随着城市空中交通（UAM）概念的迅速崛起，大载重无人机已成为航空领域的新赛道。然而，要设计出智能、轻量、安全、舒适 且能通过适航审定的大载重无人机，其动力系统测试是确保飞行安全与性能的关键环节。本文将详细介绍大载重无人机动力系统**（电机、电调、桨叶）**的构成以及测试数据的释义。
图1 电推进系统动力链简图
动力系统介绍（电机、电调、桨叶）
图2 动力系统套装（图片来自MAD官网）
动力系统-电机
电机是整个系统的动力来源，负责将电能转化为机械能。
图3 动力系统-电机（图片来自MAD官网）
1. 核心类型：无刷直流电机
现代无人机和eVTOL几乎全部采用无刷直流电机，它淘汰了有刷电机的物理电刷和换向器，具有寿命长、效率高、功率密度大、维护少的特点。
- 工作原理： 基于"定子旋转磁场带动永磁体转子"的电磁原理。电子调速器按特定顺序为定子上的绕组通电，产生一个旋转的磁场，"吸引"或"推斥"转子的永磁体，从而驱动转子持续旋转。
2. 关键性能参数
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KV值： 这是电机最重要的参数之一。它表示**在空载情况下，每增加1伏特电压，电机转速增加的数值** 。
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低KV电机（如100-500KV）： 在给定电压下转速较低，但扭矩输出大。通常需要匹配大尺寸、大桨距的桨叶，用于重型、高效率的巡航或升力系统。
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高KV电机（如1000-2000KV）： 在给定电压下转速高，但扭矩小。通常匹配小尺寸、小桨距的桨叶，用于轻型、追求响应速度的无人机。
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简单公式： 转速(RPM) ≈ 电压(V) × KV值
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****尺寸（定子规格）： 通常以
XXxxYY的形式表示，如4012。-
XX（前两位）：定子的直径（单位：毫米）。 -
YY（后两位）：定子的高度（单位：毫米）。 -
规律： 直径越大、高度越高的电机，通常功率和扭矩潜力越大。
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最大持续/峰值功率： 电机能长时间安全工作的功率，以及短时间内能承受的最大功率。eVTOL的电机功率范围很广，从几十千瓦到数百千瓦不等。
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效率： 即输出机械功率与输入电功率的比值。高效区通常在85%-96% 之间。电机在特定转速和扭矩下效率最高，系统设计的目标就是让电机尽可能工作在高效率区间。
3. eVTOL电机的特殊要求
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极高的可靠性： 尤其是用于分布式推进（多旋翼）的eVTOL，单个电机的失效不应导致灾难性事故。
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高功率密度： 要求在尽可能小的体积和重量下输出巨大的功率，这是eVTOL能否实现商业应用的关键。
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强制冷却： 高功率运行会产生大量热量，通常需要液冷系统来确保电机不会过热。你会看到电机外壳上有复杂的散热鳍片或液冷通道。
动力系统-电调
电子调速器是电机的大脑和指挥官，它精确控制着电机的转速、转向和扭矩。
图3 动力系统-电机（图片来自智鸥驱动官网）
1. 核心功能
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能量转换： 将电池提供的直流电 转换成三相交流电。
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功率控制： 根据飞行控制器发送的PWM信号的脉冲宽度，来调节输出给电机的功率大小，从而精确控制电机转速。
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提供控制逻辑： 通过侦测转子位置（通过传感器或反电动势），决定下一时刻应为哪几相绕组通电，以维持电机平稳旋转。
2. 关键性能参数
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持续/峰值电流： 这是ESC最关键的参数。它决定了ESC能驱动多大功率的电机。必须与电机的电流需求匹配，并留有余量。eVTOL的ESC电流可达数百安培。
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电压范围： 规定了ESC能工作的最低和最高电压。必须与电池电压匹配。eVTOL通常使用高压系统（如400V、800V），以减小电流、降低传输损耗。
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协议与刷新率：
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协议： 如PWM、DShot、ProShot等。更现代的数字协议传输更快、延迟更低、抗干扰性更强。
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刷新率： 指ESC响应飞行控制器指令的速度。对于高性能无人机和eVTOL，高刷新率（如48kHz或更高）至关重要，能实现更稳定、更迅速的飞行控制。
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内阻与效率： 高效的ESC自身能耗很低（效率可达98%-99%），这对于延长航程至关重要。
3. eVTOL ESC的特殊要求
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极高的可靠性与冗余设计： 许多eVTOL的ESC采用双冗余甚至三冗余设计，即在一个封装内有2套或3套独立的控制电路，一套失效，备份立即接管。
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先进的算法： 采用磁场定向控制 算法。FOC能实现极平滑的扭矩控制、低转速高扭矩下的高效运行，以及更低的运行噪音，这大大提升了飞行品质和电机效率。
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强大的散热能力： 与电机一样，大功率ESC通常需要液冷 来维持工作温度。
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功能安全： 符合航空级标准（如DO-178C, DO-254），具备完善的故障诊断、隔离和保护机制。
动力系统-螺旋桨
图4 动力系统-螺旋桨（图片来自豪克官网）
桨叶是最终将电机的旋转机械能转化为空气动能的部件，其设计直接决定了推力的大小和效率。
1. 核心参数
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直径： 桨叶旋转时划出的圆的直径。
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大直径桨叶： 推动的空气量更大，在低速时效率更高，更适合产生静推力（如垂直起降）。但转速受限，惯性大，响应慢。
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小直径桨叶： 推动的空气量小，但可以达到更高的转速，动态响应更快，更适合高速飞行。但在低速时效率较低。
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桨距： 假设桨叶在固体中旋转，它"前进"的距离。
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物理意义： 代表了桨叶的"攻角"，桨距越大，每次旋转"咬"住的空气越多，产生的推力也越大。
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低桨距： 需要的扭矩小，更容易被电机带动到高转速。
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高桨距： 需要的扭矩大，需要更强大的电机来驱动，但在同等转速下能产生更大的推力。
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桨叶数： 常见的有2叶桨、3叶桨等。
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2叶桨： 效率最高，是效率和简单性的最佳平衡点。
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3叶桨及以上： 在相同直径下，能提供更大的推力（因为总桨叶面积更大），但效率会略有下降，且噪音特性不同。常用于在旋翼直径受限的情况下增加推力。
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2. 匹配的重要性
"电机-ESC-桨叶"三者的匹配是系统设计的精髓。
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不匹配的后果：
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小马拉大车（电机/ESC功率不足，桨叶过大）： 导致电机和ESC过热、电流过大、烧毁，无法达到预定转速。
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大马拉小车（电机/ESC功率过大，桨叶过小）： 系统能力未被充分利用，效率低，航程短，可能因转速过高而引发危险。
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eVTOL的典型配置：
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升力系统： 通常采用低KV电机 + 大直径、低/中桨距桨叶，以在起降阶段高效地产生巨大静推力。
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巡航/推进系统： 通常采用低KV电机 + 小直径、高桨距桨叶（或变距螺旋桨），以在高速前飞时保持高效率。
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3. eVTOL桨叶的特殊要求
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超低转速与安全性： 为了降低噪音和提高起降效率，一些eVTOL的旋翼转速较低，但直径巨大。
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复合材料： 使用碳纤维复合材料等先进材料制造，以确保在极轻的重量下具备极高的强度和刚性。
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气动与声学优化： 桨叶形状经过精密的气动和声学设计，尖端可能采用特殊形状以减小涡流和噪音。
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变距设计（部分应用）： 类似直升机主旋翼，通过改变桨叶的桨距来调节推力，而无需改变转速，这能极大地提升控制效率和响应速度。
总结
| 部件 | 核心功能 | 关键参数 | eVTOL特殊要求 |
|---|---|---|---|
| 电机 | 电能 → 机械能 | KV值、尺寸、功率、效率 | 极高可靠性、高功率密度、液冷 |
| 电子调速器 | 直流 → 交流，精确控制 | 电流、电压、协议/FOC算法 | 功能安全、冗余设计、液冷、FOC |
| 桨叶 | 机械能 → 推力 | 直径、桨距、桨叶数 | 气动/声学优化、复合材料、大直径/变距 |
电推进系统测试参数释义
1. 拉力
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释义 ：螺旋桨旋转时，推动空气向后/向下，空气对螺旋桨产生的反作用力。它是飞行的根本，直接用于克服重力（悬停）和空气阻力（前飞）。
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关键关系：
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与转速 ：在其它条件不变时，拉力近似与转速的平方成正比。转速翻倍，拉力增至约4倍。
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与螺旋桨：大直径、大桨距的螺旋桨，在相同转速下能产生更大的拉力。
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单位：牛顿或千克力。
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在eVTOL中的应用 ：拉力是控制的最终目标 。飞行控制器通过精确调节每个动力单元的拉力，来实现飞行器的起飞、悬停、倾斜、转弯和降落。多旋翼eVTOL的飞控通过独立且快速地调整每个电机的拉力来维持姿态稳定。
2. 扭矩
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释义 ：电机驱动螺旋桨旋转时所需的"转动力量"。它反映了电机转动的"阻力"大小。
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关键关系：
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与电流 ：扭矩与电流成正比。电机需要输出的扭矩越大，从电调汲取的电流就越大。这是系统发热的主要来源。
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与拉力：螺旋桨产生拉力的过程，本身就对电机施加了一个反向的扭矩阻力。拉力越大，所需扭矩通常也越大。
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单位：牛顿·米。
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在eVTOL中的应用 ：扭矩是系统负载和能量效率的关键指标。电调必须能提供足够的电流来产生所需扭矩。同时，飞行器机体会因为电机的反扭矩作用而产生与旋转方向相反的滚转趋势，需要在控制律中予以补偿。
3. 转速
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释义 ：电机或螺旋桨每分钟旋转的圈数。
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关键关系：
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与电压 ：在空载情况下，电机转速主要由电压和电机的KV值决定（
转速 ≈ 电压 × KV值）。 -
与拉力 ：如流程图所示，转速是产生拉力的直接驱动因素。改变转速是调节拉力最直接的方式。
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与效率：电机和螺旋桨都有其最高效的转速工作区间。
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单位：RPM。
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在eVTOL中的应用 ：对于采用固定桨距螺旋桨 的eVTOL（大部分多旋翼构型），调节转速是唯一控制拉力的手段，因此电推进系统必须具备极快的转速响应能力。
4. 电压
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释义 ：驱动整个电推进系统的"电压力"，由电池包提供。
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关键关系：
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与功率 ：系统总功率
P ≈ 电压 × 电流。高电压可以在传输相同功率时降低电流。 -
与转速：如上所述，电压是决定电机基准转速的关键因素。
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单位：伏特。
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在eVTOL中的应用 ：现代eVTOL普遍采用高压平台 （如400V甚至800V），如同保时捷Taycan等电动汽车。高电压的优势在于：
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在输出相同功率时，电流更小。
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减少了线缆上的能量损耗（焦耳热）。
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允许使用更细、更轻的线缆，减轻系统重量。
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5. 电流
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释义 ：流动的"电电荷量"，是实际参与做功的"工作量"。
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关键关系：
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与扭矩：电流的大小直接反映了电机输出扭矩的需求。
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与发热 ：系统的绝大部分热损耗来自电流引起的焦耳热（
热量 ∝ 电流² × 电阻）。
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单位：安培。
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在eVTOL中的应用 ：电流是系统安全 和热管理设计的核心依据。它决定了：
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航时：电池容量（安时）除以平均电流，就大致得到了飞行时间。
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元器件选型：电调、线缆、接插件必须能承受峰值电流。
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散热需求：电流越大，产生的热量越多，对冷却系统的要求越高。
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6.电****功率
电功率是无人机动力在运行的过程中总体消耗的功率，包含着电机带动螺旋桨转动做功的功率和动力系统的热能消耗（电流的热效应），由电压*电流得出。
7.轴功率
动力系统（电机与电调）的输出功率，由转速*扭矩计算得出。
8.系统力效
动力系统产生静拉力的效率，由拉力/电功率得出单位为g/W。
9.桨力效
螺旋桨力效代表旋翼螺旋桨产生静拉力的效率由拉力/轴功率得出,单位为g/W。
10.电驱效率
电机与电调整体的对外做功效率，由轴功率/总功率得出。