分析人士表示，到2030年，无人机发动机市场将增长到73亿美元。这个十年28.4%的预计增长率告诉我们，我们这个远程但全球化的社会对强大、可靠的无人机(uav)和其他无人机的需求很大。
与其他航空设备一样，无人机的设计是在电机、电池、控制器和其他电子设备以及成本之间的妥协。特别是电机和电池，有趣的是，发展趋势可能预示着某人推动行业发展的巨大机会。
5无人机电机设计趋势
以下是影响工程师下一步行动的五个无人机电机设计开发和挑战:
- 电池续航时间
- 频率和磁芯损耗
- 扭矩和效率
- 电机设置和类型
- 扩展应用程序
电池续航时间
任何无人机，尤其是业余爱好者的型号，由于其安装的电池尺寸有限，飞行时间本来就很短。
更大的电池具有更高的续航能力，这可以做到增加飞行时间．然而，它们也更重，这增加了升空所需的推力……从而降低电池效率。我们又回到了起点。
如果你的无人机能再飞10%呢?就像超级跑车一样，无人机设计师多年来一直在努力优化轻度和功率的平衡。
今天，开发人员仍然从电池本身到电机、螺旋桨和电子速度控制(ESC)电路，他们都在寻找一切可能延长电池寿命的方法。
趋势警报—优化内部温度控制:电动汽车电池续航里程的无声杀手是热量是运动效率低下的结果．使用特定的交流定子材料(将在下面透露)可以提高效率并延长无人机的操作范围。
当我们说“交流”的时候，你可能会眨眼或皱起眉毛。简单的有刷直流电机是可靠的，但现代用户需要更大的灵活性，包括更简洁地控制电机的速度和效率——因此，电池寿命。考虑这一点也“将在下文继续……”
频率和磁芯损耗
由于需要小尺寸和高输出，无人机电机在高频率下工作。典型的频率为3000 - 5000赫兹，但也有很多高性能的型号，工作频率高达10,000赫兹。
这对小型无人机发动机意味着什么?虽然传统的高频电动机表面上效率更高，涡流急剧增加。记住——这意味着这个“更高效的马达”必须花费更多的精力来冷却自己。突然间，它陷入了低效率的循环。
沮丧的来源可能是电动机的材料。
对于交流电机，用高频磁性材料实现低损耗的一种传统方法是使用更薄的电气钢层压片。
为什么胎记会有问题?你只能把它们卷得这么薄，而且随着床单的缩小，价格也会飞涨。叠片过程中芯损也会急剧增加。
趋势警报—为减少损耗定制材料:使用软磁复合材料(SMC)用于交流电机的速度和频率控制提供以下几个好处:
- 降低核心损耗，提高功率效率
- 更轻的电机通过改善扭矩密度
- 更划算
软磁复合材料是高度可定制的铁磁粉末涂有一层均匀的电绝缘膜。上图显示，在低至60 Hz的频率下，一种流行的SMC等级优于焊接层压M19组件。即使是与分层组件长度相似的SMC转子或定子，其性能也与小得多的SMC部件相似。
某些定制的SMC等级可以在高达10,000 Hz甚至更高的频率下茁壮成长。
扭矩与速度
降低功耗是关键提高无人机电机效率．但也别忘了稳定性。
一个更大的电机当然可以更有效地运行，但我们已经涵盖了无人机对一个紧凑的，可安装的电机的需求。要增加输出功率，可以考虑增加扭矩或转速马达的。
高扭矩可以从电机和螺旋桨提供适量的推力，以提高无人机的:
- 发射能力
- 载荷重量
- 稳定
- 控制
无人机是出了名的不稳定因为它们至少由四个同时旋转的马达组成。最近的稳定控制系统在一定程度上纠正了这些问题，使无人机获得了更广泛的应用。
虽然高扭矩通常是可取的，但在无人机中，您可能更好地关注转速性能。为什么?因为更大的扭矩通常等于更大的电机。如果太重，无人机电机在使用一段时间后会因为电池容量萎缩而迅速失去扭矩。
了解您的无人机在每个操作点的速度和扭矩要求可以帮助您确定适当的电机设计。通常在电机设计中，应用需求迫使选择标准但超大的电机，以确保所有操作点的性能。不幸的是，这增加了重量和成本。
增加扭矩密度可以减少电机重量，从而使无人机(如监视和送货无人机)携带更高的有效载荷。
趋势警报—平衡速度与扭矩(和成本与尺寸):幸运的是，稍微多一点定制可以优化无人机电机的性能曲线，以精确满足其特定需求。一些工程师通过调整电机的电磁来做到这一点——或者使用更多圈的小电线(以获得更大的扭矩)，或者使用更少圈的大电线(以获得更高的速度)。其他工程师正在为电机输出增加齿轮，作为一种低成本、小尺寸的平衡速度和扭矩的方法。
电机设置和类型
有很多方法可以评估无人机电机制造的状况。从设计师的角度来看，以下是更重要的注意事项:
低功率模型
预报员估计0 - 200 W到21世纪20年代，电动汽车将占据行业整体价值机会的60%左右。这些主要是低端住宅和业余爱好者的模式。
Multirotor无人机
多旋翼无人机2020年市场份额超过84%．
这些设备由一个有三个、四个、六个或八个转子的中心组成。增加的转子提供更好地控制操作员。改进的机动性允许多旋翼无人机在任何空间垂直起飞或降落，使其非常适合许多应用。
其他好处包括合理的价格和比其他类型的无人机更高的有效载荷。
无人机上的旋翼越多，它能产生的推力就越大。额外的转子促进了重型无人机的创建，可以支持工业相机或交付有效载荷-以及我们将在下面介绍的其他应用。
不可避免的妥协是每个额外的转子需要额外的电流吸取。六旋翼和八旋翼设计将需要更多的电池存储来实现与四旋翼型号相同的续航里程。
无刷直流无人机电机
无人机的无刷电机是今天的标准，因为有刷电机只能支持最便宜的玩具级模型。
更具体地说，无刷直流无人机电机全球无人机市场上最赚钱的发动机类型．这些电机，典型的永磁体品种，可以使用外流道或内流道配置。
一个outunner无刷配置固定电枢线圈，与一圈永磁体围绕线圈旋转。内部流道设计在线圈内放置旋转磁铁。由于磁体的外环为电磁场的通过创造了更大的气隙，所以外流器方法产生了更大的扭矩。
无刷直流电动机的一个缺点是它们需要不断优化速度和旋转方向，因此需要电机驱动器。无人机电机必须连接到一个独立的电子速度控制器(ESC)，以提供适当管理转速的开关信号。额外的装置可以使直流无人机电机比交流电机更贵。
好消息是无刷直流电机技术的最新进展导致了无传感器电机驱动的发明，这将降低这些成本。无传感器驱动器也需要更少的组件，允许设计师缩小电机的尺寸，甚至可能提高其可靠性。
然而，即使在今天，无刷直流电动机在无人机中消耗了大量宝贵的能量，这可能会减少无人机的航程。这就导致了……
无刷交流无人机电机(永磁同步)
几乎所有的无人机电机都是无刷的。从那时起，它就变成了交流电还是直流电的选择。
在设计无刷无人机时，AC和DC之间的决定通常取决于您选择的电机控制算法梯形的或场向的．
但由于这篇文章主要集中在电机本身，让我们看看我们还能在哪里挖掘效率…
传统上，交流电机因其高功率输出和效率而赢得赞誉，而直流电机因其速度控制和输出范围而受到所有人的喜爱。
趋势警报——更多地使用交流电机:这是你可能不知道的——的力量现代交流电机设计可以提供成本，尺寸，而且减轻重量，同时提供更精确的能源使用控制。
更具体地说，什么可以交流永磁电动机使用SMC材料的报价?
- 较低的工作温度
- 更长的潜在寿命
- 启动时较少的电力需求
- 精确的加速度和启动电流控制
- 转速和扭矩可调
扩展应用程序
上面的想法和突破应该有助于进一步发展无人机的头号粉丝:军事/国防应用。
这些专门的无人机需要高性能电池、电机和制造工艺/材料最终的结果在于可靠性。毕竟，这些设备必须能够在任何天气条件下运行——生命可能受到威胁。
多旋翼无人机设计的悬浮能力使其成为监视和某些成像应用的理想选择——不仅在国防工业中，而且在其他领域也是如此。
各行各业都在加入无人机设计热潮:
- 科学研究——包括跟踪和监测COVID-19的传播
- 交付
- 检查
- 农业
当然，我们不能忘记日常消费者。轻，负担得起，消费级的模型仍然可以受益于上面讨论的设计可能性。在各种家庭应用中，对可靠的无人机设计的需求正在增长:
- 真空吸尘器
- 池清洁工
- 割草机
电机效率集线器
无人机电机设计的最终目标一直是——并将继续是——在缩小尺寸和重量的同时保持性能。为了达到新的高度(或距离)，工程师们需要最终找到频率、扭矩和其他影响航程和效率的特性之间的平衡。从那时起，通往新机遇的大门将更加敞开。
了解更多SMCs和烧结软磁材料在提高电动机效率方面的作用，查看我们的工程师中心:
