人機(jī)技術(shù)進(jìn)步、拓展應(yīng)用領(lǐng)域、實現(xiàn)更多功能的關(guān)鍵所在，讓無人機(jī)在廣闊天空中展現(xiàn)無限可能。

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