什么是有刷電機(jī)什么是無刷電機(jī)(什么是有刷電機(jī)和無刷電機(jī))

第四部分：外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)

看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)，讓我們看看外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。不同的是，外轉(zhuǎn)子電機(jī)是把中心的磁鋼做成碎片，粘在機(jī)殼上。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)機(jī)殼在轉(zhuǎn)動(dòng)，而中間的線圈定子不動(dòng)。與內(nèi)轉(zhuǎn)子相比，外轉(zhuǎn)子無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大得多(因?yàn)檗D(zhuǎn)子的主要質(zhì)量集中在外殼上)，所以外轉(zhuǎn)子無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)速比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)慢。通常KV值在幾百到幾千之間。也是主要用于航模的無刷電機(jī)。

無刷電機(jī)的KV值定義為：轉(zhuǎn)速/V，表示輸入電壓每增加1伏，無刷電機(jī)增加的轉(zhuǎn)速。比如標(biāo)稱值為1000KV的外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，在11伏電壓下，最大空載轉(zhuǎn)速為11000rpm(rpm的意思是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))。

同系列同尺寸的無刷電機(jī)會(huì)根據(jù)繞組匝數(shù)表現(xiàn)出不同的KV特性。如果繞組匝數(shù)大，KV值低，最大輸出電流小，轉(zhuǎn)矩大；如果繞組匝數(shù)小，KV值高，最大輸出電流大，轉(zhuǎn)矩小。我之前測(cè)試過橫機(jī)2204電機(jī)的極限電流。單臺(tái)電機(jī)能達(dá)到25A，2212系列電機(jī)達(dá)不到15A。

外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)：

分析方法類似于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。可以自己分析，根據(jù)右手螺旋定理判斷線圈的N/S極。轉(zhuǎn)子永磁體的N極有與定子繞組的S極對(duì)齊(吸引)的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)子永磁體的S極有與定子繞組的N極對(duì)齊(吸引)的趨勢(shì)，從而帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

經(jīng)典無刷電機(jī)2212 1000kv電機(jī)結(jié)構(gòu)分析：

其結(jié)構(gòu)如下：定子繞組固定在底座上，轉(zhuǎn)軸和外殼固定在一起構(gòu)成轉(zhuǎn)子，軸承插在定子中間。

線圈拆卸圖

電機(jī)繞組圖

后面顯示了六種兩相通電情況?？梢钥闯觯m然繞組和磁極的數(shù)量可以以多種方式變化，但從電氣控制的角度來看，通電順序?qū)嶋H上是相同的。也就是說，無論外轉(zhuǎn)子還是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，都遵循AB-AC-BC-BA-CA-CB的順序進(jìn)行通電和換向。當(dāng)然，如果想讓電機(jī)反轉(zhuǎn)，電子的方法是按相反的順序通電；物理方法直接切換任意兩條線路。假設(shè)A和B對(duì)調(diào)，那么順序是BA-BC-AC-AB-CB-CA。有沒有發(fā)現(xiàn)這里的順序完全顛倒了？

AB相電氣化

交流相位通電

BC相通電

BA階段電氣化

CA相電氣化

CB相電氣化

因?yàn)槊扛鶎?dǎo)線同時(shí)連接到兩個(gè)繞組，所以電流以兩種方式流動(dòng)。這里為了盡可能簡(jiǎn)化問題，下圖中只顯示了主電路的電流方向，其他電路的電流沒有顯示。另一個(gè)電路的具體情況后面再分析，涉及到電路檢測(cè)換向位置。

無刷電機(jī)中的專業(yè)名詞

額定電壓：是無刷電機(jī)合適的工作電壓。其實(shí)無刷電機(jī)的適用工作電壓很寬，額定電壓是指定負(fù)載條件的結(jié)果。但這個(gè)工作電壓并不是無限上升的，主要受制于電子控制器支持的最高頻率。所以額定工作是由工作環(huán)境決定的。

KV值：無刷DC電機(jī)根據(jù)額定工作電壓標(biāo)注額定轉(zhuǎn)速。無刷電機(jī)引入了KV值的概念，可以讓用戶直觀的知道無刷電機(jī)在特定工作電壓下的具體轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)矩：(轉(zhuǎn)矩，扭矩)電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以用來驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載。我們可以了解電機(jī)的功率。

轉(zhuǎn)速：電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速，一般用RPM表示。

最大電流：電機(jī)能承受并安全工作的最大電流。

最大功率：電機(jī)能承受并安全工作的最大功率=電壓*電流

無刷電機(jī)功率和效率

我們可以簡(jiǎn)單的理解為電機(jī)的輸出功率=轉(zhuǎn)速*扭矩。在同樣的功率下，扭矩和轉(zhuǎn)速是一種權(quán)衡關(guān)系，即轉(zhuǎn)速越高s

每個(gè)電機(jī)都有自己的功率極限，最大功率就是這個(gè)極限。如果工況超過這個(gè)最大功率，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)高溫?zé)龎摹．?dāng)然，這個(gè)最大功率也是在工作電壓一定的情況下得到的。如果處于較高的工作電壓，合理的最大功率也會(huì)提高。這是因?yàn)椋篞=I2R，導(dǎo)體的發(fā)熱與電流的平方成正比。在更高的電壓下，如果是同樣的功率，電流會(huì)降低，導(dǎo)致發(fā)熱減少，最大功率增加。這也解釋了為什么專業(yè)航拍飛行器大量使用22.2V甚至30V電池驅(qū)動(dòng)多軸飛行器。高壓下的無刷電機(jī)電流小，發(fā)熱低，效率更高。

無刷電機(jī)電壓與效率的關(guān)系

前兩個(gè)公式：

1、功率=電壓*電流

2、發(fā)熱量=電流的平方*電阻

從公式中得出兩個(gè)結(jié)論：相同功率下，電壓越高，電流越小，得出相同功率下，電壓越高，發(fā)熱量越小。最后得出結(jié)論：電壓越高，電流越小，同樣的飛機(jī)產(chǎn)生的熱量越少，效率越高。

現(xiàn)在你知道為什么高壓電力線一定要用100KV甚至220KV或者550KV的高壓供電了吧(這個(gè)KV是千伏)。

當(dāng)然，飛機(jī)需要電池來驅(qū)動(dòng)，具體來說就是鋰電池。鋰電池的數(shù)量自然取決于電池的大小，電池越大，自然能做到的電壓越高。所以在電壓方面，其實(shí)我們能做的并不多，因?yàn)槭忻嫔虾芏嚯姵囟际窍盗谢?。比如?50這樣的機(jī)型，可以找450直升機(jī)的6S電池，但是價(jià)格很高，需要的電子調(diào)音價(jià)格也較高。所以在電壓方面應(yīng)該做的是：盡量避免大型號(hào)使用低壓電池，這樣會(huì)造成工作電流比較大，耗銅量也比較大。同時(shí)，小型飛機(jī)也要避免使用高壓電池，因?yàn)殡姵刂亓刻蟆?/p>

關(guān)于無刷電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)

磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度又稱同步速度，與三相電流的頻率和磁極數(shù)p有關(guān)，如果定子繞組只有一對(duì)磁極(極對(duì)p=1)，即只有兩個(gè)磁極，對(duì)于只有一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相電流變化一次，合成磁場(chǎng)也旋轉(zhuǎn)一次。如果是50hz交流電，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度是50轉(zhuǎn)/分或3000轉(zhuǎn)/分。在工程技術(shù)中，常用于以r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。如果定子繞組合成的磁場(chǎng)有兩對(duì)磁極(磁極對(duì)p=2)，即有四個(gè)磁極，可以證明電流變化一周，合成磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)180度，可以概括為：每分鐘P對(duì)磁極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速為n=60f/p。

當(dāng)磁極數(shù)一定時(shí)，如果改變交流電的頻率，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度，這就是變頻調(diào)速的基本原理。因?yàn)殡姍C(jī)的磁極是成對(duì)出現(xiàn)的，所以往往用極對(duì)來表示。

關(guān)于無刷電機(jī)的磁鐵

世界上幾乎100%的無刷電機(jī)都使用‘磁王’3354釹磁鐵，用磁王來形容釹磁鐵是名不虛傳的。釹磁鐵的磁性是我們生活中常見的黑色鐵氧體磁鐵的三倍！當(dāng)然價(jià)格是鐵氧體磁鐵的10倍以上。無刷電機(jī)畢竟屬于永磁電機(jī)，永磁電機(jī)的功率和特性完全取決于磁體。基本上，磁鐵的體積和品牌決定了電機(jī)的最大功率。

此外，磁鐵的形狀也有差異。如果拆解一些廉價(jià)電機(jī)，會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分磁鐵都是方形的。方形磁鐵易于加工且相對(duì)便宜，自然成為追求成本的電機(jī)的最佳選擇。但是很多品牌的電機(jī)都選擇弧形磁鐵，這樣可以保證磁鐵和硅鋼片之間的氣隙始終一致。好像功率和效率都比方形磁鐵好。然而，當(dāng)一些電機(jī)被拆開時(shí)，發(fā)現(xiàn)了被稱為面包型的磁鐵。它們可以完全貼在鐵殼上，但與硅鋼片的距離與方形磁鐵的距離相同

然而，在其他情況下也可以使用方形磁體。在多槽多極(例如36槽42極)的無刷電機(jī)中，基本都是用方形磁鐵。這是因?yàn)殍F殼的直徑很大，方形磁鐵可以很好的與鐵殼粘合，與硅鋼片的氣隙也很均勻。

關(guān)于無刷電機(jī)的硅鋼片

其實(shí)我初中學(xué)電磁學(xué)的時(shí)候經(jīng)常想，為什么電機(jī)要用硅鋼片？不是說帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中可以作用嗎？那你為什么需要硅鋼片？后來想了很久，終于得出一個(gè)結(jié)論，就是設(shè)計(jì)師不可能比你更蠢！

空氣有弱磁性，但鐵有磁性。硅鋼片的作用是引導(dǎo)磁鐵的磁路，形成電路，這就要求電機(jī)的磁阻(我們可以把它等同于電阻)比較小。但是大家也看到了，為什么定子是由一片片組成的？

你知道電磁爐的原理嗎？為什么鐵鍋放在電磁爐上會(huì)發(fā)熱？其實(shí)這是因?yàn)椤愯F物質(zhì)放在快速變化的電磁場(chǎng)中(想想交流電，瞬間飛來飛去，不像直流電，永遠(yuǎn)是正對(duì)負(fù))會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和熱量，頻率越高，產(chǎn)生的熱量越大。硅鋼片在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)里，和電磁爐上放鐵鍋是一個(gè)問題。解決辦法是在鋼中加入硅，使其變成薄片。理論上，硅鋼片越薄，渦流損耗就會(huì)越小。

那么你明白為什么普通固定翼電機(jī)多為0.35MM厚的硅鋼片，而直升機(jī)和涵道機(jī)電機(jī)多為0.2MM的硅鋼片了嗎？電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，磁場(chǎng)變化越快，渦流損耗越大。目前多軸電機(jī)大多采用0.2MM的單片硅鋼片，這樣電機(jī)的鐵損會(huì)更低。

關(guān)于無刷電機(jī)使用與保養(yǎng)

無刷電機(jī)由電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器組成，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。用戶在使用DC無刷電機(jī)時(shí)應(yīng)注意的一些問題。

那么使用DC無刷電機(jī)需要注意什么呢？

(1)拆卸前，應(yīng)用壓縮空氣吹凈電機(jī)表面的灰塵，并將表面污垢擦拭干凈。

(2)選擇電機(jī)解體工作地點(diǎn)，清理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

(3)熟悉電機(jī)維修的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求。

(4)準(zhǔn)備拆卸所需的工具(包括專用工具)和設(shè)備。

(5)為了進(jìn)一步了解電機(jī)運(yùn)行中的缺陷，在條件允許的情況下，可在拆卸前進(jìn)行檢查試驗(yàn)。因此，將電機(jī)帶負(fù)荷試轉(zhuǎn)，并詳細(xì)檢查電機(jī)各部分的溫度、聲音和振動(dòng)。