一款水下推进器我们是如何设计的

你的目标是什么？
 

在推进器设计中，你真的不能拥有一切。您不可能拥有在低速下产生大量推力并在高速下高效工作的推进器。所以你必须决定什么对你最重要。您希望在哪种操作条件下优化推进器？如果您正在设计长航时太阳能 ASV，您可能希望优化推进器以提高“巡航”速度（可能为 2 或 3 节）的效率。另一方面，ROV 推进器需要在零前进速度下产生尽可能多的推力，而较少考虑效率。因此，首先要决定什么对您很重要，然后继续阅读。

电机选择
 

如上所述，我们假设您将在推进器中使用无刷直流电机。无刷电机通常比有刷电机更高效、更耐用。有刷电机更便宜，因为它们不需要电机控制器（也称为电子速度控制或 ESC），但是 ESC 的成本已经下降了很多，以至于真的没有理由再去刷了。

Rm：“绕组电阻”或“电机电阻”。这很简单：它是电机绕组的电阻。只需将万用表连接到从电机引出的三根电线中的任意两根上并测量电阻。那是Rm。阻力意味着浪费能量，因此您希望 Rm 尽可能小。

KV：“速度常数”。从技术上讲，KV 会告诉您电机在给定 RPM 下产生多少反电动势。但为了简单起见，我们通常使用不同的、不太精确的定义：KV 大约是电机在给定输入电压下旋转的速度，假设没有外部负载。单位是 RPM/V。因此，如果电机的 KV 为 1000 并且您以 12 伏的电压运行，它将以接近 12,000 RPM 的速度旋转（同样，假设没有外部负载）。如果你给它施加负载，它的旋转速度会比这慢一些。 通常您希望 KV 尽可能低。 为什么？因为大型、缓慢旋转的螺旋桨比小型、快速旋转的螺旋桨更有效。稍后会详细介绍螺旋桨设计。

现在，如果您真的开始比较无刷电机，您会遇到一些令人不安的现实。首先是体积较小的电机往往具有较高的 KV，我们希望 KV 尽可能低。因此，如果您希望推进器电机紧凑，则 KV 的低值将受到限制。第二个是 KV 较低的电机往往具有较高的 Rm。这是因为，为了制造低 KV 电机，他们在绕组中放入了大量的细线环。很多细线相当于很大的电阻。基本上，有一些物理定律阻碍了我们拥有我们想要的一切。

解决其中一些问题的一种方法是使用变速箱。变速箱基本上会将高 KV 电机变成低 KV 电机。但是，它占用更多的空间，花费更多的钱，降低了系统的效率，并增加了另一个可能的故障点。一些市售的推进器使用齿轮箱，而有些则不使用。两种方式都没有达成共识，因此变速箱绝对值得仔细考虑。

无论哪种方式，作为第一个切入点，您应该找到两个或三个在物理上适合您的应用的最低 KV 电机，并选择具有最低 Io 和 Rm 值的电机。还要注意电机的额定功率。如果电机标榜为 100 瓦电机，而您希望以 200 瓦的功率运行，请谨慎操作。这可能是可能的，但要小心。同样，如果电机的额定功率为 1,000 瓦，而您希望以 100 瓦的功率运行，则电机很有可能大于您的应用所需的尺寸，因此效率低于其他较小的电机。因此，使用电机的额定功率作为关于电机是否适合您的应用的一般指南。

计算电机性能

给定上面讨论的三个参数，您可以使用下面的等式找到电机的电流、电压和功率消耗。首先假设电机的 RPM 和所需的功率输出 P_out（也称为轴功率）。

电机电流 I = Io + P_out / (RPM / KV)

电机电压 V = RPM / KV + I * Rm

电机输入功率 P = I * V

如果您不知道确切的 RPM 或功率输出，您可以进行以下近似：

RPM = KV 乘以您想要操作的近似电压

P_out = 车辆阻力（牛顿）乘以车速（米/秒）除以螺旋桨效率（假设螺旋桨效率为 0.7）

请注意，这些方程均不包括电机控制器 (ESC) 的效率。一个好的电调可能会达到 90% 左右的效率。如果您想考虑 ESC 的功率消耗，只需将电机输入功率除以 0.9 即可得出系统总功率的近似值。

您很快就会发现电机、螺旋桨和车辆之间存在许多相互依赖关系。换句话说，不知道您使用的是什么螺旋桨就无法选择合适的电机，不知道您使用的是什么电机就无法选择螺旋桨，您无法选择任何一种电机或螺旋桨而不知道您的车辆的阻力，等等。因此，它变成了一个涉及很多妥协的迭代过程（就像工程中的几乎所有其他事情一样）。幸运的是，如果您将计算组织在电子表格中并开始使用它，最终会得到一个好的答案。

螺旋桨选择

与无刷电机类似，螺旋桨可以通过一些基本参数或系数来定义。就螺旋桨而言，最重要的两个是“推力系数”和“功率系数”。两者都取决于“前进比”，它基本上是车辆前进速度与螺旋桨转速之比。互联网上有很多关于这些参数以及如何使用它们的好信息（我不打算在这里重现方程式，如果您有兴趣，请谷歌一下）。

不幸的是，螺旋桨制造商很少公布其螺旋桨的推力和功率系数。我所知道的唯一发布此信息的是 APC，一家 R/C 飞机螺旋桨制造商。如果您正在建造长航时 ASV 或 AUV，那么 APC 的螺旋桨之一很有可能在您的应用中工作（不是说它们是最好的，只是说它们可能工作）。如果您正在建造 ROV，您可能需要一种不同类型的螺旋桨。在这种情况下，您必须进行一些认真的分析才能获得所需的数据。该分析超出了本技术提示的范围，但不要绝望——我们仍然可以得出一些关于螺旋桨的有用结论。

首先，让我们考虑螺旋桨的直径。如果您追求效率（可能是长航时 ASV 或 AUV），您希望直径尽可能大。这与动量和能量之间的差异有关。正如我们在高中物理课上学到的，物体的动量取决于物体的速度，而能量取决于速度的平方。螺旋桨产生的推力只是流过螺旋桨的水的动量变化。因此，就像动量一样，推力取决于水的速度变化，但螺旋桨消耗的能量取决于水的速度的平方. 因此，如果您想获得高推力和低能耗，您希望螺旋桨吸收大量的水并仅将其加速一点，而不是吸收少量的水并使其加速很多。这意味着具有两个细长叶片的大型螺旋桨，就像飞机螺旋桨一样。

但是，除了效率之外，还有很多考虑因素。例如，您可能没有空间容纳大型螺旋桨。或者您的电机可能无法缓慢摆动大型螺旋桨。或者您可能根本不关心能源使用情况，例如您的 ROV 是否通过其系绳获取电力，或者您的 ASV 一次只能运行几个小时并且电池容量充足。在这些情况下，您的螺旋桨通常直径较小，具有三到四个相对较粗的叶片。它看起来更像是滑雪船的螺旋桨。

现在让我们谈谈螺旋桨螺距。螺距是螺旋桨在穿过柔软的固体（如木头）旋转一圈时向前移动多少英寸（或厘米）。低螺距的螺旋桨更适合产生静推力（静推力是车辆不向前移动时产生的推力）。更高螺距的螺旋桨在更高的速度下能更好地产生推力。