为 载人飞机推进系统 选择电机,其出发点与为无人平台选型完全不同。无人机可以围绕一份任务书和一项成本来设计,而且在很多任务里,让一次动力失效直接终结飞行是合理的。而一架载人的飞行器不能这样设计。它的工况持续时间更长,工作点更靠近包线的连续端,单点失效必须是可存活的而不只是「不大可能发生」,集成方所依赖的每一个数值都必须能追溯到一次试验,而不是一句宣传。本指南逐一剖析三款 T-Motor U15 电机——一款自重 1740 g、拥有最宽已记录母线电压窗口的机型,一款为 24S 母线而设计的 4408 g 机型,以及一款已记录推力为三者之最的 5130 g 机型——并说明在每一种情形下,究竟是哪一项已记录数值决定了选择,以及又有哪些数值载于制造商数据手册。

这三款都是外置电子调速器(ESC)驱动的无刷外转子电机,并且同属 ToBMS 的同一个品类:无人机电机。真正把它们区分开来的是质量、KV、已记录推力以及各自所面向的母线,而这些差异恰好对应着轻型双座机体、动力伞三轮车,以及正在被改装为载人用途的较大型货运平台。本文引用的每一个数值都来自对应的 ToBMS 产品记录;克与千克之间的换算、由两个已记录数值构成的比值,以及任何由电芯化学体系推导出的量,都在出现之处标注为本文推导;凡是记录中不带数值的字段,都按缺失标注,而不会从邻近型号补齐。三份记录当中有两份没有把电气各列的数值全部列出,而弄清楚究竟是哪一列缺在哪份记录上,本身就是做出选择的一部分。

快速结论

这一品类里的第一个决策并不是推力,而是机体搭载多少台电机,以及其中一台停止工作时会发生什么。其余的一切——KV、质量、母线、螺旋桨——都要针对这个失效工况来定尺寸,而不是针对一个标称悬停点。以此为基准,本文这三款电机占据的是三个互不相同的角色,而不是构成一份排名。

当机体较小、电池组是最紧的约束,且动力布局的单元数量足够多、失去一台仍留有舒适的余量时,T-Motor U15 II KV80 UAV 电机 是三款中唯一接受 12-24S 的一款,而且自重 1740 g,比另外两款轻了一倍以上。它的已记录最大推力为 36.5 kg,在 180 秒窗口内输出 8580 W,也是三款当中唯一在任何一份记录里公布了功率数值的一款。

当机体是一个固定 24S 的设计、且质量预算允许采用更重的电机时,T-Motor U15XL KV38 UAV 电机 在 4408 g 的自重下记录了 81.2 kg 推力,并给出 180 A 峰值电流、10 V 下 3.5 A 的空载电流以及 17 mΩ 的绕组——这是本组中已记录的最低电阻,与 U15 II 持平——正因如此,它成为质量区间中段里电气记录最完整的一款。

当设计所需要的正是每台电机已记录推力的最大值时,T-Motor U15XXL KV29 UAV 电机 在同样的 24S 母线与同样的 36N42P 定子下,以 5130 g 的自重记录了 101.4 kg,并给出 210 A 峰值电流与 20 mΩ 的绕组电阻。三份记录当中没有任何一份列出过持续的、无限期的功率额定值。能够拿来近似替代的,只有 U15 II 上那个 180 秒功率数值,以及另外两款上的峰值电流数值,而这些都属于工况窗口的陈述,而不是连续额定值——当一次设计评审追问爬升能维持多久时,这个区分值得牢牢记住。

当飞行器需要载人时,什么发生了变化

这些电机在构造上,与品类中任何其他大型外转子电机并无分别。发生变化的是需求本身的形态,而在 载人飞机推进系统 中,正是需求决定记录里的哪一列会成为约束。

失效必须是可存活的,而不只是「不大可能发生」

无人平台可以被设计成动力一旦失效就结束任务,在那个尺度上,这种取舍通常是可以接受的。载人机体则不能:动力布局必须至少能承受失去一台单元、同时仍然把飞行器托在空中,这就把有用的数值从「每台电机推力」变成了「去掉最坏那一台之后的每台电机推力」。四电机布局中,装机推力的四分之三得以保留;六电机布局中则是六分之五。这道算术很简单,也正是为什么一款对标称悬停点而言显得过大的电机,往往是针对失效工况才被正确地定尺寸。

放到本组来看,一架基于 U15XXL KV29 电机的四电机机体,在单点失效之后会剩下三台单元,托住约 304 kg,而四台合计记录为 406 kg——两个数值都由已记录的每台 101.4 kg 推导而来。同样的算术用在 U15 II KV80 上,四台合计记录的 146 kg 中可保留约 110 kg。这两个数字都不能决定一架机体能否靠三台电机飞行;那取决于设计,而设计属于集成方,不属于电机。这些数字真正显示的,是就其所增加的质量而言,哪一款电机买回更大的余量;而当一项设计贴近自己的余量边界时,这个差别就是整场选型论证。

持续工作点比峰值更重要

载人飞行器上的悬停并不是一个瞬态,巡航爬升也不是。无人任务剖面把时间花在短暂地越过一个舒适均值之上,而载人剖面则倾向于以分钟为单位、长时间维持可用功率的较高比例——这就把热行为而不是峰值输出放到了决策的中心。峰值数值依然重要,但作用不同:它们用来为线束、连接器与 ESC 定尺寸,因为导线感受到的是电流,而不是功率。

最可能与持续运行有关的那些列,恰恰是最容易缺席的。U15 II KV80 的记录给出了 180 秒窗口内的 8580 W,这是一个工况陈述而不是额定值;而另外两份记录根本没有列出任何功率数值。在那两款上,可用的电气信息是一个峰值电流——U15XL KV38 为 180 A,U15XXL KV29 为 210 A——外加一项在 10 V 下测得的空载电流。这足以给线束定尺寸、也足以比较绕组;但不足以宣布一个连续工作点,而把它当成连续工作点来用,正是载人动力估算出错最常见的一种方式。

螺旋桨一端的质量要被计两次

飞行器上的电机质量不只是被举起来,它还要被加速。在机翼或机臂上,位于外端的旋转与非旋转质量会抬高机体在俯仰和滚转方向上必须克服的惯量,其表现是控制响应与乘坐品质,而不是推力亏欠。这种影响是持续被感受到的,而用这份质量换来的推力,只在包线的顶端才会被用到。

本组内的跨度足够大,足以产生影响。四台 U15 II KV80 合计 7.0 kg,四台 U15XL KV38 合计 17.6 kg,四台 U15XXL KV29 合计 20.5 kg——三者均由已记录质量推导而来。因此,最轻与最重的四电机组合之间相差 13.6 kg 的机体质量;在一架轻型双座平台上,这是一个真实的数字,而不是四舍五入的误差。这也正是为什么本文最轻的那一款并不自动等于正确的起点:它的已记录推力是三者中最小的,而一个需要那份推力的设计,无法通过在其他任何地方削减质量把它补回来。

已记录数据是设计输入,而不是一份总结

在无人项目里,缺失一列规格只是一种不便,可以通过试验来解决。在载人项目里,它是一次设计评审中的未决行动项,因为让评审闭环的那些数值必须来自有记录的试验,而不能来自推断。这就改变了缺少某一列的记录的读法:它不是一个可以借用相似电机的一个看似合理的数值来填补的空缺,而是一个应当在选定部件之前向制造商提出的问题。

放到这里来看,U15 II KV80 的记录记录了功率与外形尺寸,而峰值电流与空载电流载于制造商数据手册;U15XL KV38 与 U15XXL KV29 的记录记录了峰值电流与空载电流、电阻、轴与引线,而功率数值载于制造商数据手册。因此这三款当中,每一款都列出了某一种集成方式所需的列、而对另一种集成方式还留着一列待补;诚实的应对是指出缺口,而不是把它糊过去。值得注意的是,制造商为其中两款所起的名称直接指向载人运行,因此设计评审可以把这一命名与已记录的推力与电流数值一并解读。

决定选型的那些数字

在 载人飞机推进系统 的工作中,六组数值几乎承载了全部决策。其中三组对三款电机都有公布,另外三组则没有——在列出候选清单之前,这一点值得先弄清楚。

去掉一台电机之后的升力

这是一道淘汰候选、而不是给候选排序的筛选,它的作用方向与常规的推力对比恰好相反。在这里,一台电机被排除,原因与它自身的额定值无关:同伴在它失效之后所能产生的推力不够,所以提出的问题永远针对整组,而不是针对单台。本组中,已记录最大推力从 36.5 kg 一直到 101.4 kg,而四电机布局可保留的四分之三数值,则从 110 kg 一直到 304 kg——自始至终由已记录的每台数值推导而来。

这道算术还带着两条告诫。第一,ToBMS 记录的最大推力,是取自制造商试验数据的单一数值,它描述的是一支螺旋桨、一个油门设定与一个电压;它是一个上限,而不是一个工作点。第二,三款当中没有任何一款记录了悬停工况下的推力额定值,因此由最大值算出的余量是针对一个上限的余量,而真实的悬停余量还要再减去两者之间的那道差距。当一项设计贴近这条线时,值得在固定机体布局之前,先用制造商的测试数据把这个差距补上。

记录对连续运行说了什么

本组中唯一的持续数值,是 U15 II KV80 在 180 秒窗口内的 8580 W。作为一个工况陈述来读,它说明这台单元在试验台上把那个功率维持了三分钟;这对热能力是一项有用的指示,但并不等于定义了可以无限期维持什么。还有一项可用的推导核对:假设 8580 W 是在其 12-24S 窗口的顶端取用的,那么一个约 88.8 V 标称电压的 24S 电池组——这里用的是每电芯 3.7 V 的标准约定,而不是某项电机规格——对应约 97 A,即本站的估算,该数值由已记录数值推导而来,而非制造商额定值。那说明的更多是这次试验是怎么做的,而不是电机的极限。

另外两款电机没有公布任何功率数值,因此它们的持续行为只能从电流列与电阻列推断。这种推断是正当的,也是有限的:铜损随电流的平方变化,所以下面的数字适合用来比较,却不能当作额定值使用。它们真正能确立的,是两款较重电机当中,哪一款在各自的峰值下运行得更凉;而在两份同类型的记录之间做这项比较,是公平的。

母线、电流,以及它们背后的线束

母线电压由电池组决定,而在本组中,它大体上决定了候选清单。U15 II KV80 接受 12-24S,这是三款中最宽的已记录窗口,也是唯一涵盖更低电压电池组的一个;U15XL KV38 与 U15XXL KV29 记录的则都是 24S。更宽的窗口并不自动等于更好——它意味着同一台电机可以在一组更温和的电池上运行,而当一架机体必须在不更换电机的情况下同时服务一个测试项目与一个飞行项目时,这一点很有用。

电流正是两款较重机型与最轻那一款分道扬镳的地方。U15XL KV38 记录 180 A 峰值,U15XXL KV29 记录 210 A 峰值,而 U15 II KV80 没有公布任何峰值电流数值,因此无法在三款之间做同口径的对比。按约 88.8 V 标称电压的 24S 约定,U15XXL 上 210 A 的峰值意味着那一瞬间约 18.6 kW,U15XL 上 180 A 的峰值则约为 16 kW,即本站的估算——两者均由已记录数值推导而来,而非制造商额定值,而且主要都只对定尺寸有用。同一组数字还决定了引线中的铜截面积、连接器额定值与 ESC 的连续电流,而在一架载人飞行器上,这三项的余量通常比电机本身留得更少。

绕组电阻,以及热量去了哪里

电阻是把电流与温度联系起来的那一列。在给定电流下,它确定了铜损;而铜损,是在一台本来就依赖气流来冷却的电机内部产生的热量。三份记录中有两份公布了它:U15 II KV80 与 U15XL KV38 均为 17 mΩ,U15XXL KV29 为 20 mΩ。若维持在各自已记录的峰值电流下,U15XL KV38 的 17 mΩ 绕组耗散约 551 W,U15XXL KV29 的 20 mΩ 绕组耗散约 882 W——两者均为本站在已记录数值基础上的估算,且未作温度修正,而且都是峰值瞬间的数值而非稳态数值,因为一次持续的爬升所取用的电流远低于峰值。

这项对比之所以有启发,恰恰是因为它在每一个维度上都不偏向更大的那款电机。U15XXL KV29 的电阻更高、峰值电流也更高,因此它在峰值下产生的热量比 U15XL KV38 更多;作为交换,它记录的推力是 101.4 kg,而后者是 81.2 kg。因此,在一架载人机体上于两者之间做选择,是一个关于任务剖面(高功率段持续多久、在那段时间里有多少气流可用)的问题,而不是一个关于哪款电机更好的问题。U15 II KV80 根本无法被放到这根轴上,因为它的峰值电流没有记录;它 17 mΩ 的绕组是本组中最低的,这与一个匝数更少的小定子相符。

转子几何,以及它能带动的那支螺旋桨

三份记录共享同一个 36N42P 定子配置,这一配置为整组所共有,而且对选型很有用:它意味着三者之间的差异在于绕组、磁钢、叠厚与质量,而不在于槽极架构。这就从对比中去掉了一个变量,把剩下的几何问题留给螺旋桨匹配。

KV 这一数值决定了某台单元能在有用的转速下带动哪一支螺旋桨。这里的三个数值——80, 38 与 29——并不是强弱排名;它们是针对给定母线时、转子转速应当落在何处这一问题所给出的三个答案。一台配 24S 母线的 29 KV 单元,会比一台 80 KV 单元以更低的转速带动大得多的螺旋桨,这正是为什么即便机体在物理上两者都能装,它们也不能互换。当一项设计把某一既有机体放大或缩小,使 KV 与桨盘直径彼此匹配,才是保住工作点的关键;而只改电机尺寸,则会把它破坏掉。

轴、安装与引线接口

机械列决定了电机能否被安装,而在一架载人飞行器上,它们还决定了这台电机好不好维护。本组的外形尺寸彼此接近但并不相同:U15 II KV80 为 Ø147.5 × 55 mm,而 U15XL KV38 与 U15XXL KV29 均为 Ø151.5 mm,长度则分别为 96 mm 与 106 mm。最轻那一款 55 mm 的长度,比最大一款的一半略多一点,它相对 U15XXL KV29 的 3.39 kg 质量优势,大半来自这里。

轴径对本组的分割,比它看起来更要紧:U15 II KV80 记录的是 20 mm 轴,而另外两款记录的是 25 mm,这会改变螺旋桨转接座、固持方式以及桨毂所能承受的载荷。U15XL KV38 与 U15XXL KV29 各自公布 200 mm 的引线长度,足以接上安装在远离机臂末端处的 ESC,并把大电流路径保持得较短;U15 II KV80 记录的则是 100 mm 的线缆长度,它适合更近的 ESC,但它与前者并非同一口径下的同一种测量,因此两者不应被当成一回事来比较。凡是记录中没有收录的数值,都应当对照实物去核实,而不是对照同门的另一款型号。

三款 T-Motor U15 电机对比

下表按质量由小到大的顺序归集了这三款单元。每一个数值都按各自 ToBMS 产品记录中的公布值给出,缺口按标注处理,而不是补齐。

型号重量最大推力定子峰值电流电芯数 (LiPo)
T-Motor U15 II KV801740 g36.5 kg36N42P未列出12-24S
T-Motor U15XL KV384408 g81.2 kg36N42P180 A24S
T-Motor U15XXL KV295130 g101.4 kg36N42P210 A24S

三款电机都收录在 ToBMS 的 无人机电机 品类中,并由 T-Motor 发布。推力在每份记录中以克为单位存储,此处换算为千克后显示;推力、质量与电流数值均按记录原样给出,本文其他位置引用的每一个比值或合计都由它们推导而来,并在出现之处标注为本文推导。表中的一个单元格是按标注处理而不是补齐的:U15 II KV80 没有记录任何峰值电流。还有两项数值位于表格之外,因为根本没有对应的列——U15XL KV38 与 U15XXL KV29 的功率数值均载于制造商数据手册——因此就整组而言,没有任何一个电气列是三款全都填满的。

这张表显示的第一个规律是:推力与质量几乎精确地同步缩放,而这种缩放并不奖励尺寸。三款单元的质量跨度约为 2.9 倍,从 1740 g 到 5130 g;已记录推力的跨度约为 2.8 倍,从 36.5 kg 到 101.4 kg——两者都是本文推导。按单位电机质量折算的推力依次约为 21.0, 18.4 与 19.8 倍,分别对应 U15 II KV80、U15XL KV38 与 U15XXL KV29,全部以同一方式推导。因此最轻的那一款在三者中已记录比值最高,而中间那一款最低;这一点值得直说,因为它与「最大电机是买推力最划算的方式」这一预期相反。

第二个规律藏在缺失的那一列里。已记录推力最高的那一款没有公布功率数值,母线窗口最宽的那一款没有公布峰值电流——所以在电气一侧,每一份记录填有数值之处,恰好是另一份未填之处。一个对同一台电机既需要连续功率数值、又需要峰值电流数值的设计,在本组里找不到两者兼得;恰当的应对是把问题带给制造商,而不是在几份记录之间做插值。

第三个规律与母线有关。两款单元固定在 24S 母线上,一款涵盖 12-24S;而三款共享同一定子配置,意味着这一差异完全落在绕组上,而不在磁路。当一项设计要更换电池组时,这是值得知道的一点:在两款 24S 单元上,电池组是规格的一部分;而在 U15 II KV80 上,一个更低电压的电池组仍落在已记录窗口之内,需要重新匹配的只有螺旋桨。

把每一款电机放到载人任务上去读

已记录的数字,只有在对照飞行器实际要做什么去读时,才会变成一项决策。下面这三款各自适配一类不同的机体,而没有一款能同时适配全部三类。

U15 II KV80 —— 最轻的单元与最宽的母线

U15 II KV80 记录了 1740 g 的自重、36.5 kg 的最大推力、80 KV 绕组、36N42P 定子、17 mΩ 的电阻、20 mm 轴、100 mm 线缆长度与 12-24S 窗口,并在 180 秒窗口内记录了 8580 W。它是本文唯一公布了功率数值的一款,也是唯一一款母线窗口涵盖更低节数的单元;而在 1740 g 的自重下,它的质量不到另外两款各自的一半——55 mm 的机身长度对 96 mm 与 106 mm,大半就是解释所在。

这组组合所指向的,是一种质量与电池组灵活性比单台峰值推力更有分量的设计。在本款单元上做四电机布局,电机合计 7.0 kg,而在另外两款上做同样的布局则是 17.6 kg 与 20.5 kg——由已记录质量推导而来——两个极端之间 13.6 kg 的差值,可以转而留给结构、电池或有效载荷。在一架电机数量足以吸收单点失效的轻型机体上,这是一项直接的收益。

它付出的代价是单台推力与电气记录。它的 36.5 kg 略高于 U15XXL KV29 的 101.4 kg 的三分之一,因此基于 U15 II KV80 的四电机布局在单点失效之后可保留约 110 kg,而较大那两款则约为 304 kg——两者都是本文推导。而且由于没有记录峰值电流,线束定尺寸与铜损对比都无法仅凭这份记录闭环;在一个载人项目里,这是一条行动项,而不是一个脚注。

U15XL KV38 —— 质量中段,电气记录最完整

U15XL KV38 记录了 4408 g 的自重、81.2 kg 的最大推力、同一个 36N42P 定子上的 38 KV 绕组、17 mΩ 的电阻、180 A 峰值电流、10 V 下 3.5 A 的空载电流、25 mm 轴、200 mm 引线长度以及固定的 24S 母线。它是三款当中唯一一款电气记录同时带有峰值电流、电阻数值与空载电流测量的单元,这使它成为无需回头找制造商、就能被放到热轴上的一款。

它在本组中的位置,正是它往往是中段答案而不是一种妥协的原因。它与 U15 II KV80 共享三者中最低的已记录电阻,因此在给定电流下,它产生的铜损比更大的 U15XXL KV29 更少——在自身 180 A 峰值下约 551 W,对应后者 210 A 峰值下的约 882 W,两者都是本文推导——同时它记录的推力是 81.2 kg,超过最轻那一款数值的两倍。基于这些电机的四电机布局,在单点失效之后可保留约 244 kg(本文推导),电机合计 17.6 kg。

它的约束在于母线。固定在 24S 的情况下,记录中没有一种可以不改出窗口、改用更温和电池组的选项,因此一架希望以更低节数开始飞行试验的机体,只能更换电机或者更改它的电池方案。另一方面,200 mm 引线与 25 mm 轴,是本文记录的两套接口当中更宽裕的一套,适合 ESC 安装在机臂内侧的装配方式。

U15XXL KV29 —— 三者中已记录推力最高

U15XXL KV29 记录了 5130 g 的自重、101.4 kg 的最大推力、36N42P 定子上的 29 KV 绕组、20 mΩ 的电阻、210 A 峰值电流、10 V 下 3.3 A 的空载电流、Ø151.5 × 106 mm、25 mm 轴、200 mm 引线以及固定的 24S 母线。它是本组中最重、推力最高的单元;制造商直接把它定位给载人飞行器以及无人飞行器——这是一项命名,已记录的推力与电流数值印证了它,而持续功率数值则载于制造商数据手册。

作为整组来读,这是买回余量的那一款。按已记录数值,四电机布局在单点失效之后可保留约 304 kg(本文推导),六电机布局则可保留 608 kg 的六分之五。与之相对,四台会多出 20.5 kg 的电机质量;而在峰值电流下,每一台都在 5130 g 的封装内产生约 882 W 的铜损——本站在已记录数值基础上的估算,未作温度修正——在一次持续爬升中,正是这个数字决定冷却路径是否足够。20 mΩ 的绕组是本文记录中最高的电阻;而由于铜损随电流的平方变化,同一款单元上最高的电流与最高的电阻这一组合,恰好就是把热设计放到整套安装中心的那个原因。

10 V 下 3.3 A 的空载电流,略低于 U15XL KV38 的 3.5 A,这与一个 KV 更低的绕组带动自身旋转时取用电流略少相符;它也是两者在空载一侧唯一可用的比较信号。仅凭它本身,不足以就整个工作范围内的效率得出结论,也不应被当作那样的依据来用。

这些系统用在哪里

同样的这三款电机出现在约束差异足够大的机体上,以至于选型论证在不同机体之间会改变形态;这正是为什么在 载人飞机推进系统 中,平台与记录同等重要。

轻型双座与个人 eVTOL 平台

这些正是失效工况驱动一切的设计,因为动力布局通常是唯一能把飞行器托住的系统。采用六台或八台电机的分布式布局很常见,原因恰恰在于它把单点失效转化为部分推力损失,而不是全部损失;也正是这种布局偏好,使一款推力更低、质量更小的电机,相对一款推力更高的替代方案仍然可行。这里相关的记录,是那些公布了足够电气信息、以便给线束定尺寸的——这偏向 U15XL KV38 与 U15XXL KV29——而在设计仍在电池电压上反复迭代的场合,U15 II KV80 的 12-24S 窗口是本组中唯一有记录的灵活性。VTOL 无人机 这一归集从无人一侧覆盖同样的升力与巡航折衷,那里的约束集合并不相同。

动力滑翔伞与动力伞三轮车

这一类机体,是本品类中最接近「围绕单一动力单元建造的飞行机器」的东西,也是质量最能直接说明问题的地方。一架动力伞三轮车在一套质量预算紧张、螺旋桨又大又慢的结构上搭载一到两台电机,这指向的是低 KV 与轻量单元,而不是最大推力。整组从 29 到 80 的 KV 跨度在这里并不是全部答案——真正有意义的比较对象是另外两款的 38 与 29 KV——但 1740 g 的自重与宽阔的母线窗口,都让 U15 II KV80 适合那种电池组按航时、而不是按电压来选择的机体。在单台电机的装配上,代价是没有第二台单元来吸收失效;处在这一位置的设计,所做的是一种完全不同的决策。

从货运跨入载人角色的机体

有不少大型多旋翼平台先是面向货运开发,随后被改装来载人,而动力系统通常是原封不动沿用下来的那一部分。在这种情况下,这些记录有用的读法是失效工况的算术,而不是标称推力:一套已经围绕货运载荷、按 U15XXL KV29 电机定好尺寸的布局,在一次失效之后可保留约四分之三的装机推力(本文推导);这份余量是载人型会被拿来评估的基准,而不是已经证实的性能。这也是缺失的连续功率数值伤害最大的场合,因为载人任务剖面比货运更长,对一次短途货运航段而言足够的热余量,未必够支撑一段更长的载人航段。重载无人机 这一应用,把同样的电机按有效载荷级别而不是按失效工况来归集,这两种视角值得放在一起读。

同样的电机在哪里不再是答案

本品类中存在一条边界,值得把它说清楚。一旦一项设计从保持高度转向高效地覆盖一段距离——从悬停转向巡航——上面整套排序就不再适用,因为工作点移到了这样一个区域:在那里,低 KV 绕组、低绕组电阻与一支又大又慢的螺旋桨,赢在航时而不是赢在推力。那是另一个选型问题,归集在 长航时无人机 之下,而不是这里。同样地,一架期望把动力系统的持续功率数值当作适航输入、而不是当作性能目标来维持的机体,所问的是一个这三份记录都无法回答的问题,答案必须来自制造商的测试文件。

选型清单

三项核对就能覆盖大部分范围,而且按这个顺序来做更有效,因为每一项都会为下一项缩小范围。

先定工况

在比较电机之前,先固定飞行器被要求做什么:高功率段持续多久、该布局是在悬停时就能保持高度还是只能在前飞时保持,以及电池电压是否已经确定。在一架载人机体上,这三个答案通常比任何一列规格都淘汰掉更多候选,因为它们决定了到底是否需要一项持续数值,以及一项已记录的峰值电流是否够用。

其次是冗余

先确定机体搭载多少个动力单元,再用已记录的每台数值、并标注为本文推导,算出最坏单点失效之后可保留的推力。把这个保留数值对照全备重量,并留出针对控制权限而不只是针对升力的余量;同时记住,已记录推力是一个来自试验台数值的上限,而不是悬停额定值——本文三份记录当中没有任何一份公布悬停额定值,因此工作余量比上限余量还要再小一个那样的差距。

接口与未决问题放在最后

只有在工况与冗余都固定之后,机械列与电气列才在幸存者之间做出裁决。把轴径、安装孔位、引线与线缆长度对照 ESC 将要落座的位置来核对;按已记录的峰值电流而不是按功率数值给线束定尺寸;并把记录没有收录的那些列写下来,以便在部件被敲定之前,用制造商的测试数据把它们补齐。

  1. 先固定任务剖面与电池电压;尚未决定其中任何一项的设计,都应当被视为还没有准备好去筛选电机。
  2. 按已记录的每台数值,算出最坏单点失效之后可保留的推力,并把结果标注为本文推导。
  3. 把保留推力对照全备重量,并留出针对控制权限的余量;同时记住,已记录最大推力是一个上限,而不是悬停额定值。
  4. 核对记录中究竟有没有持续功率数值,并且不要把峰值电流数值当成它的替代品。
  5. 按已记录的峰值电流为引线、连接器与 ESC 定尺寸,并把该电流下的铜损对照可用的冷却路径来核对。
  6. 在设计仍在迭代时,优先选择能涵盖实际可用电池组的母线窗口;并把固定节数当作一项需要围绕它来设计的规格。
  7. 把轴径、安装孔位与引线长度对照 ESC 的位置来核对,并且不要把线缆长度与引线长度当成同一种测量来比较。
  8. 把产品记录中所有留空的列都记录下来,以便在敲定选型之前,用制造商的测试文件把它们补齐。

常见问题

Q是什么让一款电机适合载人飞机推进,而不是适合一架大型无人机体?

电机本身的造法并没有不同;不同的是需求。载人机体必须在动力失效之后仍能继续飞行,因此布局是按保留推力、而不是按标称推力来定尺寸的;而且它的工作点比无人任务剖面更靠近热包线的连续端。这两点都把有用的规格推向持续行为、推离峰值数值——而这恰恰是这三款电机的记录最不完整的方向。

Q这些电机是否具有经过认证的连续功率额定值?

三份 ToBMS 记录中都没有出现这样的额定值;而飞行器的认证是集成方的流程,不是电机的一项属性。这里唯一被记录下来的持续数值,是 U15 II KV80 在 180 秒窗口内的 8580 W,那是一个工况陈述,而不是一项无限期额定值。另外两份记录完全没有公布功率数值,只有一个峰值电流——U15XL KV38 为 180 A,U15XXL KV29 为 210 A。当一项设计需要连续额定值时,那份文件必须来自制造商。

Q三款当中,哪一款按其自身质量给出的推力最多?

按已记录数值,是 U15 II KV80,约为自身质量的 21.0 倍,由 36.5 kg 推力与 1740 g 推导而来。U15XXL KV29 紧随其后,约为 19.8,同样为本文推导;U15XL KV38 约为 18.4。这个排序值得留意,因为它与「最大电机是买推力最划算的方式」这一假设并不一致:本文最重的那一款记录了最高的绝对推力,却不是最高的比值;而一个需要绝对推力的设计,没有办法用比值去替代它。

Q一台电机失效之后还能剩下多少推力?

四电机布局下是装机推力的四分之三;六电机布局下是六分之五。放到本组来看,四台 U15XXL KV29 合计记录 406 kg,可保留约 304 kg;四台 U15 II KV80 合计记录 146 kg,可保留约 110 kg——两者都由已记录的每台数值推导而来。飞行器能否靠这个保留数值飞行,取决于机体与飞行状态,那是集成方的分析,而不是一份产品记录能够回答的事情。

Q母线窗口最宽就是最好的选择吗?

单凭这一点并不成立。U15 II KV80 是本文唯一记录 12-24S 的单元,在电池电压仍待决定、或一架机体必须服务两个项目的场合,它确实有用。但宽阔的窗口伴随着三者中最低的已记录推力,所以这是一种灵活性与能力之间的权衡,而不是一项免费的选项。当电池组已经在 24S 上固定、且需要更高的单台推力时,较窄的那些记录才属于更合适的电机。

Q为什么对比表里有一个单元格写着「未列出」?

因为 U15 II KV80 不带峰值电流数值;而用 U15XL KV38 或 U15XXL KV29 的记录去填这个单元格,恰恰就是那种会导致安装出错的一类推断。有两个值得指出的后果:线束无法依据这份记录定尺寸;三款之间的铜损对比也无法完成,因为损耗随电流的平方变化,而那个电流载于制造商数据手册。

Q这三款电机用的是同一个定子吗?

是的。三份记录都带有 36N42P 配置,这意味着三者之间的差异落在绕组、磁钢、叠厚与质量上,而不在槽极架构上。这就从对比中去掉了一个变量,并让 KV 以及它必须带动的那支螺旋桨,成为决定工作点落于何处的几何问题:24S 上的 29 KV,与同一标称母线上的 80 KV,是对同一个问题给出的两个答案,而不是同一个答案的较低版本与较高版本。

官方资源

三款电机均由 T-Motor 发布,制造商自己的页面承载了 ToBMS 记录所不复制的测试数据与文件:U15 II KV80、U15XL KV38 与 U15XXL KV29,更完整的产品范围则在 T-Motor 官方商店。凡是 ToBMS 记录保持沉默的地方——U15 II KV80 的峰值电流与空载电流、U15XL KV38 与 U15XXL KV29 的功率数值,以及三款共同的任何悬停额定推力值——那些页面或相应的规格书,才是补上缺口的地方。

下一步

读到这里,得到的是一份候选清单而不是一个决定,而有三件工具可以把这份清单变成一个决定:这里的每一款电机都收录在 无人机电机 品类中;候选机型可以在 选型 中按 KV、质量与母线收窄;而两款或三款单元则可以在 产品对比 中彼此对照。同一项决策在应用侧的内容归集在 载人飞机推进系统 页面上,它按平台、而不是按规格来归集相应的记录匹配。

另有两篇既有指南可以从这里向旁侧延伸。重载无人机电机指南 从有效载荷级别一侧覆盖这三款电机中的两款,在那里,组织性的想法是推力预算而不是失效工况,它是本文这种载人视角的对照。UAV 电机选型指南 把这些单元放进更广泛的 T-Motor 产品系列中,在那里问题会完全改变形态;而 BLDC 电机完全指南 则把每一个品类放进同一个框架里,供从技术出发、而不是从机体出发的人使用。

简短版本:在比较电机之前,先固定任务剖面与电池组;按最坏单点失效、而不是按标称推力算出保留推力;然后在剩下的候选中,按质量与电气记录来做取舍。在本组产品上,这个顺序通常会把「质量与电池组灵活性占主导」的场景落到 U15 II KV80 上,把「电气记录必须完整、母线已经固定在 24S」的场景落到 U15XL KV38 上,而把「机体的实际需要正是每台电机已记录推力的最大值」的场景落到 U15XXL KV29 上。