勵(lì)磁無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)原理
不過顯然模界中的無刷電機(jī)與這個(gè)勵(lì)磁電機(jī)并不是同一個(gè)東西，那么我們常用的無刷電機(jī)里面究竟有些什么技術(shù)、如何解釋那些專業(yè)名詞、以及各種參數(shù)和設(shè)備之間究竟有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？今天就帶大家全面了解一下模界常用的無刷電機(jī)。
無刷電機(jī)的基本概念
根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，我們可以將電機(jī)分為有刷電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)和外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)。
有刷電機(jī)：我們也稱為直流電機(jī)或者碳刷電機(jī)，是歷史最悠久的電機(jī)類型，也是目前數(shù)量最多的電機(jī)類型。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。這種電機(jī)具有造價(jià)相對較低、扭力高、結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。不過由于結(jié)構(gòu)限制，所以缺點(diǎn)也比較明顯：1、機(jī)械換向產(chǎn)生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、噪聲大、壽命短。2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、故障多，需要經(jīng)常維護(hù)。3、由于換向器存在，限制了轉(zhuǎn)子慣量的進(jìn)一步下降，影響了動態(tài)性能。所以在模界主要應(yīng)用于速度較慢和對震動不敏感的車模、船模上面，航模很少采用有刷電機(jī)。
無刷電機(jī)：這是模界中除了有刷電機(jī)以外用的最多的一種電機(jī)，無刷直流電機(jī)不使用機(jī)械的電刷裝置，采用方波自控式永磁同步電機(jī)，以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料，性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)有很大優(yōu)勢。具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，至于缺點(diǎn)嘛……就是比有刷的貴、不好維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航模、高速車模和船模。
不過，單個(gè)的無刷電機(jī)不是一套完整的動力系統(tǒng)，無刷基本必須通過無刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)。普通的碳刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的是繞組，而無刷電機(jī)不論是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的都是磁鐵。所以任何一個(gè)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成的。
無刷電機(jī)的定子是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的部分，能夠支撐轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，主要由硅鋼片、漆包線、軸承、支撐件構(gòu)成；而轉(zhuǎn)子則是黏貼釹鐵硼磁鐵，在定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的部件，主要由轉(zhuǎn)軸、磁鐵、支持件構(gòu)成。除此之外，定子與轉(zhuǎn)子組成的磁極對數(shù)還影響著電機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭力。
無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)
無刷電機(jī)的前蓋、中殼、后蓋主要是整體結(jié)構(gòu)件，起到構(gòu)建電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的作用。但是外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)的外殼同時(shí)也是磁鐵的磁路通路，所以外殼必須是導(dǎo)磁性的物質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子的外殼只是結(jié)構(gòu)件，所以不限定材質(zhì)。但是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)比外轉(zhuǎn)子電機(jī)多一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯，這個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。
磁鐵：是安裝在轉(zhuǎn)子上，是無刷電機(jī)的重要組成部分，無刷電機(jī)的絕大部分性能參數(shù)都與磁鐵相關(guān)，包括功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等。
硅鋼片：是有槽無刷電機(jī)的重要組成部分，當(dāng)然，無槽無刷電機(jī)是沒有硅鋼片的，但是目前絕大多數(shù)的無刷電機(jī)都是有槽的。它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運(yùn)轉(zhuǎn)。
轉(zhuǎn)軸：是電機(jī)轉(zhuǎn)子的直接受力部分，轉(zhuǎn)軸的硬度必須能滿足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的要求。
軸承：是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢的保證，軸承可以分為滑動軸承和滾動軸承，而滾動軸承又可以細(xì)分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類，而目前大多數(shù)的無刷電機(jī)都是采用深溝球軸承。
直流無刷電機(jī)的工作原理
直流無刷電機(jī)動力系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子、定子和位置傳感器三部分等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型
采用磁敏式位置傳感器的直流無刷電動機(jī)，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的直流無刷電動機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等)，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。
簡單而言，直流無刷電機(jī)就是依靠改變輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心全轉(zhuǎn)的磁場，這個(gè)磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?，電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。
總的來說，無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡單的，真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器（也就是電調(diào)），好的電調(diào)需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制，所以一般來說價(jià)格要比無刷電機(jī)高出很多。
首先給大家復(fù)習(xí)幾個(gè)基礎(chǔ)定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。別懵逼，我下面會給大家解釋。
左手定則，這個(gè)是電機(jī)轉(zhuǎn)動受力分析的基礎(chǔ)，簡單說就是磁場中的載流導(dǎo)體，會受到力的作用。
讓磁感線穿過手掌正面，手指方向?yàn)殡娏鞣较?，大拇指方向?yàn)楫a(chǎn)生磁力的方向，我相信喜歡玩模型的人都還有一定物理基礎(chǔ)的哈哈。
右手定則，這是產(chǎn)生感生電動勢的基礎(chǔ)，跟左手定則的相反，磁場中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動勢。
讓磁感線穿過掌心，大拇指方向?yàn)檫\(yùn)動方向，手指方向?yàn)楫a(chǎn)生的電動勢方向。為什么要講感生電動勢呢？不知道大家有沒有類似的經(jīng)歷，把電機(jī)的三相線合在一起，用手去轉(zhuǎn)動電機(jī)會發(fā)現(xiàn)阻力非常大，這就是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動電機(jī)過程中產(chǎn)生了感生電動勢，從而產(chǎn)生電流，磁場中電流流過導(dǎo)體又會產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動方向相反的力，大家就會感覺轉(zhuǎn)動有很大的阻力。不信可以試試。
三相線分開，電機(jī)可以輕松轉(zhuǎn)動
三相線合并，電機(jī)轉(zhuǎn)動阻力非常大
右手螺旋定則，用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。
這個(gè)定則是通電線圈判斷極性的基礎(chǔ)，紅色箭頭方向即為電流方向。
看完了三大定則，我們接下來先看看電機(jī)轉(zhuǎn)動的基本原理。
第一部分：直流電機(jī)模型
我們找到一個(gè)中學(xué)物理學(xué)過的直流電機(jī)的模型，通過磁回路分析法來進(jìn)行一個(gè)簡單的分析。
狀態(tài)1
當(dāng)兩頭的線圈通上電流時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B（如粗箭頭方向所示），而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致，以形成一個(gè)最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了。
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場方向與外部磁場方向垂直時(shí)，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動力矩最大。注意這里說的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠然，在轉(zhuǎn)子磁場與外部磁場方向一致時(shí)，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時(shí)轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，力臂為0，當(dāng)然也就不會轉(zhuǎn)動了。補(bǔ)充一句，力矩是力與力臂的乘積。其中一個(gè)為零，乘積就為零了。
當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，雖然不再受到轉(zhuǎn)動力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動，這時(shí)若改變兩頭螺線管的電流方向，如下圖所示，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動，
狀態(tài)2
如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會不停轉(zhuǎn)起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相。補(bǔ)充一句：何時(shí)換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，而與其他任何量無直接關(guān)系。
第二部分：三相二極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)
一般來說，定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最為常用，這里就用該模型來做個(gè)簡單分析。
上圖顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)子未畫出假想是個(gè)二極磁鐵），三個(gè)繞組通過中心的連接點(diǎn)以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個(gè)電機(jī)就引出三根線A, B, C。當(dāng)它們之間兩兩通電時(shí)，有6種情況，分別是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意這是有順序的。
下面我看第一階段：AB相通電
當(dāng)AB相通電，則A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如紅色箭頭所示，B極產(chǎn)生的磁感線方向如圖藍(lán)色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示，那么假設(shè)其中有一個(gè)二極磁鐵，則根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C，暫時(shí)沒他什么事。
第二階段：AC相通電
第三階段：BC相通電
第三階段：BA相通電
為了節(jié)省篇幅，我們就不一一描述CA\CB的模型，大家可以自己類推一下。以下為中間磁鐵（轉(zhuǎn)子）的狀態(tài)圖：
每個(gè)過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度
六個(gè)過程即完成了完整的轉(zhuǎn)動，其中6次換相。
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