搜索
《无人机发动机的调试与维护》（职业教育）主讲：郏志刚课件目录1.1多旋翼无人机动力装置的基本概念1.1.1多旋翼无人机发动机的分类、功用和要求1.1.2多旋翼无人机动力装置的组成1.2直流电动机1.2.1直流电动机的基本概念1.2.2无刷直流电机1.2.3有刷直流电机1.2.4空心杯电机1.3航空活塞式发动机1.3.1航空活塞式发动机的类型和结构1.3.2航空活塞式发动机的工作系统和原理1.3.3旋转活塞式发动机1.3.4航空活塞式发动机的工作特性第一章多旋翼无人机动力装置1.1多旋翼无人机动力装置基本概念多旋翼无人机升空的首要条件也是必要条件就是动力，有了动力才能驱动旋翼旋转，旋翼无人机才能产生足够的升力抵抗来自地球的引力。因此，以多旋翼无人机以动力机为主的动力装置的性能，就决定着旋翼无人机的飞行性能。1.1多旋翼无人机动力装置基本概念星型活塞发动机涡轮轴发动机涡扇发动机电动发动机对置活塞发动机1.1.1多旋翼无人机常见发动机类型1.1.1发动机的分类、功用和要求发动机的基本功用是为飞行器提供持续的、足够的动力，以确保重于空气的飞行器能够持续、稳定和可控地在空中飞行。对动力机构的基本要求如下：（1）功率重量比大；（2）耗能小；（3）体积小；（4）工作安全可靠；（5）维护方便。1.1.2.多旋翼无人机动力装置组成为多旋翼无人机提供动力的电动机类型主要有：无刷直流电机和空心杯有刷直流电机两种。1）无刷直流电机系统（1）无刷直流电机；（2）电调；（3）电池；（4）平衡充电器；（5）传动系统。1.1.2.多旋翼无人机动力装置组成2）空心杯有刷直流电机系统微型多旋翼无人机采用空心杯电动机（伺服维特电机），彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，使电机的运转特性得到了极大改善。其动力装置包括以下几个：（1）空心杯有刷直流电机；（2）MOS：用作驱动电路；（3）电池：锂电池；（4）平衡充电器。1.1.2.多旋翼无人机动力装置组成3）燃油发动机及其附件和系统多旋翼无人机的燃油发动机主要有：航空活塞发动机和涡轮轴发动机两大类，组成多旋翼无人机动力机装置取决于发动机的种类。组成发动机装置的主要系统有：（1）燃油发动机将燃油的化学能转换为机械能的动力装置，通过机械传动装置带动旋翼旋转产生升力。3）燃油发动机及其附件和系统（2）燃油系统用于储存和向发动机的燃油泵提供持续的燃油供给，保证发动机能持续地运转。3）燃油发动机及其附件和系统（3）滑油系统滑油系统由：油底壳（储油箱）、过滤装置、冷却装置和导管组成。其主要功用是向发动机提供持续的润滑油，并进行过滤和冷却散热。3）燃油发动机及其附件和系统（4）传动系统燃油发动机所提供的旋转动力，由于力矩和位置等原因，大多不能直接驱动螺旋桨旋翼。要通过一些传动装置组成的传动系统来间接传递，它的性能直接影响旋翼机的性能和可靠性。无人机传动装置实图1.1.2.直流电动机直流电动机是目前多旋翼无人机使用最多、应用最广的动力装置。作用是将直流电能转换为旋转机械能的电动机构，其特点是：结构简单、飞行平稳、操作容易、维护便利、无油残留污染等优点。1.2.1直流电动机的基本概念直流电动机的工作特点是：进行直流电能与机械能之间的随意转换。直流电动机主要应用场合广泛，电动机起动性能好，调速范围广、调速性能好以及调速特性平滑，过载能力大等。根据励磁方式不同，可分为下列几种类型：1.2.2无刷直流电机1.无刷直流电机基本结构无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。1.2.2无刷直流电机2.无刷直流电机工作原理如下图所示：各相的端点接功率管，位置传感器导通时使功率管的G极接12V，功率管导通，对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动，会依次导通，使得对应的相线圈也依次通电，从而定子产生的磁场方向也不断地变化，电机转子也跟着转动起来，这就是无刷直流电机的基本转动原理。1.2.2无刷直流电机3.无刷直流电机优缺点优点：（1）具有直流电机优秀的线性机械特性，宽的调速范围，可实现无级调速，调速范围广；（2）转矩特性优异，中、低速转矩性好，启动转矩大，启动电流小；过载能力强；（3）效率高，无刷直流电机相比交流电机没有励磁损，相比有刷直流电机没有电刷摩擦损耗无火花；（4）可靠性高，稳定性好，适应性强，保养简单；（5）体积小、重量轻、出力大；（6）节能省电，可节电20%～60%。1.2.2无刷直流电机3.无刷直流电机优缺点缺点：（1）成本：稀土永磁体比其他永磁体昂贵得多，故导致电动机成本上升。（2）恒功率范围：永磁无刷直流电动机不可能获得大于基速两倍的最高转速。（3）磁体退磁：永磁体可被大的反向磁动势和高温退磁。（4）高速性能：永磁体采用表面安装方式的电动机不可能达到高速，这是因为受限于转子磁轭与永磁体之间装配的机械强度。1.2.3有刷直流电机换向器碳刷转子组定子换向器1.2.3有刷直流电机的基本结构1、定子：产生磁场、支撑电机。2、转子：产生电磁转矩和感应电动势，进行能量转换。1．主磁极：产生主磁场主磁极铁心、励磁绕组。2、换向极：改善换向3、机座：固定主磁路的一部分4、电刷装置：引入或引出直流电压和直流电流。1.2.3有刷直流电机的工作原理如下图所示：有刷直流电机的固定部分有壳体、磁铁和电刷；转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕组线圈。线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，称为换向片。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢通电时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通，电枢磁极与磁铁磁极永远处于排斥状态。电机就持续旋转起来了。1.2.3有刷直流电机的工作原理1.2.3有刷直流电机的优缺点优点：（1）起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小；（2）具有良好的启动特性和调速特性；（3）有刷直流电机的转矩比较大；（4）结构简单、成本低、维修比较便宜。两级两相有刷直流电机1.2.3有刷直流电机的优缺点缺点：（1）有电刷，会导致磨损大，清理和维护困难；（2）易发热，很难维持额定功率，使用寿命短；（3）机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低；（4）效率低、耗电大、输出功率小；（5）噪音高，干扰大。两级三相有刷直流电机1.2.4空心杯电机1.2.4空心杯电机的基本结构空心杯直流电机属于直流永磁电机，与普通有刷、无刷直流电机的主要区别是采用无铁芯转子，也叫空心杯型转子。该转子是直接采用导线绕制成的，没有任何其他的结构支撑这些绕线，绕线本身做成杯状，就构成了转子的结构。1.2.4空心杯电机的基本结构这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。不但节能，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的操控特性。空心杯电机分为有刷和无刷两种。有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。1.2.4空心杯电机基本结构-有刷有刷空心杯直流电机示意图——有刷空心杯电机转子（绕组线圈）无铁芯。1.2.4空心杯电机基本结构-无刷无刷空心杯直流电机示意图——有刷空心杯电机定子（绕组线圈）无铁芯。具有：结构紧凑，经济性好；可靠性及耐久性高；没有换向火花，安全环保；没有磨损齿槽效应等优点。1.2.4空心杯电机主要特性1、节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电动机一般在20%～50%）；2、控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28ms，部分产品可以达到10ms以内（铁芯电动机一般在100ms以上）；3、拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2%以内；4、能量密度特性：空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3～1/2。1.3航空活塞发动机1.3.1活塞发动机概述01.3.1机械动力机-蒸汽机时代苏格兰发明家詹姆斯·瓦特于1776年发明蒸汽机，这是一项伟大的发明。它直接拉开了第一次工业革命的序幕。1.3.1活塞式动力机-蒸汽机1.3.1内燃式动力机•特点：•液体或气体燃料和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再将热能转变成机械能输出的热力发动机。燃油动力机原理1.3.1活塞燃油动力机-内燃机1.3.1航空活塞式发动机类型和结构1.3.1活塞式发动机分类☆按照燃料种类分：1.3.1活塞式发动机分类1、汽油机：转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低。2、柴油机：压缩比大，热效率高3、CNG发动机：压缩天然气的主要成分是甲烷，充分燃烧后生成二氧化碳和水，非常环保。4、LNG发动机：液化石油气具有热值高、热效率高，燃烧充分的特点。5、混合燃料发动机：同时使用电、气、液其中两种燃料的发动机。1.3.1活塞式发动机分类☆按照进气状态分：有非增压（自然吸气）式（进气压力小于一个大气压）和增压式（进气压力大于一个大气压）内燃机。增压式发动机1.3.1活塞式发动机分类☆按气缸冷却方式分：风冷式和液冷式。☆按照着火方式分：压燃式和点燃式。火花塞点燃式发动机压燃式发动机1.3.1活塞式发动机分类☆按气缸数量分：单缸式和多缸式。☆按气缸布置形式分：(a)直列式;(b)V形;(c)对置式;(d)W形;(e)星形（航空）内燃机等。1.3.2活塞式发动机工作特点☆优点：1）热效率高：热效率高，即燃油消耗率低，经济性好,尤其是柴油机，它是热效率最高的热机，最高有效热效率巳达46％；2）功率范围广：单机功率可从零点几千瓦到上万千瓦，故适用范围大；3）结构紧凑、质量轻、比质量较小、便于移动；4）起动迅速、操作简便，并能在起动后很快达到全负荷运行。1.3.2活塞式发动机工作特点☆缺点：1）对燃料要求较高；高速内燃机一般使用汽油或轻柴油作燃料，并且对燃料的清洁度要求严格；在气缸内部难以使用固体燃料或劣质燃料；2）废气污染和噪声引起公害：由于内燃机已广泛地应用在国民经济的各个领域中其产量和保有量极大，对环境的污染也越来越严重；3）结构较复杂，零部件加工精度要求较高。1.3.2直列式活塞式发动机特点☆发动机特点：各个气缸（4-8个）排成一列，一般是垂直排列。1.3.2“V”形活塞式发动机特点☆发动机特点：各个气缸（8-16个）排成两列，一般呈夹角60°排列。1.3.2对置活塞式发动机特点☆发动机特点：各个气缸（2-8个）排成两列，一般呈夹角180°排列。1.3.2“W”形活塞式发动机特点☆发动机特点：各个气缸（n个）排成三列，一般呈双V形排列。1.3.2星形活塞式发动机特点☆发动机特点：各个气缸（n个）组成以轴为中心的放射形排列，一般呈多角形。1.3.2活塞式发动机的基本结构1.基本结构和常用术语：（1）上止点（TDC）：活塞离曲轴中心最大距离的位置称为上止点；（2）下止点（BDC）：活塞离曲轴中心最小距离的位置称为下止点。注意：在上、下止点时，活塞的运动方向改变，同时它的速度等于零。1.3.2活塞式发动机的基本结构2.结构功用：将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。3.主要部件组成：机体组件、气缸体、气缸套、气缸垫、气缸盖和油底壳等不动件组成。1.3.2活塞式发动机的基本结构3.主要部件组成：（1）机体组件：气缸头（盖）、气缸体；（2）气缸体（筒）：干式和湿式；缸套实图缸体缸头1.3.2活塞式发动机的基本结构4.活塞连杆组：活塞、活塞环组（胀圈）、活塞销和连杆运动件组成。1.3.2活塞式发动机的基本结构5.曲轴飞轮组：曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、扭转减震器、传动机构等组成。1.3.2活塞式发动机的基本结构6.配气机构功用：内燃机在完成一个工作循环以后，必须将膨胀作功后的废气排出，并及时地吸入新鲜空气。配气机构按内燃机的各缸工作顺序，适时地开