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關(guān)于無(wú)刷電機(jī)最全的文章(下)

第三部分:三相多繞組多極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

      我們?cè)賮?lái)看一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)的,圖(a)是一個(gè)三相九繞組六極(三對(duì)極)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī),它的繞組連線方式見(jiàn)圖 (b)。從圖(b)可見(jiàn),其三相繞組也是在中間點(diǎn)連接在一起的,也屬于星形聯(lián)結(jié)方式。一般而言,電機(jī)的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的(比如用9繞組6極,而不是6繞組6極),這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸對(duì)齊。

 

其運(yùn)動(dòng)的原則是:轉(zhuǎn)子的N極與通電繞組的S極有對(duì)齊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),而轉(zhuǎn)子的S極與通電繞組的N極有對(duì)齊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

即為S與N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的區(qū)別。

好吧,還是再幫大家分析一下吧,

第一階段:AB相通電

 

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第二階段:AC相通電

 

第三階段:BC相通電

 

第四階段:BA通電

 

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第五階段:CA通電

第六階段:CB通電

 

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以上為六個(gè)不同的通電狀態(tài),其中經(jīng)歷了五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程。每個(gè)過(guò)程為20度。

 

第四部分:外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)

       看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu),我們來(lái)看外轉(zhuǎn)子的。其區(qū)別就在于,外轉(zhuǎn)子電機(jī)將原來(lái)處于中心位置的磁鋼做成一片片,貼到了外殼上,電機(jī)運(yùn)行時(shí),是整個(gè)外殼在轉(zhuǎn),而中間的線圈定子不動(dòng)。外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)較內(nèi)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大很多(因?yàn)檗D(zhuǎn)子的主要質(zhì)量都集中在外殼上),所以轉(zhuǎn)速較內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)要慢,通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運(yùn)用的無(wú)刷電機(jī)

       順便啰嗦一下吧。無(wú)刷電機(jī)KV值定義為:轉(zhuǎn)速/V,意思為輸入電壓每增加1伏特,無(wú)刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。比如說(shuō),標(biāo)稱值為1000KV的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī),在11伏的電壓條件下,最大空載轉(zhuǎn)速即為:11000rpm(rpm的含義是:轉(zhuǎn)/分鐘)。

同系列同外形尺寸的無(wú)刷電機(jī),根據(jù)繞線匝數(shù)的多少,會(huì)表現(xiàn)出不同的KV特性。繞線匝數(shù)多的,KV值低,最高輸出電流小,扭力大;繞線匝數(shù)少的,KV值高,最高輸出電流大,扭力小。我先前測(cè)試過(guò)穿越機(jī)2204電機(jī)的極限電流,單電機(jī)能彪上25A,而2212系列電機(jī)15A都上不了。

外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu):

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       分析方法也和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)類似,大家可以自己分析一下,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極與定子繞組的S極有對(duì)齊(吸引)的趨勢(shì),轉(zhuǎn)子永磁體的S極與定子繞組的N極有對(duì)齊(吸引)的趨勢(shì),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

 

圖為2212電機(jī)的(解剖圖)

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形成轉(zhuǎn)子,插入定子中間的軸承。

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圖為xxd2212線圈拆解圖

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圖為12繞組14極(即7對(duì)極),電機(jī)繞組繞發(fā)圖。

后面畫出了6種兩相通電的情形,可以看出,盡管繞組和磁極的數(shù)量可以有許多種變化,但從電調(diào)控制的角度看,其通電次序其實(shí)是相同的,也就是說(shuō),不管外轉(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)行通電換相。當(dāng)然,如果你想讓電機(jī)反轉(zhuǎn)的話,電子方法是按倒過(guò)來(lái)的次序通電;物理方法直接對(duì)調(diào)任意兩根線,假設(shè)A和B對(duì)調(diào),那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這里順序就完全倒過(guò)來(lái)了。

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AB相通電

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AC相通電

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BC相通電

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BA相通電

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CA相通電

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CB相通電

要說(shuō)明一下的是,由于每根引出線同時(shí)接入兩個(gè)繞組,所以電流是分兩路走的。這里為使問(wèn)題盡量簡(jiǎn)單化,下面幾個(gè)圖中只畫出了主要一路的電流方向,還有一路電流未畫出,另一路電流的具體情況放在后面進(jìn)行分析,涉及到電路檢測(cè)換相位置。

 


無(wú)刷電機(jī)中的專業(yè)名詞

 

額定電壓:也就是無(wú)刷電機(jī)適合的工作電壓,其實(shí)無(wú)刷電機(jī)適合的工作電壓非常廣,額定電壓是指定了負(fù)載條件而得出的情況。例如說(shuō),2212-850KV電機(jī)指定了1045螺旋槳的負(fù)載,其額定工作電壓就是11V。如果減小負(fù)載,例如帶7040螺旋槳,那這個(gè)電機(jī)完全可以工作在22V電壓下。但是這個(gè)工作電壓也不是無(wú)限上升的,主要受制于電子控制器支持的最高頻率。所以說(shuō),額定工作是由工作環(huán)境決定的。

KV值:有刷直流電機(jī)是根據(jù)額定工作電壓來(lái)標(biāo)注額定轉(zhuǎn)速的,無(wú)刷電機(jī)引入了KV值的概念,而讓用戶可以直觀的知道無(wú)刷電機(jī)在具體的工作電壓下的具體轉(zhuǎn)速。實(shí)際轉(zhuǎn)速=KV值*工作電壓,這就是KV的實(shí)際意義,就是在1V工作電壓下每分鐘的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電壓呈正比關(guān)系,電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電壓上升而線性上升。例如,2212-850KV電機(jī)在10V電壓下的轉(zhuǎn)速就是:850*10=8500RPM(RPM,每分鐘轉(zhuǎn)速)。

轉(zhuǎn)矩:(力矩、扭矩)電機(jī)中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的可以用來(lái)帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載的驅(qū)動(dòng)力矩,我們可以理解電機(jī)的力量。

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

最大電流:電機(jī)能夠承受并安全工作的最大電流

最大功率:電機(jī)能夠承受并安全工作的最大功率 功率=電壓*電流

無(wú)刷電機(jī)功率和效率

我們可以簡(jiǎn)單的理解為電機(jī)輸出功率=轉(zhuǎn)速*扭矩,在同等的功率下,轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是一個(gè)此消彼長(zhǎng)的關(guān)系,即同一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高,必定其轉(zhuǎn)矩越低,相反也依然。不可能要求個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也更高,轉(zhuǎn)矩也更高,這個(gè)規(guī)律通用于所有電機(jī)。例如:2212-850KV電機(jī),在11V的情況下可以帶動(dòng)1045槳,如果將電壓上升一倍,其轉(zhuǎn)速也提高一倍,如果此時(shí)負(fù)載仍然是1045槳,那該電機(jī)將很快因?yàn)殡娏骱蜏囟鹊募眲∩仙鵁龤А?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;" />
每個(gè)電機(jī)都有自己的力量上限,最大功率就是這個(gè)上限,如果工作情況超過(guò)了這個(gè)最大功率,就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)高溫?zé)龤?。?dāng)然,這個(gè)最大功率也是指定了工作電壓情況下得出的,如果是在更高的工作電壓下,合理的最大功率也將提高。這是因?yàn)椋篞=I2R,導(dǎo)體的發(fā)熱與電流的平方是正比關(guān)系,在更高的電壓下,如果是同樣的功率,電流將下降導(dǎo)致發(fā)熱減少,使得最大功率增加。這也解釋了為什么在專業(yè)的航拍飛行器上,大量使用22.2V甚至30V電池來(lái)驅(qū)動(dòng)多軸飛行器,高壓下的無(wú)刷電機(jī),電流小、發(fā)熱小、效率更高。

經(jīng)常有人問(wèn):2208 1000KV和2216 1000KV有什么不同,都是1000KV,不是都一樣嗎?呵呵,差別可大了。

在電機(jī)直徑、KV值都一樣的情況下,電機(jī)更高的電機(jī)自然功率越大,功率越大的電機(jī)自然能夠帶動(dòng)的負(fù)載越大。好比一個(gè)男人100斤,一個(gè)男人160斤,你讓他們?nèi)ケ骋淮?0斤的大米,100斤的男人雖然說(shuō)稍稍有點(diǎn)吃力但也能背,160斤的男人覺(jué)得是小菜。但,如果是讓他們背兩袋米呢?160斤的男人咬咬牙也背起來(lái)了,100斤的男人恐怕腰都直不起來(lái),這就是他們的差異。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō),工作越輕松,效率越高,利用前面的理論就是,鐵耗也低銅耗也低。
 

記住這個(gè)公式(劃重點(diǎn)):扭矩與電流的平方成正比
隨著電機(jī)工作的越來(lái)越累,它的效率會(huì)迅速的降低。所以說(shuō)選擇多軸電機(jī),必須選擇合適功率電機(jī)以及與他搭配的螺旋槳,讓電機(jī)工作在相對(duì)輕松的狀態(tài),一般來(lái)說(shuō)懸停時(shí)工作功率是最大功率的30-45%之間比較好。不可小牛拉大車,也不能大牛拉小車。

無(wú)刷電機(jī)電壓與效率的關(guān)系

先上兩個(gè)公式:
1、功率=電壓*電流
2、發(fā)熱量=電流的平方*電阻

由公式得出兩個(gè)結(jié)論:在同功率下,電壓越高電流越小,并推出:在同功率下,電壓越高發(fā)熱量越小。最后得出結(jié)論:同一個(gè)飛行器,使用的電壓越高,電流越小并且發(fā)熱越少,效率越高。

現(xiàn)在知道為什么高壓電線要上100KV甚至220KV、550KV(這個(gè)KV是千伏)的高電壓了吧。

當(dāng)然,飛行器是需要電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的,準(zhǔn)確的說(shuō)是鋰電池,鋰電池的片數(shù)自然取決于電池的大小,越大的電池自然能做的越高電壓。所以在電壓這方面,其實(shí)我們能做的并不多,因?yàn)槭袌?chǎng)上的電池很多都是系列化的,比如說(shuō)450這樣的機(jī)型,你可以去找450直升機(jī)的6S電池,但是價(jià)格很高,而且需要的電調(diào)價(jià)格也要高一些。所以在電壓這方面我們應(yīng)該做的就是:盡量避免大機(jī)型用低壓電池,那樣會(huì)造成工作電流相對(duì)高一些,從而銅耗較大。同時(shí),也要避免小型飛機(jī)用高壓電池,那樣電池的重量太大。


關(guān)于無(wú)刷電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)

磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度又稱同步轉(zhuǎn)速,它與三相電流的頻率和磁極對(duì)數(shù)p有關(guān)。若定子繞組,在任一時(shí)刻合成的磁場(chǎng)只有一對(duì)磁極(磁極對(duì)數(shù)p=1),即只有兩個(gè)磁極,對(duì)只有一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言,三相電流變化一周,合成磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)一周,如果是50hz的交流電,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速就是50轉(zhuǎn)/秒或3000轉(zhuǎn)/分,在工程技術(shù)中,常用轉(zhuǎn)/分(r/min)來(lái)表示轉(zhuǎn)速。 如果定子繞組合成的磁場(chǎng)有兩對(duì)磁極(磁極對(duì)數(shù)p=2),即有四個(gè)磁極,可以證明,電流變化一個(gè)周期,合成磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)180度,由此可以推廣得出:p對(duì)磁極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每分鐘的同步轉(zhuǎn)速為n=60f/p。

當(dāng)磁極對(duì)數(shù)一定時(shí),如果改變交流電的頻率,則可改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速,這就是變頻調(diào)速的基本原理。由于電機(jī)的磁極是成對(duì)出現(xiàn)的,所以也常用極對(duì)數(shù)表示。
 

關(guān)于無(wú)刷電機(jī)的磁鐵
 

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模界的無(wú)刷電機(jī)幾乎100%用的“磁王”——釹鐵硼磁鐵,用磁王來(lái)形容釹鐵硼磁鐵是當(dāng)之無(wú)愧的,釹鐵硼磁鐵是我們生活中常見(jiàn)的黑乎乎的鐵氧體磁鐵磁性的3倍!當(dāng)然了,價(jià)格更是鐵氧體磁鐵的10倍以上。無(wú)刷電機(jī)終歸屬于永磁電機(jī),而永磁電機(jī)的功率、特點(diǎn)等特性完全取決于磁鐵?;究梢哉f(shuō)吧,磁鐵的體積與牌號(hào)決定了電機(jī)的最大功率。


另外還有磁鐵形狀上的差異,如果拆開(kāi)一些廉價(jià)的電機(jī)你就會(huì)有一個(gè)發(fā)現(xiàn),絕大部分的磁鐵形狀都是方片行。方片形的磁鐵加工簡(jiǎn)單,價(jià)格相對(duì)便宜,自然成了追求成本電機(jī)的最佳選擇。而很多品牌電機(jī)選擇了弧形磁鐵,弧形可以保證磁鐵和硅鋼片的氣隙一直保持一致,似乎功率上和效率上都勝過(guò)了方形磁鐵一籌。但是,在拆開(kāi)一些電機(jī)也發(fā)現(xiàn)了被稱之為面包型的磁鐵,他們能夠和鐵殼完整的貼合在一起,和硅鋼片的距離卻是和方形磁鐵一樣,都不是一致的。關(guān)于這種磁鐵,在請(qǐng)教了一些業(yè)內(nèi)人士,他們確信這種磁鐵比弧形磁鐵效果還要更佳,在此不做結(jié)論。