航模 的动力系统

第四章 动力系统 模型飞机要飞行，必须要有发动机提供推力。航模发动机种类比较多，有内燃机，电动机，喷气式发动机 这3大类。

第一节 内燃机 内燃机分二冲程发动机和四冲程发动机，按点火方式，有压燃式和电热式，汽油机是用高压电火花点火。

航模用内燃机，按燃料种类，有汽油机和甲醇机。按工作方式，有两冲程和四冲程之分。四冲程发动机，顾名思义，其工作循环由四个步骤组成。即吸气，压缩，爆发做功，排气。由于四冲程发动机控制喷油和点火的机构比较复杂，所以重量较大，维修不易。优点是工作效率高，节省燃油。另外，四冲程发动机每个工作循环由四步组成，即活塞往复运行2个周期才做一次功。于此相比，两冲程发动机由于工作方式不同，活塞每往复运行1次即作一次功。并且，两冲程发动机相对于四冲程发动机而言，结构大大简化，因而重量要轻许多。所以，在重量相同的前提下，两冲程发动机比四冲程发动机功率要大。另外，由于结构简单，所以维修保养容易的多，价格也便宜一些。正是基于这些优点，两冲程发动机非常适合于航模领域。 但是，任何事都有两面性，两冲程发动机高功率密度（即发动机单位重量所输出的功率），结构简单，这些优点，是以很高的油耗作为代价的。这和他的工作方式有关系。

中小型航模用内燃机目前最常用的是 以甲醇为燃料的两冲程发动机。 中小型航模，使用2冲程甲醇机较适宜。大型航模，则使用2冲程汽油机比较好。 四冲程 发动机因机构复杂，重量大，在航模中不常使用。

除此之外，还有压燃式发动机，他的工作方式和柴油机类似。燃料为煤油，蓖麻油，乙醚的混合物。活塞压缩，温度升高后，燃料中的乙醚首先燃烧（乙醚燃点低），然后引燃煤油爆发。推动活塞做功。这种发动机目前较少使用。 本课程将要涉及到的内燃机是 以甲醇为燃料的电热式发动机（其结构如右图所示）。

第二节 电动机

电动机作为航模的动力，有功率密度 大，使用和调整方便，不会污染空气，噪音极小 等显著优势。随着科技的进步，无刷电机近年来已经在航模领域得到广泛使用，并取代了传统的直流电机。所以这里我们主要学习无刷电动机的相关知识。在学习无刷电机之前，我们有必要先了解一下直流有刷电机的工作原理。 同学们已经在初中物理课上学过直流电动机工作原理。直流电机的转子由若干个电磁铁组成，通电后转子和定子（磁铁）互相吸引，或者排斥，从而使转子能够转动一定角度。要让转子持续转动，就需要安装 “换向器”和“电刷”。他们的作用是在恰当的时机改变转子中电流的方向，从而改变转子电磁铁的磁极方向，这样，电机转子就能持续平稳的转动了。 直流电机具有体积小，启动力矩大等优点。不需要专门的控制器，直接接上直流电就能运转（无刷电机需要专门的控制器）。同时，直流电机也存在弊端。由于电刷和换向器之间存在滑动摩擦，会使一部分电能白白损耗。其次，电刷和换向器之间电阻较大，所以，直流电机的工作电流不能太大，否则，电刷和换向器会严重发热甚至烧毁。另外，直流电机工作时，电刷和换向器之间会产生电火花，电火花中有高频电磁辐射，会严重影响遥控器，甚至导致飞机失控。 针对直流电机的弊端，无刷电机应运而生。无刷电机，顾名思义，这种电机，没有电刷。没有电刷，那么电机工作时怎样 改变电流方向呢？直流电机通过电刷和换向器改变电流方向。而无刷电机用一种叫做“无刷电机电子调速器”称“电调”）的装置代替电刷和换向器的作用，用它来改变电流方向的。电调可以探测电机磁极相对于转子的位置，在恰当的时机自动改变电流方向，从而改变磁极方向，使电机持续转动。 这样一来，无刷电机不但继承了普通直流电机的优点，并且革除了直流电机的所有弊端。 质量较好的无刷电机，效率可达90%以上。功率密度也很大。一个功率200瓦的无刷电机，重量只有50多克，远远超过内燃机。 无刷电机不但在航模领域得到了广泛应用，在其他行业，用途也很广泛。比如，电动摩托和电动自行车，大多数是以无刷电机为动力的。无刷电机型号比较多。下面我们进一步学习航模用无刷电机的知识。 航模用无刷电机的电源是以多节电池串联而成。而串联节数不能太多，因此，航模用无刷电机的工作电源比较低，一般在12——24伏。电机大致可分为两大类：内转子电机，外转子电机。 所谓内转子电机，就是指电机转子和普通电机一样在电机内部。而外转子电机，转子就是电机的外壳（外壳内壁镶嵌磁铁），而电机内部的绕组（电磁铁）是固定不动的。 电机的KV值，功率 电机型号一般用 定子的直径和高度 以及KV值确定。 比如 2212外转子无刷电机，即这种电机的定子直径22毫米，高度12毫米。这个尺寸越大，则电机功率越大。而KV值则是用来衡量电机转速的参数。ＫＶ值的含义，就是电压为1伏特时电机的空载转速。而无刷电机的空载转速和电压是成正比关系的。举例说明，KV值为1000的电机，当工作电压为1伏特时，空载转速就是1000 转/ 秒 ， 工作电压2伏特时转速 则 上升为2000转/秒。 即，电机的空载转速=KV值×工作电压。 简单的说，电机KV值越高，则转速越高。而KV值是由电机定子（绕组）线圈匝数决定的。KV值和线圈匝数成反比。即线圈匝数越多，KV值越低，反之则越高。 在功率恒定的情况下，电机的KV值越高（即转速越高）则扭矩越小。 为什么会这样呢？ 同学们在物理课上学过，功率= 物体运动速度×驱动力。由此可推导出 电机的功率= 电机转速×扭矩。 所以，即便功率相同的电机，也根据ＫＶ值而分为好多种。 在制作模型飞机时，电机功率和KV值应根据飞机的类型，速度，重量，螺旋桨的尺寸决定。如果选择不当，电机和螺旋桨，以及电子调速器之间匹配性变差，电机就不会发挥出最佳工作状态，甚至有可能烧毁电机，烧毁电子调速器。 功率相等的情况下，高KV值 扭矩小，应该驱动小尺寸螺旋桨。如果KV值比较低，则应使用大尺寸螺旋桨。 严格地讲，这些工作应该通过实验确定。好在这一切已经由厂家做了，每一个型号的电机所匹配的螺旋桨尺寸以及工作电压，电流，KV值，转速，拉力 等参数，都公布在他们的网站。下表就是某生产厂家公布的2212外转子无刷电机的各项参数： A2212 KV930 GWS1047RS桨，11V 12.1A,6430转，推力788克。10V 10.9A，6130转，推力710克。。 GWS1060HD桨，11V 9.9A,7130转，推力650克。10V 8.6A，6690转，推力575克。

A2212 KV1400 GWS1047RS桨，8V 18A，6380转，推力775克。7V 15.1A，5860转，推力650克。 GWS1060HD桨，8V 15.2A,7220转，推力670克，7V 12.7A，6560转，推力553克。 GWS9050HD桨，11V 18.9A，9720转，推力903克，10V，15.4A,9240转，推力816克。 GWS8060HD桨，11V 17.8A，10250转（破桨了），10V，15.4A,9660转。 GWS8040HD桨，11V 12.6A，11800转，推力700克。10V 11A，11000转，推力606克。

A2212 KV2200 5043桨，11V 21.1A，18800转，10V 19.1A，17600转。 GWS8040HD桨，8V 21.5A，11970转，7V 17.8A，10950转

在发动机的大家族中， 除了内燃机和电机以外，还有一种“脉冲喷气发动机”。这种发动机是德国人发明的。二战期间纳粹德国发明的V2导弹用的就是它。这种发动机结构及其简单，就是一个耐高温不锈钢圆筒。圆筒前端有单向阀片，只允许空气从前方进入，而汽油燃烧后产生的高温燃气则只能从后方喷出。从而产生推力。这种发动机由于推力不能调节，而且比较危险，一般只用于线操纵竞速模型。

近年来，随着技术的进步，微型涡轮喷气发动机也问世了。这种发动机和当今战斗机 上安装的喷气发动机原理和结构完全相同。推力 1——10公斤。安装这种发动机的仿真战斗机模型飞行时，速度可达到400公里/小时。和真正的战斗机相比，不仅飞行姿态几可乱真，甚至发动机的轰鸣声，都和真正的战斗机一摸一样。

第三节 关于电池 电池是为飞机动力及其接收机等所有电子设备提供电力的电源。模型飞机所用的电池，即化学电池，有以下几类：锂聚合物动力电池，镍氢电池，镍镉电池。 其中后两种电池因容量小，基本上已经被锂聚合物电池取代。所以，这里我们主要以锂聚合物电池为例进行学习。 先说电池的基本原理。无论何种化学电池，工作原理都是一样的。都是把化学能转化为电能。同学们已经学过氧化还原反应，氧化还原反应的本质就是电子由还原剂流向氧化剂。如果想办法让电子沿我们规定的路线（导线）定向移动（由负极流向正极），不就形成稳定的电流了吗。 同学们可以以铜锌原电池为例理解电池的原理。 铜锌原电池虽然能产生电流，但是电压和功率都太小，因而不能用作电源。这是为什么呢？电池作为电源，必须要有一定功率。如果功率太小，就不足以驱动功率强大的电机。 我们知道 功率＝电压×电流。 对于电池，这一公式同样适用。电池的电压 取决于电极材料的电势差，以及电解液的浓度。所以，对于同一类电池，电压基本是定值。 那么，决定电池功率大小的就只有电池的输出电流的大小了。我们在初中物理课中学过，电流的大小即 单位转移电荷（在这里就是电子）的速率。结合我们在高一化学课中学过的氧化还原反应的知识，可以知道，转移电子的速率 即是化学反应的速率。因此，只有加快电池内部化学反应速率，才能使电池的输出电流增大，从而提高电池的输出功率。普通碱性电池和早期的新锰电池原理完全相同，但是前者输出功率比后者大，为什么呢？新锰电池内的负极材料是锌皮，接触面积小，而 碱性电池内的负极材料是锌粉，接触面积大，所以化学反应速率很快。因此转移电子的速率快，即输出功率大。 另外，电池的输出电流和电池的内阻（即电池内电解质的电阻）也有直接关系。优秀的锂聚合物电池内阻只有 千分之一 欧姆。而普通碱性电池的内阻大约０．５欧姆。一节碱性电池最大放电电流（短路电流）只有４安培。而锂聚合物电池电池的放电电流 可达几十安培，甚至上百安培。 上面我们学习了电池的基本工作原理。现在我们接着学习锂聚合物电池的相关知识。锂聚合物电池电池是在锂离子电池的基础上进过改进而成的一种新型电池。具有容量大，重量轻（即能量密度大），内阻小，输出功率大的特点。 另外，由于电池外壳是塑料薄膜，因而，即便短路起火，也不会爆炸。锂聚合物电池电池充满电后电压4.2伏特，在使用中电压不得低于3.3伏特，否则电池即损毁。这一点务必注意。航模用锂聚合物电池一般是2节或者3节串联后使用，电压12伏左右。由于锂电池耐“过充”性很差，所以串联而成的电池组必须在充电时必须 对各电池独立充电，否则会造成电池永久性损坏。所以，对锂电池组充电，必须使用专用的“平衡充电器”，如图所示。 平衡充电器可以购买，也可