如何選擇更適合無人機的高速電機?

　　在無人機的飛行體系中，電機無疑充當著最為關鍵的角色，堪稱無人機的 “心臟” 與 “動力引擎”。格瑞普小編將深入探究無人機電機領域，從電機的工作原理、涵蓋的類型，到不同電機間的顯著差異，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動無人機翱翔藍天的。

　　一、無人機電機的工作原理

　　無人機電機主要包括有刷電機和無刷電機，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，產生固定的磁場。轉子是由鐵芯和繞組(線圈)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。

　　●工作過程：當電流通過電刷進入換向器時，電流會流經轉子繞組。根據安培定律，載流導體在磁場中會受到力的作用，這個力使得轉子繞組(也就是轉子)開始旋轉。由于換向器和電刷的作用，當轉子轉過一定角度后，電流能夠及時改變方向，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，在一個簡單的兩極有刷電機中，電流從電刷進入，經過換向器的兩個半環，分別流入轉子繞組的兩個部分，產生相對的電磁力，推動轉子轉動。隨著轉子的轉動，電刷與換向器不斷切換接觸點，保證電流方向的適時改變，維持電機的旋轉。

　　無刷電機工作原理

　　●基本結構：無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，它能夠產生強大的磁場。無刷電機還需要配套的電子調速器(ESC)來控制電機的運行。

　　●工作過程：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時，會在周圍產生磁場。由于定子磁場和轉子永磁體磁場的相互作用，根據同性相斥、異性相吸的原理，轉子就會受到一個轉矩而開始旋轉。電子調速器會不斷地改變定子繞組中電流的導通順序和時間，使得定子磁場的旋轉方向和速度能夠精確控制，從而帶動轉子持續穩定地旋轉。例如，對于三相無刷電機，電子調速器會按照 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，推動轉子永磁體轉動。并且，通過改變通電的頻率和占空比等參數，還可以調節電機的轉速。

　　在無人機應用中，無刷電機由于效率高、壽命長、扭矩大等優點而被廣泛使用。它能夠為無人機提供穩定的動力，使螺旋槳高速旋轉產生升力，從而讓無人機實現飛行。

　　二、無人機電機的作用是什么

　　電機在無人機飛行中起到了至關重要的作用，主要體現在以下幾個方面：

　　●提供動力支持

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

　　●實現飛行姿態控制

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

　　●保證飛行性能和效率

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

　　三、有刷電機和無刷電機的主要區別是什么

　　有刷電機

　　●動力性能：

　　有刷電機扭矩相對較小。在小型無人機中，這種扭矩可能足以驅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載的無人機來說，動力可能就顯得不足。例如，在一些玩具級無人機中使用有刷電機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。但如果要讓無人機攜帶專業的航拍設備或者執行物資運輸任務，有刷電機產生的動力就很難滿足要求。

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

　　●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，會浪費較多的能量。這就導致使用有刷電機的無人機續航時間較短。例如，同樣容量的電池，搭載有刷電機的無人機飛行時間可能比搭載無刷電機的無人機短很多，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就需要更換電刷或者電機整體。這增加了無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題，有刷電機的轉速穩定性稍差。在運行過程中，可能會出現轉速波動的情況，這會影響無人機飛行姿態的穩定性。例如，在拍攝高質量的航拍視頻時，有刷電機的這種不穩定性可能會導致畫面抖動，影響拍攝效果。

　　有刷電機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內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用場景(如環境監測、野生動物觀察等)中會產生干擾。

　　無刷電機

　　●動力性能：

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

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

　　●效率和續航：

　　無刷電機的效率較高。由于沒有電刷和換向器的能量損耗，無刷電機能夠更有效地將電能轉化為機械能。這使得無人機的續航時間得以延長。使用無刷電機的無人機在相同電池容量下，其飛行時間可比有刷電機的無人機長 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。

　　●使用壽命：

　　無刷電機沒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。這減少了電機更換的頻率，降低了無人機的長期使用成本。只要電機的軸承等部件正常工作，無刷電機可以穩定運行數千小時。

　　●穩定性和噪音：

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

　　無刷電機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的電磁振動和螺旋槳切割空氣的聲音，這使得無人機在飛行過程中更加安靜，適合于一些需要低噪音的任務。

　　四、如何根據無人機的性能需求選擇合適的電機類型

　　考慮動力需求

　　●負載重量：

　　如果無人機需要攜帶較重的負載，如專業的測繪設備、農藥噴灑裝置或者物資運輸箱等，應該選擇無刷電機。無刷電機具有較大的扭矩，能夠提供足夠的動力來驅動螺旋槳，使無人機可以順利攜帶這些負載起飛并維持穩定飛行。例如，農業無人機用于大面積農田的農藥噴灑作業，需要攜帶一定量的農藥和噴灑設備，此時無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單娛樂，如小型玩具無人機，負載較輕，有刷電機就可以滿足基本的動力需求，驅動螺旋槳使無人機實現低空短時間飛行。

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

　　●飛行速度和機動性：

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

　　考慮續航要求：

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

　　●考慮使用壽命和維護成本：

　　在需要無人機長期穩定運行且對維護成本較為敏感的情況下，如工業自動化巡檢系統中的無人機，無刷電機是更合適的選擇。無刷電機沒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，可以穩定運行數千小時，減少了電機更換的頻率，從而降低了無人機的長期使用成本。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就需要更換電刷或者電機整體，這會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控制的無人機應用場景，如測繪、攝影等，無刷電機的轉速穩定性好，能夠保證無人機的飛行姿態穩定，從而確保拍攝畫面的清晰和平穩。同時，無刷電機工作時噪音相對較小，對于一些對噪音敏感的任務，如野生動物觀察、城市環境監測等，無刷電機更能滿足要求。而有刷電機由于轉速穩定性稍差，可能會導致無人機飛行姿態的小幅度波動，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、不同類型電機的價格和成本有何差異

　　不同類型電機在價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，對生產設備和技術要求較低，因此制造成本也較低

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

　　●維護成本：電刷和換向器在工作中會產生磨損，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，容易發熱，導致電機整體效率較低，能耗成本相對較高

　　無刷電機

　　●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：通常比有刷電機貴。在電商平臺上，直流無刷電機的價格，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

　　●維護成本：無刷電機沒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，長期來看，綜合使用成本可能更具優勢

　　六、結論

　　無人機電機作為其核心部件至關重要。有刷電機結構簡單、成本低，但存在電刷磨損與效率問題;無刷電機憑借扭矩大、響應快、效率高和壽命長等優勢成為主流。電機的功率、效率、扭矩特性等指標深刻影響無人機的載重、速度、續航與操控性。選擇電機時需綜合考量無人機用途、性能需求與成本等因素。專業級無人機常選無刷電機以達高性能長續航，娛樂或低成本場景有刷電機可提供經濟方案。總之，無人機電機的持續發展與適配選擇，是推動無人機技術進步、拓展應用領域、實現更多功能的關鍵所在，讓無人機在廣闊天空中展現無限可能。

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