2. 基础知识

在无人机动力系统中，电机与螺旋桨并不是两个独立零件，而是一组必须协同工作的“动力对”。电机决定转速、扭矩与响应速度，螺旋桨决定负载、拉力与气流效率。选型时如果只看电机型号或只看桨叶尺寸，往往会出现“电机过热、拉力不足、续航骤降、振动增大”等连锁问题。本章先把最基础的三类知识讲清楚：电机类型、螺旋桨基本参数、常见术语与单位，为后续的匹配计算打底。

一、无人机电机类型：有刷与无刷直流电机

无人机上最常见的电机是直流电机，分为有刷电机（Brushed DC Motor）和无刷直流电机（Brushless DC Motor，简称 BLDC）。两者的核心差别在于“换向”方式：有刷电机靠机械电刷和换向器切换电流方向，无刷电机靠电子调速器（ESC）按转子位置切换三相绕组电流。

有刷电机的优点是结构简单、成本低、驱动电路简单，低速扭矩尚可，常见于玩具级无人机、微型四轴或舵机辅助机构。缺点是电刷磨损快、效率低、发热大、寿命短，且电刷火花会带来电磁干扰。无刷电机没有机械电刷，效率高、寿命长、功率密度大、转速范围宽，是现代航拍、穿越机、农业植保、物流无人机的主流选择。其代价是需要 ESC 配合，控制算法更复杂，成本也更高。

无刷电机又常按结构分为外转子（Outrunner）和内转子（Inrunner）。外转子电机磁钢在外部旋转，转子惯量大，低速扭矩好，适合直接驱动大直径螺旋桨，是多旋翼无人机最常用的形式；内转子电机转子在内部高速旋转，需配合减速组或小直径高转速桨，常见于涵道风扇或高速固定翼。

二、螺旋桨基本参数：直径、螺距、桨叶数

螺旋桨的规格通常写成“直径 × 螺距 × 桨叶数”，例如 10×4.5×3，表示直径 10 英寸、螺距 4.5 英寸、3 叶桨。三个参数各自影响不同性能维度，不能孤立看待。

• 直径：桨盘面积随直径平方增长，直径越大，同等转速下产生的拉力越大、气流速度越低，效率通常更高，但需要更大扭矩和更长桨臂，转动惯量也更大，响应变慢。
• 螺距：可理解为桨叶“每转理论前进的距离”。螺距越大，同等转速下气流加速更强、速度潜力更高，但电机负载和电流也更大；螺距过小则拉力不足、悬停转速偏高。
• 桨叶数：桨叶越多，同等直径下总桨盘面积利用率越高，拉力更大、噪声频谱更分散，但效率通常低于少叶桨，且转动惯量增加。2 叶效率高、3 叶均衡、4 叶以上多用于大拉力或低噪声场景。

此外，桨叶还有材质（塑料、尼龙、碳纤维）、桨型（普通桨、折叠桨、三叶桨、宽叶桨）和旋向（CW/CCW）等属性。多旋翼必须成对使用正反桨，以抵消反扭矩。

三、常见术语与单位

选型过程中会反复遇到一批术语，理解它们的物理含义比记住数值更重要。下表汇总了最常用的参数、单位与工程含义。

四、案例与场景：从参数到选型判断

假设一架 5 寸穿越机，起飞重量约 650g，目标推重比 4:1，则总拉力需约 2600g，单电机约 650g。若选用 2207 规格无刷电机、KV 值 1800、搭配 5×4.5×3 桨，在 4S 电压下通常可满足需求。若换成 5×5.5×3 高螺距桨，拉力上升但电流明显增大，电机与 ESC 温度会快速升高，续航缩短。若换成 6 寸桨，则必须确认机架桨臂间隙与电机扭矩是否足够，否则会出现响应迟滞和振动。

五、常见误区与复盘

• 误区一：KV 越高越好。KV 高只代表空载转速高，若桨径偏大，电流会急剧上升，效率反而下降。
• 误区二：只看直径不看螺距。同样 10 寸桨，螺距从 3.8 到 5.5，负载差异可能超过 30%。
• 误区三：桨叶越多拉力越大就越好。多叶桨效率通常更低，续航型无人机更倾向少叶大直径桨。
• 误区四：忽略单位。英寸与毫米、克与千克、安培与毫安时混用，是选型计算中最常见的低级错误。

选型检查清单（建议打印张贴）：
1. 起飞重量 ______ g
2. 目标推重比 ______ : 1
3. 单电机目标拉力 ______ g
4. 机架最大桨径 ______ in
5. 电池电压 ______ S
6. 初选电机 KV ______
7. 初选桨规格 ______ × ______ × ______
8. 实测最大电流 ______ A
9. ESC 额定电流 ______ A
10. 电机/ESC 温度 ______ ℃