如何選擇更適合無(wú)人機的高速電機?

　　在無(wú)人機的飛行體系中，電機無(wú)疑充當著(zhù)最為關(guān)鍵的角色，堪稱(chēng)無(wú)人機的 “心臟” 與 “動(dòng)力引擎”。格瑞普小編將深入探究無(wú)人機電機領(lǐng)域，從電機的工作原理、涵蓋的類(lèi)型，到不同電機間的顯著(zhù)差異，展開(kāi)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動(dòng)無(wú)人機翱翔藍天的。

　　一、無(wú)人機電機的工作原理

　　無(wú)人機電機主要包括有刷電機和無(wú)刷電機，它們的工作原理有所不同：

　　有刷電機工作原理

　　●基本結構：有刷電機主要由定子(靜止部分)、轉子(旋轉部分)、電刷和換向器組成。定子通常是永磁體，產(chǎn)生固定的磁場(chǎng)。轉子是由鐵芯和繞組(線(xiàn)圈)構成的電樞，它是電機的旋轉部件。電刷和換向器則起到電流換向的作用。

　　●工作過(guò)程：當電流通過(guò)電刷進(jìn)入換向器時(shí)，電流會(huì )流經(jīng)轉子繞組。根據安培定律，載流導體在磁場(chǎng)中會(huì )受到力的作用，這個(gè)力使得轉子繞組(也就是轉子)開(kāi)始旋轉。由于換向器和電刷的作用，當轉子轉過(guò)一定角度后，電流能夠及時(shí)改變方向，使得轉子繞組所受的電磁力方向始終保持一致，從而使轉子持續旋轉。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的兩極有刷電機中，電流從電刷進(jìn)入，經(jīng)過(guò)換向器的兩個(gè)半環(huán)，分別流入轉子繞組的兩個(gè)部分，產(chǎn)生相對的電磁力，推動(dòng)轉子轉動(dòng)。隨著(zhù)轉子的轉動(dòng)，電刷與換向器不斷切換接觸點(diǎn)，保證電流方向的適時(shí)改變，維持電機的旋轉。

　　無(wú)刷電機工作原理

　　●基本結構：無(wú)刷電機主要由定子和轉子組成。定子是電機的靜止部分，通常由多相繞組(如三相繞組)構成，繞組按照一定的規律分布在定子鐵芯上。轉子是永磁體，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)生強大的磁場(chǎng)。無(wú)刷電機還需要配套的電子調速器(ESC)來(lái)控制電機的運行。

　　●工作過(guò)程：電子調速器將直流電轉換為三相交流電，然后按照一定的順序將電流供給定子繞組。當定子繞組中有電流通過(guò)時(shí)，會(huì )在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。由于定子磁場(chǎng)和轉子永磁體磁場(chǎng)的相互作用，根據同性相斥、異性相吸的原理，轉子就會(huì )受到一個(gè)轉矩而開(kāi)始旋轉。電子調速器會(huì )不斷地改變定子繞組中電流的導通順序和時(shí)間，使得定子磁場(chǎng)的旋轉方向和速度能夠精確控制，從而帶動(dòng)轉子持續穩定地旋轉。例如，對于三相無(wú)刷電機，電子調速器會(huì )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(chǎng)不斷旋轉，推動(dòng)轉子永磁體轉動(dòng)。并且，通過(guò)改變通電的頻率和占空比等參數，還可以調節電機的轉速。

　　在無(wú)人機應用中，無(wú)刷電機由于效率高、壽命長(cháng)、扭矩大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。它能夠為無(wú)人機提供穩定的動(dòng)力，使螺旋槳高速旋轉產(chǎn)生升力，從而讓無(wú)人機實(shí)現飛行。

　　二、無(wú)人機電機的作用是什么

　　電機在無(wú)人機飛行中起到了至關(guān)重要的作用，主要體現在以下幾個(gè)方面：

　　●提供動(dòng)力支持

　　電機是無(wú)人機的動(dòng)力源之一，它將電能轉化為機械能。在無(wú)人機飛行過(guò)程中，電機驅動(dòng)螺旋槳旋轉，螺旋槳在旋轉時(shí)會(huì )切割空氣，從而產(chǎn)生升力。例如，對于多旋翼無(wú)人機而言，多個(gè)電機(通常是四個(gè)或六個(gè)等)同時(shí)工作，它們帶動(dòng)螺旋槳旋轉產(chǎn)生的升力總和足以克服無(wú)人機自身的重力，使無(wú)人機能夠離開(kāi)地面并在空中保持懸停狀態(tài)。而且，電機的動(dòng)力輸出還能讓無(wú)人機在不同的飛行狀態(tài)下(如上升、下降、前進(jìn)、后退、側向移動(dòng)等)穩定運行。當需要無(wú)人機上升時(shí)，電機轉速加快，螺旋槳產(chǎn)生的升力增大，從而使無(wú)人機向上飛行;當需要下降時(shí)，電機轉速降低，升力減小，無(wú)人機就會(huì )下降。

　　●實(shí)現飛行姿態(tài)控制

　　無(wú)人機通過(guò)改變各個(gè)電機的轉速來(lái)控制飛行姿態(tài)。以四旋翼無(wú)人機為例，它的四個(gè)電機分別位于機身的四個(gè)角。當要實(shí)現無(wú)人機的俯仰(向前或向后傾斜)姿態(tài)時(shí)，無(wú)人機的控制系統會(huì )增加前面兩個(gè)電機的轉速，同時(shí)降低后面兩個(gè)電機的轉速。這樣，由于前面的升力增大，后面的升力減小，無(wú)人機就會(huì )向前傾斜并向前飛行。同理，要實(shí)現橫滾(向左或向右傾斜)姿態(tài)時(shí)，就改變左右兩側電機的轉速;要實(shí)現偏航(繞垂直軸旋轉)姿態(tài)時(shí)，通過(guò)改變對角線(xiàn)上電機的轉速來(lái)實(shí)現。電機轉速的精確控制對于無(wú)人機飛行姿態(tài)的精準調節至關(guān)重要，這有助于無(wú)人機在復雜的環(huán)境和飛行任務(wù)中保持穩定的飛行狀態(tài)。

　　●保證飛行性能和效率

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

　　三、有刷電機和無(wú)刷電機的主要區別是什么

　　有刷電機

　　●動(dòng)力性能：

　　有刷電機扭矩相對較小。在小型無(wú)人機中，這種扭矩可能足以驅動(dòng)螺旋槳使其起飛和維持簡(jiǎn)單飛行，但對于較大尺寸或者需要攜帶較重負載的無(wú)人機來(lái)說(shuō)，動(dòng)力可能就顯得不足。例如，在一些玩具級無(wú)人機中使用有刷電機可以滿(mǎn)足基本的飛行需求，如短時(shí)間的低空飛行、簡(jiǎn)單的懸停等。但如果要讓無(wú)人機攜帶專(zhuān)業(yè)的航拍設備或者執行物資運輸任務(wù)，有刷電機產(chǎn)生的動(dòng)力就很難滿(mǎn)足要求。

　　有刷電機的轉速提升相對較慢。這使得無(wú)人機在需要快速響應的飛行場(chǎng)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(dòng)力輸出的響應速度有限，會(huì )影響無(wú)人機的機動(dòng)性。

　　●效率和續航：

　　有刷電機的效率較低。在電能轉化為機械能的過(guò)程中，有刷電機由于電刷和換向器之間的摩擦以及電流的損耗，會(huì )浪費較多的能量。這就導致使用有刷電機的無(wú)人機續航時(shí)間較短。例如，同樣容量的電池，搭載有刷電機的無(wú)人機飛行時(shí)間可能比搭載無(wú)刷電機的無(wú)人機短很多，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的易磨損部件。在電機運轉過(guò)程中，電刷會(huì )不斷地與換向器摩擦，隨著(zhù)使用時(shí)間的增加，電刷會(huì )逐漸磨損，導致電機性能下降甚至出現故障。所以有刷電機的使用壽命相對較短，頻繁使用的情況下可能幾百小時(shí)就需要更換電刷或者電機整體。這增加了無(wú)人機的維護成本和使用成本。

　　●穩定性和噪音：

　　由于電刷和換向器之間的接觸問(wèn)題，有刷電機的轉速穩定性稍差。在運行過(guò)程中，可能會(huì )出現轉速波動(dòng)的情況，這會(huì )影響無(wú)人機飛行姿態(tài)的穩定性。例如，在拍攝高質(zhì)量的航拍視頻時(shí)，有刷電機的這種不穩定性可能會(huì )導致畫(huà)面抖動(dòng)，影響拍攝效果。

　　有刷電機在工作時(shí)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內部磁場(chǎng)變化等因素引起的。較大的噪音在一些對噪音敏感的應用場(chǎng)景(如環(huán)境監測、野生動(dòng)物觀(guān)察等)中會(huì )產(chǎn)生干擾。

　　無(wú)刷電機

　　●動(dòng)力性能：

　　無(wú)刷電機具有較大的扭矩。這使得它能夠輕松驅動(dòng)螺旋槳，為無(wú)人機提供強大的動(dòng)力。無(wú)論是小型的消費級航拍無(wú)人機還是大型的工業(yè)級無(wú)人機，無(wú)刷電機都能滿(mǎn)足其動(dòng)力需求。對于需要攜帶較重負載(如專(zhuān)業(yè)的測繪設備、消防設備等)的無(wú)人機，無(wú)刷電機的高扭矩優(yōu)勢更加明顯。

　　無(wú)刷電機的轉速響應速度快。在飛行控制指令發(fā)出后，無(wú)刷電機能夠迅速調整轉速，讓無(wú)人機可以快速改變飛行姿態(tài)或者速度。例如，在無(wú)人機競速比賽中，無(wú)刷電機能夠使無(wú)人機實(shí)現高速飛行和敏捷的轉彎等動(dòng)作。

　　●效率和續航：

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

　　●使用壽命：

　　無(wú)刷電機沒(méi)有電刷這樣的易磨損部件，其主要部件(如定子和轉子)在正常使用和維護下壽命較長(cháng)。這減少了電機更換的頻率，降低了無(wú)人機的長(cháng)期使用成本。只要電機的軸承等部件正常工作，無(wú)刷電機可以穩定運行數千小時(shí)。

　　●穩定性和噪音：

　　無(wú)刷電機的轉速穩定性好。因為其通過(guò)電子調速器精確控制電流和磁場(chǎng)，所以能夠保持穩定的轉速。這對于需要高精度飛行姿態(tài)控制的無(wú)人機應用場(chǎng)景(如測繪、攝影等)非常重要，能夠保證拍攝畫(huà)面的清晰和平穩。

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

　　四、如何根據無(wú)人機的性能需求選擇合適的電機類(lèi)型

　　考慮動(dòng)力需求

　　●負載重量：

　　如果無(wú)人機需要攜帶較重的負載，如專(zhuān)業(yè)的測繪設備、農藥噴灑裝置或者物資運輸箱等，應該選擇無(wú)刷電機。無(wú)刷電機具有較大的扭矩，能夠提供足夠的動(dòng)力來(lái)驅動(dòng)螺旋槳，使無(wú)人機可以順利攜帶這些負載起飛并維持穩定飛行。例如，農業(yè)無(wú)人機用于大面積農田的農藥噴灑作業(yè)，需要攜帶一定量的農藥和噴灑設備，此時(shí)無(wú)刷電機是更好的選擇，它可以輕松應對這種負載情況。而對于一些僅用于簡(jiǎn)單娛樂(lè )，如小型玩具無(wú)人機，負載較輕，有刷電機就可以滿(mǎn)足基本的動(dòng)力需求，驅動(dòng)螺旋槳使無(wú)人機實(shí)現低空短時(shí)間飛行。

　　對于一些對動(dòng)力輸出響應速度要求較高的無(wú)人機應用場(chǎng)景，如無(wú)人機競速比賽或者需要快速躲避障礙物的工業(yè)巡檢無(wú)人機，無(wú)刷電機是理想的選擇。無(wú)刷電機能夠快速調整轉速，在短時(shí)間內提供足夠的動(dòng)力變化，使無(wú)人機能夠迅速改變飛行姿態(tài)和速度。相比之下，有刷電機轉速響應慢，在這些場(chǎng)景下很難滿(mǎn)足要求。

　　●飛行速度和機動(dòng)性：

　　若希望無(wú)人機實(shí)現高速飛行和高機動(dòng)性，如在特種偵察、應急救援等應用場(chǎng)景中，無(wú)刷電機是首選。無(wú)刷電機可以提供更高的轉速和更快的轉速響應，從而使無(wú)人機能夠快速地進(jìn)行轉向、加速、減速等動(dòng)作。而有刷電機由于動(dòng)力和轉速響應的限制，很難讓無(wú)人機達到較高的飛行速度和良好的機動(dòng)性。

　　考慮續航要求：

　　如果無(wú)人機需要長(cháng)時(shí)間飛行，例如用于長(cháng)時(shí)間的環(huán)境監測、電力線(xiàn)路巡檢等任務(wù)，那么無(wú)刷電機是更好的選擇。無(wú)刷電機的效率高，在將電能轉化為機械能的過(guò)程中能量損失小，能夠延長(cháng)無(wú)人機的續航時(shí)間。在相同電池容量的情況下，使用無(wú)刷電機的無(wú)人機可以比使用有刷電機的無(wú)人機飛行時(shí)間延長(cháng) 30% - 50% 左右。而對于一些飛行時(shí)間要求較短的應用場(chǎng)景，如室內短距離演示無(wú)人機或者小型玩具無(wú)人機，有刷電機的續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成本：

　　在需要無(wú)人機長(cháng)期穩定運行且對維護成本較為敏感的情況下，如工業(yè)自動(dòng)化巡檢系統中的無(wú)人機，無(wú)刷電機是更合適的選擇。無(wú)刷電機沒(méi)有電刷這種易磨損部件，主要部件(如定子和轉子)在正常使用和維護下壽命較長(cháng)，可以穩定運行數千小時(shí)，減少了電機更換的頻率，從而降低了無(wú)人機的長(cháng)期使用成本。而有刷電機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(shí)就需要更換電刷或者電機整體，這會(huì )增加維護成本和使用成本。

　　●考慮飛行穩定性和噪音要求：

　　對于需要高精度飛行姿態(tài)控制的無(wú)人機應用場(chǎng)景，如測繪、攝影等，無(wú)刷電機的轉速穩定性好，能夠保證無(wú)人機的飛行姿態(tài)穩定，從而確保拍攝畫(huà)面的清晰和平穩。同時(shí)，無(wú)刷電機工作時(shí)噪音相對較小，對于一些對噪音敏感的任務(wù)，如野生動(dòng)物觀(guān)察、城市環(huán)境監測等，無(wú)刷電機更能滿(mǎn)足要求。而有刷電機由于轉速穩定性稍差，可能會(huì )導致無(wú)人機飛行姿態(tài)的小幅度波動(dòng)，并且其工作噪音相對較大，在這些場(chǎng)景下可能會(huì )影響使用效果。

　　五、不同類(lèi)型電機的價(jià)格和成本有何差異

　　不同類(lèi)型電機在價(jià)格和成本上存在明顯差異，以下是具體介紹：

　　有刷電機

　　●制造成本：結構相對簡(jiǎn)單，主要由定子、轉子、電刷和換向器等部件組成，制造工藝成熟，對生產(chǎn)設備和技術(shù)要求較低，因此制造成本也較低

　　●購買(mǎi)價(jià)格：一般較為便宜，以電動(dòng)車(chē)用電機為例，有刷低速電機成本價(jià)在 250 元左右，有刷高速電機成本價(jià)在 400 元左右

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

　　無(wú)刷電機

　　●制造成本：結構更為復雜，由定子繞組、永磁體轉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(lái)管理電流，增加了制造成本

　　●購買(mǎi)價(jià)格：通常比有刷電機貴。在電商平臺上，直流無(wú)刷電機的價(jià)格，小功率的如 DC24V 0.75KW 的，單價(jià)在 1500 元左右，大功率的如 DC72V 7.5KW 的，單價(jià)則超過(guò) 1 萬(wàn)元

　　●維護成本：無(wú)刷電機沒(méi)有電刷和換向器等易磨損部件，減少了維護工作量和更換部件的成本，且效率高，能耗成本低，長(cháng)期來(lái)看，綜合使用成本可能更具優(yōu)勢

　　六、結論

　　無(wú)人機電機作為其核心部件至關(guān)重要。有刷電機結構簡(jiǎn)單、成本低，但存在電刷磨損與效率問(wèn)題;無(wú)刷電機憑借扭矩大、響應快、效率高和壽命長(cháng)等優(yōu)勢成為主流。電機的功率、效率、扭矩特性等指標深刻影響無(wú)人機的載重、速度、續航與操控性。選擇電機時(shí)需綜合考量無(wú)人機用途、性能需求與成本等因素。專(zhuān)業(yè)級無(wú)人機常選無(wú)刷電機以達高性能長(cháng)續航，娛樂(lè )或低成本場(chǎng)景有刷電機可提供經(jīng)濟方案?？傊?，無(wú)人機電機的持續發(fā)展與適配選擇，是推動(dòng)無(wú)人機技術(shù)進(jìn)步、拓展應用領(lǐng)域、實(shí)現更多功能的關(guān)鍵所在，讓無(wú)人機在廣闊天空中展現無(wú)限可能。

　　格瑞普專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)可充電電池26年，匠心打造無(wú)人機電池及半固態(tài)電池，電壓覆蓋 4S(14.8V)至 18S(68.4V)，容量更是高達 84Ah。豐富的產(chǎn)品線(xiàn)專(zhuān)為適配多樣化應用場(chǎng)景而設計，無(wú)論您的無(wú)人機采用何種電機配置，均能實(shí)現完美兼容。如有任何疑問(wèn)或特定需求，歡迎通過(guò)在線(xiàn)客服即時(shí)溝通/電話(huà)或留言反饋，我們將以最快速度與您取得聯(lián)系，竭誠為您服務(wù)。