1 介紹

無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor，簡(jiǎn)稱BLDCM）由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。無(wú)刷電機(jī)是指無(wú)電刷和換向器（或集電環(huán)）的電機(jī)，又稱無(wú)換向器電機(jī)。這是模型中除了有刷電機(jī)以外用的最多的一種電機(jī)，無(wú)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)，與有刷電機(jī)相比，它將轉(zhuǎn)子和定子交換，即無(wú)刷電機(jī)中使用電樞繞組作為定子，使用釹鐵硼的永磁材料作為轉(zhuǎn)子，以霍爾傳感器取代碳刷換向器，性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)。具有高效率、低能耗、低噪音、超長(zhǎng)壽命、高可靠性、可伺服控制、無(wú)級(jí)變頻調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)則是比有刷的貴、不好維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航模、高速車模和船模。

不過(guò)，單個(gè)的無(wú)刷電機(jī)不是一套完整的動(dòng)力系統(tǒng)，無(wú)刷電機(jī)基本必須通過(guò)無(wú)刷控制器才能實(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(wú)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。

無(wú)刷電機(jī)的定子是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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)子則是黏貼了釹鐵硼磁鐵、在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)數(shù)還影響著電機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭力。

2 重要參數(shù)

2.1 額定電壓

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。

2.2 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 的物理意義，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)。KV 值與匝數(shù)是呈反比例關(guān)系的，例如2212-850KV，匝數(shù)是30T(15 圈)，那在28T 的情況下的KV 值是:850KV × 30T / 28T=910KV。

2.3 轉(zhuǎn)矩與轉(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，我們可以理解為電機(jī)的力量。

轉(zhuǎn)速: 電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速在同一個(gè)電機(jī)內(nèi)永遠(yuǎn)是一個(gè)此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，基本可以認(rèn)為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積是一個(gè)定數(shù)，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)?a href="http://www.asorrir.com/tags/電流/" target="_blank">電流和溫度的急劇上升而燒毀。

2.4 最大電流和最大功率

最大電流: 電機(jī)能夠承受并安全工作的最大電流。

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А?/p>

2.5 槽極結(jié)構(gòu)（N：槽數(shù)，P：極數(shù)）

鐵芯極數(shù)（槽數(shù))∶ 定子硅鋼片的槽數(shù)量。

磁鋼極數(shù)（極數(shù))∶ 轉(zhuǎn)子上磁鋼的數(shù)量。

模型常見(jiàn)的內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)有: 3N2P(有感電機(jī)常用)、12N4P(大部分內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī))模型常見(jiàn)的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)有:9N6P、9N12P、12N8P、12N10P、12N14P、18N16P、24N20P。

模型用內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)極數(shù)不高的原因: 目前內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)多用于減速使用，所以要求的轉(zhuǎn)速都比較高。電子轉(zhuǎn)速= 實(shí)際轉(zhuǎn)速 × 電機(jī)極對(duì)數(shù)，電子控制器支持的最高電子轉(zhuǎn)速往往都是一個(gè)定數(shù)，所以如果電機(jī)極對(duì)數(shù)太高的話，支持的最高電機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)下降，所以目前的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)極數(shù)都是4 以內(nèi)。

2.6 其他設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)需要的參數(shù)

定子電感：電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)的定子繞組兩端的電感。

定子電阻：在20℃ 下電動(dòng)機(jī)每相繞組的直流電阻。

反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：在規(guī)定條件下，電動(dòng)機(jī)繞組開(kāi)路時(shí)，單位轉(zhuǎn)速在電樞繞組中所產(chǎn)生的線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值。

3 直流無(wú)刷電機(jī)工作原理

在學(xué)習(xí)工作原理前我們先來(lái)學(xué)習(xí)一下安培定則，安培定則，也叫右手螺旋定則，是表示電流和電流激發(fā)磁場(chǎng)的磁感線方向間關(guān)系的定則。通電直導(dǎo)線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指指向就是磁感線的環(huán)繞方向；通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，讓四指指向電流的方向，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N 極，如下圖1所示。

圖1

我們知道在磁極中同名相吸，異名相斥，及N 極與S 極相互吸引，N 極與N 極和S 極與S 極相互排斥，下面我們來(lái)看看一個(gè)直流模型，如下圖2所示。

圖2

當(dāng)兩邊的線圈通上電后，由右手螺旋定則可知兩個(gè)線圈中將會(huì)產(chǎn)生方向向右的磁場(chǎng)，而中間的轉(zhuǎn)子會(huì)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，N 極與S 極相互吸引，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到如圖3所示的水平位置時(shí)轉(zhuǎn)子將不會(huì)受到作用力。

圖3

但是由于慣性的作用轉(zhuǎn)子將會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至水平位置時(shí)，交換兩個(gè)線圈中的電流方向，這時(shí)轉(zhuǎn)子就會(huì)繼續(xù)向順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)了。當(dāng)轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)至水平位置時(shí)，再次交換兩個(gè)線圈中的電流方向，這樣轉(zhuǎn)子就可以一直旋轉(zhuǎn)了。

有了上面的基礎(chǔ)，我們?cè)賮?lái)看下面的“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”。

圖4

在A 端上電源正極，在B 端接電源負(fù)極，那么可以在線圈A 和B 中可以產(chǎn)生如圖所示的磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度是矢量，所以由磁場(chǎng)BB 和BA 可以得到合成磁場(chǎng)B。此時(shí)轉(zhuǎn)子就會(huì)保持在圖中方向。

圖5

想要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就需要接入不同的電壓，我們來(lái)分析一下圖中的6 個(gè)過(guò)程。

1. 在A 端接入正電壓，B 端接入負(fù)電壓，C 端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)旋轉(zhuǎn)至圖中1 的位置。

2. 在1 的基礎(chǔ)上，C 端接入正電壓，B 端接入負(fù)電壓，A 端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從1 的位置旋轉(zhuǎn)至圖中2 的位置。

3. 在2 的基礎(chǔ)上，C 端接入正電壓，A 端接入負(fù)電壓，B 端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從2 的位置旋轉(zhuǎn)至圖中3 的位置。

4. 在3 的基礎(chǔ)上，B 端接入正電壓，A 端接入負(fù)電壓，C 端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從3 的位置旋轉(zhuǎn)至圖中4 的位置。

5. 在4 的基礎(chǔ)上，B 端接入正電壓，C 端接入負(fù)電壓，A 端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從4 的位置旋轉(zhuǎn)至圖中5 的位置。

6. 在5 的基礎(chǔ)上，A 端接入正電壓，C 端接入負(fù)電壓，B 端懸空，轉(zhuǎn)子將會(huì)從5 的位置旋轉(zhuǎn)至圖中6 的位置。

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到位置6 時(shí)，在重復(fù)1 的供電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子將會(huì)從6 的位置旋轉(zhuǎn)到1 的位置。在經(jīng)過(guò)上面的6 個(gè)過(guò)程后轉(zhuǎn)子正好轉(zhuǎn)了一圈，我們將這種驅(qū)動(dòng)方法稱為6 拍工作方式，每次電壓的變化稱為換相。想要電機(jī)持續(xù)的旋轉(zhuǎn)我們只要按上面轉(zhuǎn)子相應(yīng)的位置接入相應(yīng)的電壓即可。

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