無刷電機工作原理
電磁學基本知識
左手定則
用於判斷導線在磁場中受力的方向:伸開左手,使拇指與其他四指垂直且在一個平面內,讓磁感線從手心流入,四指指向電流方向,大拇指指向的就是安培力方向(即導體受力方向)。

右手定則
用於判斷在磁場中運動的導體產生的電流方向:伸開右手,使大拇指跟其余四個手指垂直並且都跟手掌在一個平面內,把右手放入磁場中,讓磁感線垂直穿入手心,大拇指指向導體運動方向,則其余四指指向感生電動勢的方向。也就是切割磁感線的導體會產生反電動勢,實際上通過反電動勢定位轉子位置也是普通無感電調工作的基礎原理之一。

右手螺旋定則(安培定則)
用於判斷通電線圈的磁場極性:用右手握螺線管,讓四指彎向螺線管中電流方向,大拇指所指的那端就是螺線管的N極。
直線電流的磁場的話,大拇指指向電流方向,另外四指彎曲指的方向為磁感線的方向。


第一部分:直流電機模型


第二部分:三相二極內轉子電機








而這個換向的操作,就是需要驅動器去完成的。這也是無刷電機和有刷電機最大的區別,即不像有刷電機的機械換向,無刷電機是通過電子換向來驅動轉子不斷地轉動,電機的電壓和KV值決定了電機轉速,而電機的轉速就決定了換向的頻率。
第三部分:三相多繞組多極內轉子電機








第四部分:外轉子無刷直流電機










無刷電機中的專業知識點
參考:http://www.5imx.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1233271&_dsign=d02932a0
《EMAX銀燕:一篇文章帶你全面了解無刷電機》
無刷電機的基本概念
根據電機的結構和工作原理,我們可以將電機分為有刷電機、內轉子無刷電機和外轉子無刷電機。
有刷電機:我們也稱為直流電機或者碳刷電機,是歷史最悠久的電機類型,也是目前數量最多的電機類型。電機工作時,線圈和換向器旋轉,磁鋼和碳刷不轉,線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。這種電機具有造價相對較低、扭力高、結構簡單、易維護等優點。不過由於結構限制,所以缺點也比較明顯:1、機械換向產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、結構復雜、可靠性差、故障多,需要經常維護。3、由於換向器存在,限制了轉子慣量的進一步下降,影響了動態性能。所以在模界主要應用於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。
無刷電機:這是模界中除了有刷電機以外用的最多的一種電機,無刷直流電機不使用機械的電刷裝置,采用方波自控式永磁同步電機,以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉子的永磁材料,性能上相較一般的傳統直流電機有很大優勢。具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調速等優點,至於缺點嘛……就是比有刷的貴、不好維護,廣泛應用於航模、高速車模和船模。
無刷電機的結構
磁鐵:是安裝在轉子上,是無刷電機的重要組成部分,無刷電機的絕大部分性能參數都與磁鐵相關,包括功率、轉速、扭矩等。硅鋼片:是有槽無刷電機的重要組成部分,當然,無槽無刷電機是沒有硅鋼片的,但是目前絕大多數的無刷電機都是有槽的。它在整個系統中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運轉。轉軸:是電機轉子的直接受力部分,轉軸的硬度必須能滿足轉子高速旋轉的要求。軸承:是電機運轉順暢的保證,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,而目前大多數的無刷電機都是采用深溝球軸承。
直流無刷電機的工作原理

直流無刷電機動力系統由轉子、定子和位置傳感器三部分等組成。位置傳感按轉子位置的變化,沿着一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置,並在確定的位置處產生位置傳感信號,經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路,按一定的邏輯關系進行繞組電流切換)。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,其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的直流無刷電動機,在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉子上裝有遮光板,光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時,由於遮光板的作用,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,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、LC諧振電路等),當永磁體轉子位置發生變化時,電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。

簡單而言,直流無刷電機就是依靠改變輸入到無刷電機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繞電機幾何軸心全轉的磁場,這個磁場驅動轉子上的永磁磁鋼轉動,電機就轉起來了,電機的性能和磁鋼數量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關,更與無刷電機的控制性能有很大關系,因為輸入的是直流電,電流需要電子調速器將其變成3相交流電,還需要從遙控器接收機那里接收控制信號,控制電機的轉速,以滿足模型使用需要。
總的來說,無刷電機的結構是比較簡單的,真正決定其使用性能的還是無刷電子調速器(也就是電調),好的電調需要有單片機控制程序設計、電路設計、復雜加工工藝等過程的總體控制,所以一般來說價格要比無刷電機高出很多。
無刷電機中的專業名詞
額定電壓:也就是無刷電機適合的工作電壓,其實無刷電機適合的工作電壓非常廣,額定電壓是指定了負載條件而得出的情況。例如說,2212-850KV電機指定了1045螺旋槳的負載,其額定工作電壓就是11V。如果減小負載,例如帶7040螺旋槳,那這個電機完全可以工作在22V電壓下。但是這個工作電壓也不是無限上升的,主要受制於電子控制器支持的最高頻率。所以說,額定工作是由工作環境決定的。
KV值:有刷直流電機是根據額定工作電壓來標注額定轉速的,無刷電機引入了KV值的概念,而讓用戶可以直觀的知道無刷電機在具體的工作電壓下的具體轉速。實際轉速=KV值*工作電壓,這就是KV的實際意義,就是在1V工作電壓下每分鍾的轉速。無刷直流電機的轉速與電壓呈正比關系,電機的轉速會隨着電壓上升而線性上升。例如,2212-850KV電機在10V電壓下的轉速就是:850*10=8500RPM(RPM,每分鍾轉速)。
轉矩:(力矩、扭矩)電機中轉子產生的可以用來帶動機械負載的驅動力矩,我們可以理解電機的力量。
轉速:電機每分鍾的轉速,一般用RPM表示。
最大電流:電機能夠承受並安全工作的最大電流
最大功率:電機能夠承受並安全工作的最大功率 功率=電壓*電流
無刷電機功率和效率
我們可以簡單的理解為電機輸出功率=轉速*扭矩,在同等的功率下,轉矩和轉速是一個此消彼長的關系,即同一個電機的轉速越高,必定其轉矩越低,相反也依然。不可能要求個電機的轉速也更高,轉矩也更高,這個規律通用於所有電機。例如:2212-850KV電機,在11V的情況下可以帶動1045槳,如果將電壓上升一倍,其轉速也提高一倍,如果此時負載仍然是1045槳,那該電機將很快因為電流和溫度的急劇上升而燒毀。每個電機都有自己的力量上限,最大功率就是這個上限,如果工作情況超過了這個最大功率,就會導致電機高溫燒毀。當然,這個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。這是因為:Q=I2R,導體的發熱與電流的平方是正比關系,在更高的電壓下,如果是同樣的功率,電流將下降導致發熱減少,使得最大功率增加。這也解釋了為什么在專業的航拍飛行器上,大量使用22.2V甚至30V電池來驅動多軸飛行器,高壓下的無刷電機,電流小、發熱小、效率更高。
經常有人問:2208 1000KV和2216 1000KV有什么不同,都是1000KV,不是都一樣嗎?差別可大了。
在電機直徑、KV值都一樣的情況下,電機更高的電機自然功率越大,功率越大的電機自然能夠帶動的負載越大。好比一個男人100斤,一個男人160斤,你讓他們去背一袋50斤的大米,100斤的男人雖然說稍稍有點吃力但也能背,160斤的男人覺得是小菜。但,如果是讓他們背兩袋米呢?160斤的男人咬咬牙也背起來了,100斤的男人恐怕腰都直不起來,這就是他們的差異。對於電機來說,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。
記住這個公式(划重點):扭矩與電流的平方成正比
隨着電機工作的越來越累,它的效率會迅速的降低。所以說選擇多軸電機,必須選擇合適功率電機以及與他搭配的螺旋槳,讓電機工作在相對輕松的狀態,一般來說懸停時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。
無刷電機電壓與效率的關系
先上兩個公式:
1、功率=電壓*電流
2、發熱量=電流的平方*電阻
由公式得出兩個結論:在同功率下,電壓越高電流越小,並推出:在同功率下,電壓越高發熱量越小。最后得出結論:同一個飛行器,使用的電壓越高,電流越小並且發熱越少,效率越高。
現在知道為什么高壓電線要上100KV甚至220KV、550KV(這個KV是千伏)的高電壓了吧。
當然,飛行器是需要電池進行驅動的,准確的說是鋰電池,鋰電池的片數自然取決於電池的大小,越大的電池自然能做的越高電壓。所以在電壓這方面,其實我們能做的並不多,因為市場上的電池很多都是系列化的,比如說450這樣的機型,你可以去找450直升機的6S電池,但是價格很高,而且需要的電調價格也要高一些。所以在電壓這方面我們應該做的就是:盡量避免大機型用低壓電池,那樣會造成工作電流相對高一些,從而銅耗較大。同時,也要避免小型飛機用高壓電池,那樣電池的重量太大。
關於無刷電機的磁極對數
磁場的旋轉速度又稱同步轉速,它與三相電流的頻率和磁極對數p有關。若定子繞組,在任一時刻合成的磁場只有一對磁極(磁極對數p=1),即只有兩個磁極,對只有一對磁極的旋轉磁場而言,三相電流變化一周,合成磁場也隨之旋轉一周,如果是50hz的交流電,旋轉磁場的同步轉速就是50轉/秒或3000轉/分,在工程技術中,常用轉/分(r/min)來表示轉速。 如果定子繞組合成的磁場有兩對磁極(磁極對數p=2),即有四個磁極,可以證明,電流變化一個周期,合成磁場在空間旋轉180度,由此可以推廣得出:p對磁極旋轉磁場每分鍾的同步轉速為n=60f/p。
當磁極對數一定時,如果改變交流電的頻率,則可改變旋轉磁場的同步轉速,這就是變頻調速的基本原理。由於電機的磁極是成對出現的,所以也常用極對數表示。
關於無刷電機的磁鐵

不過還有一種情況采用方形磁鐵其實也是可以的,在多槽數多極數的無刷電機(比如說36槽42極電機),基本都是采用了方形磁鐵,這是因為鐵殼直徑很大,方形磁鐵也能很好的和鐵殼粘合,並且和硅鋼片的氣隙也很均勻。
關於無刷電機的硅鋼片

其實初中讀電磁學的時候,我經常想的問題是,電機為什么需要硅鋼片呢?不是說通電的導體在磁場中就能產生作用嗎?那為什么還需要硅鋼片呢。后來我想了很久很久終於得出一個結論,那就是搞設計的人不會比你傻!
空氣是弱導磁的,但鐵是導磁的,硅鋼片的作用就是把磁鐵的磁路引導過來並形成回路,這就需要電機磁阻(大家把它等同理解為電阻即可)比較小。但是大家都看見了,為什么定子上面怎么都是一片一片構成的呢?
大家知道電磁爐的原理嗎?為什么鐵鍋放上電磁爐上面就會發熱?其實這就是因為-----類似於鐵的材料放在快速變化的電磁場中(大家想想交流電吧,那個電是瞬間飛來飛去,不像直流電永遠是正極到負極)會產生渦流損耗而發熱,並且頻率越高發熱量越大。硅鋼片處在電機的旋轉磁場當中,就是和那放在電磁爐上的鐵鍋一樣遇到了同樣的問題,解決的辦法就是往鋼里添加硅並且做成薄片,理論上越薄的硅鋼片產生的渦流損耗就越小。
所以大家是不是明白了普通的固定翼電機大都是比較厚的0.35MM硅鋼片,而直升機和涵道機電機大都是用0.2MM硅鋼片的原因呢?電機轉速越快,磁場變化越快,那渦流損耗就越大。現在大多數的多軸電機都使用了0.2MM單片的硅鋼片,這樣做成的電機鐵耗就會更低。
相關小知識:為什么高KV電機在全油門空轉的情況下下會發熱很厲害呢?
答案是:產生熱量的不是銅線,因為此時通過的電流很小。產生熱量的正是渦流損耗和磁滯損耗,因為此時電機完全空載,轉速比較高,渦流損耗大,而所有的損耗最后都變成了熱量。
關於無刷電機使用與保養
直流無刷電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品,並在多個領域中都得到廣泛的應用。用戶在使用直流無刷電機時有一些問題也是需要注意的,那么具體使用直流無刷電機要注意什么呢?
(1)在拆卸前,要用壓縮空氣吹凈電機表面灰塵,並將表面污垢擦拭干凈。
(2)選擇電機解體的工作地點,清理現場環境。
(3)熟悉電機結構特點和檢修技術要求。
(4)准備好解體所需工具(包括專用工具)和設備。
(5)為了進一步了解電機運行中的缺陷,有條件時可在拆卸前做一次檢查試驗。為此,將電機帶上負載試轉,詳細檢查電機各部分溫度、聲音、振動等情況,並測試電壓、電流、轉速等,然后再斷開負載,單獨做一次空載檢查試驗,測出空載電流和空載損耗,做好記錄。
(6)切斷電源 ,拆除電機外部接線,做好記錄。
(7)選用合適電壓的兆歐表測試電機絕緣電阻 。為了跟上次檢修時所測的絕緣電阻值相比較以判斷電機絕緣變化趨勢和絕緣狀態,應將不同溫度下測出的絕緣電阻值換算到同一溫度,一般換算至75℃。
(8)測試吸收比K。當吸收比大於1.33時,表明電機絕緣不曾受潮或受潮程度不嚴重。為了跟以前數據進行比較,同樣要將任意溫度下測得的吸收比換算到同一溫度。
參考:
https://bbs.dji.com/thread-74728-1-1.html,作者:少帥-Z
https://zhuanlan.zhihu.com/p/72091265
https://zhuanlan.zhihu.com/p/147659820
《現代電機控制技術》-王成元
《小型交流伺服電機控制電路設計》-石島勝
http://www.5imx.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1233271&_dsign=d02932a0
《EMAX銀燕:一篇文章帶你全面了解無刷電機》