小电直杂谈2
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二、“小电直”的动力系统
近年来，“小电直”的发展异常迅猛，这与电池和电机为代表的动力系统的进步息息相关。
1.电池――从镍氢到锂聚合物
任何一项新兴科技成果要得到广泛应用，大抵都要满足如下三个条件：性能优异、技术稳定、价格合适。传统的镍氢电池就是满足了这些条件后被广泛应用于各类航空模型的。除了做电动模型的动力电池外，镍氢电池更多的是作为遥控器与接收机及舵机等操纵设备的电源使用。而锂聚合物电池因具有安全性好，不会爆炸；能量密度大；内阻小；放电倍率大；放电特性平稳；形状可定制等优点，使镍氢电池作为航空模型的动力电源成为历史。锂聚合物电池除了在各种模型上全面取代镍氢电池成为动力电池外，也越来越多地被使用在遥控器与接收机等的电源上。
图18是两种电容量相近的锂聚合物电池和镍氢电池，它们重量相差很大：锂电池只有39g，镍氢电池则重达102g。按照电压与容量，这两种电池均可配备在起飞重量约300g的“小电直”上。对于这样的“小电直”，仅将镍氢电池换成锂电池，起飞重量就能减轻63g。按起飞重量300g计算，整机减重超过20%。如此大的减重幅度不仅能大大提高“小电直”的飞行性能，还能延长其飞行时间。可以说，是锂聚合物电池才真正使航空模型从油动时代迈向了电动时代。如今，“小电直”无一例外都采用锂聚合物电池。它不仅为“小电直”提供动力，也是接收机与舵机等控制设备的电源。
虽然市面上还出现了比锂聚合物电池能量密度更大的镁电池和燃料电池，但由于其在性能、技术及价格等综合性能上尚不能与锂聚合物电池相比，因此在相当长的时间里，锂聚合物电池仍是“小电直”最理想的电源。
2.电机――从有刷到无刷
（1）有刷电机
早期的“小电直”，无论是主动力电机还是尾电机、单旋翼还是双旋翼，基本都使用有刷电机。
有刷电机历史悠久，它的出现最早可追溯到人类刚开始使用电能时。经过多年的技术进步与经验积累，有刷电机的设计已非常成熟，电机采用的主要材料如磁钢、硅钢片等的性能越来越好。因此，各模型厂商最早推向市场的“小电直”基本都采用有刷电机为主动力电机。当时，一种名为370的有刷电机因其大小适中、性能较好，被各种“小电直”广泛使用（图19）。不过，航模所用的有刷电机至今并没有统一的型号命名标准，各厂商的命名规则也不尽相同。某厂商一种规格的电机若性能突出、使用的人比较多，广大模友为方便使用与交流，就会将这种电机的名称作为这类电机的统称。所谓370电机，泛指与其尺寸相近的各种有刷电机。不同厂商生产的370电机，在性能等方面可能有很大差异。与370电机类似，当时还有一种290有刷电机也常常用作“小电直”的主动力电机，它与370电机的尺寸与性能比较接近（图20）。
单旋翼“小电直”必须用尾桨抵消主旋翼产生的扭矩才能保持模型稳定飞行。由于“小电直”尺寸非常小，无法像较大的模型直升机那样配备皮带或轴传动机构将主发动机的动力传递给尾桨，因此，单旋翼“小电直”要单独使用一个尾电机驱动尾桨旋转。早期的单旋翼“小电直”通常使用N20有刷电机，但因尾桨尺寸较大，而尾电机又较小，所以只好配合齿轮减速器才能驱动尾桨（图21）。
早期的共轴双旋翼“小电直”虽然不需尾桨，但两对旋翼要各自使用一个电机驱动，因此单个电机的尺寸与重量都不能太大，常用的是180有刷电机（图22）。
上面提到的几种有刷电机都是当时有刷电机中的精品。这类有刷电机虽然都能胜任“小电直”的飞行需要，但也有共同的缺点：电刷的使用寿命有限。用于航模的有刷电机，为了减轻整机的起飞重量，选配时要求更小更轻。但当时微小型有刷电机因技术所限，性能往往无法达到“小电直”近乎苛刻的要求，常常工作在正常使用范围之外，即处于超负荷状态。这使得航模上的有刷电机有效工作时间比其在正常条件下的使用寿命短很多。其正常使用寿命一般可达几百小时甚至更高，但在航模上往往只能用几十小时甚至更短。对于“小电直”而言，如果在空中飞行时电刷磨坏导致电机突然停止工作，就意味着将发生飞行事故。严重时，因电刷磨断造成短路，还会烧坏电子调速器。早期，在空中飞行的“小电直”突然冒出一股浓烟，随即坠地的现象屡见不鲜，就是这个原因。
（2）无刷电机
有刷电机的电刷磨损是“小电直”的一大飞行隐患，虽然通过技术改进措施，采用有一定厚度的碳刷代替薄金属片电刷能明显提高耐磨度，增加其使用寿命，但磨损问题却无法从根本上消除。为此，模型厂商将工业上应用已相当成熟的直流变频调速技术进一步小型化，使其符合航模的使用要求。这样，完全解决电刷磨损问题的电机――无刷电机终于被成功应用于航模。
无刷直流电机动力装置由无刷电机及相应的无刷电子调速器组成。无刷电机的定子绕组一般为三相对称的“星”形或“Y”形接法，转子上粘有已充磁的永磁体。电子调速器将电池提供的直流电转换成频率可变的三相交流电，输入给定子绕组后产生旋转磁场，进而驱动转子上的永磁体旋转。无刷电机的转速与三相交流电的频率成比例，电子调速器调节其输出的三相交流电的频率，即可控制无刷电机的转速。
根据转子的布置特点，无刷电机可分为内转子和外传子两种。目前“小电直“的主动力电机主要选用外转子无刷电机，甚至一些微型“小电直”也采用了相应的袖珍型外转子无刷电机（图23、图24）。
顾名思义，外转子无刷电机即转子在定子外。转子内壁粘有几块永磁体，固定在基座上的定子铁心由多层叠合的多极硅钢片组成，硅钢片的每个磁极上绕有线圈，线圈之间按一定规律连接，最终引出三根导线，与无刷电子调速器输出端连接。电机工作时，电子调速器输入的三相交流电流过定子线圈后，产生旋转磁场，进而驱动外面转子上的永磁体旋转。
无刷电机的优点突出，主要有：
（a）寿命长――没有电刷，不存在磨损问题，无刷电机几乎是一种免维护的电机。
（b）干扰小――没有电刷，电机运转时不会产生电火花，能极大减少对遥控设备的干扰。
（c）阻力小――有刷电机的电刷和换向器间要有足够的压力以保持两者良好的接触，如此会产生较大的摩擦阻力。无刷电机则不存在这个摩擦阻力，减小了机械能量损耗。
（d）电阻小――有刷电机的电刷和换向器间有接触电阻，而且很难做得很小。电流在该处损耗电能，会产生很大的热量。无刷电机则没有接触电阻产生的耗能和发热问题。
（e）响应快――由于无刷电机的转速由无刷电子调速器的输出频率决定，因此其控制性能很好，非常适合模型直升机。
（f）效率高――由于无刷电机的摩擦阻力和电阻小，且机械和电流能量损耗减小，因此效率较高。
以上诸多优点使无刷电机一上市就迅速成为很多航模的首选动力装置，“小电直”也不例外。相较输出性能相当的这两种电机，无刷电机比有刷电机轻得多。图25中这两种电机分别是180有刷电机和1818无刷电机，它们能在一款“小电直”上互换。180有刷电机重33g、1818无刷电机仅16g，重量轻一半。虽然无刷电子调速器技术上比有刷电子调速器复杂，但两种调速器的重量相差并不大。因此，采用无刷电机后，不仅能提高整机效率，还能减轻重量。
与有刷电机类似，无刷电机的命名规则也没有统一标准。目前主要有两种命名方法：一种以电机的外部尺寸参数命名，即用外转子的直径和总长度命名。如1818无刷电机，其外转子外径18mm、总长18mm。另一种命名方法以内部定子硅钢片铁心的直径和厚度命名。如2208无刷电机，其定子铁心直径22mm、叠片厚度8mm。上述两种命名方法各有特点，前者直观，可以直接测量尺寸判断型号；后者则能精确地反映出电机性能。
此外，无刷电机还有一个重要的技术参数――KV值。该参数表示输入电压每增加1V时，无刷电机空转转速的增加值（n/min）。而“小电直”上使用的无刷电机一般KV值较高，即电机的输出转速较高，需通过主齿轮减速器减速后再驱动主旋翼旋转。
3.有刷电机的新宠――空心杯电机
为了尽量减轻重量、满足对动力的特殊要求，不少“小电直”又重新选用了一种新型有刷电机――空心杯电机（图26、图27）。空心杯电机是一种直流、永磁、伺服微特电机，具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性。作为高效率的能量转换装置，它代表了电机的又一个发展方向。
空心杯电机主要由三大部件组成，分别为：基座、空心杯转子和电刷（图28）。空心杯电机突破了传统电机的转子结构形式，采用了无铁芯转子（也叫空心杯转子，图29）。这一新颖的转子结构彻底消除了整块铁芯内容易形成涡流所产生的电能损耗。此外，转子的重量和转动惯量也大幅降低，减少了机械能损耗。空心杯转子上除了用特殊工艺制造的线圈外，还有转轴和换向器（图30）。电刷在电机最顶端，扣在基座顶部，内部与线圈上的换向器相配，外部引出一对导线。（图31）基座包括一个导磁的外壳和固定在外壳中的永磁铁心。铁心中心有承载转子的轴承（图32）。
空心杯电机的这种独特结构极大地改善了电机的运转特性，不但节能特性突出，更重要的是具备了传统铁芯电机无法达到的控制和拖动特性。主要表现为：
（a）节能特性：能量转换效率很高，最大效率一般在70%以上，部分产品超过90%（传统铁芯电机转换效率一般只有20%～50%）。
（b）控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28ms（毫秒），部分产品甚至可达10ms以内（传统铁芯电机一般超过100ms）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可方便地对转速进行灵敏地调节。
（c）拖动特性：运行稳定性非常可靠，转速波动很小，很容易控制在2%以内。
（d）能量密度：与同等功率的传统铁芯电机相比，能量密度有大幅提高，重量、体积则减轻1/3～1/2。
因为空心杯电机克服了传统铁芯电机不可逾越的技术障碍，且其突出优点集中在电机的主要性能方面，所以在“小电直”上得到了广泛应用。当然，空心杯电机也有不足之处。从其结构特点看，空心杯线圈只有一端固定在转轴上，在结构力学中表现为呈“悬臂”形式，因此刚性不太好。其线圈采用强度很差的漆包线，仅靠一点粘合剂保持外形。当它在外壳和永磁铁心间狭小的间隙里高速旋转时，一旦电机受到猛烈撞击，很容易变形，继而与外壳或铁心碰擦。这样除了增加摩擦阻力外，漆包线绝缘层摩损后还可能发生线圈的匝间短路，直接导致电机报废。
综上所述，“小电直”动力系统的发展主要得益于电池和电机等相关技术的进步。储能多、性能好、重量轻的电池和体积小、重量轻、效率高的电机使“小电直”从大到小、从三通道、四通道直至3D特技机……（未完待续）