無刷電機

無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。

工作原理

無刷直流電動機是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。

無刷直流電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。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。 ［2］

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無刷直流電動機，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?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，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，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，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），當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，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）。

結(jié)構(gòu)解析

結(jié)構(gòu)上，無刷電機和有刷電機有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過和有刷電機的結(jié)構(gòu)相反；有刷電機的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，和動力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電機的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機（Brushless motor），那現(xiàn)在就有問題了，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機轉(zhuǎn)動呢？

簡單而言，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旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機就轉(zhuǎn)起來了，電機的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機的控制性能有很大關(guān)系，因為輸入的是直流電，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那里接收控制信號，控制電機的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。 總的來說，無刷電機的結(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，好的電子調(diào)速器需要有單片機控制程序設(shè)計、電路設(shè)計、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制，所以價格要比有刷電機高出很多。 ［1］

相關(guān)對比

有刷電機缺點

（1）摩擦大，損耗大

老模友們在以前玩有刷電機的時候都碰到這個問題，那就是使用電機一段時間以后，需要打開電機來清理電機的碳刷，費時費力，維護強度不亞于來一次家庭大掃除。

（2）發(fā)熱大，壽命短

由于有刷電機的結(jié)構(gòu)原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會退磁的，使電機性能下降，影響有刷電機的壽命。

（3）效率低，輸出功率小

上面說到的有刷電機發(fā)熱問題，很大程度是因為電流做功在電機內(nèi)部電阻上了，所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能，所以有刷電機的輸出功率不大，效率也不高。

無刷電機優(yōu)點

（1）無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設(shè)備的干擾。

（2）噪音低，運轉(zhuǎn)順暢

無刷電機沒有了電刷，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。

（3）壽命長，低維護成本

少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。上下一比較，就知道無刷電機相對于有刷電機的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點是無刷電機不可替代的，不過就無刷電機的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進了模型運動的發(fā)展。

其他區(qū)別

（1）適用范圍：

無刷電機：通常被使用在控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上，如航模，精密儀器儀表等對電機轉(zhuǎn)速控制嚴格，轉(zhuǎn)速達到很高的設(shè)備上。

碳刷電機：通常動力設(shè)備使用的都是有刷電機，如吹風機、工廠的電動機、家用的抽油煙機等等，另外串激電機的轉(zhuǎn)速也能達到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機。

（2）使用壽命：

無刷電機：通常使用壽命在幾萬小時這個數(shù)量級，但是由于軸承的不同無刷電機使用壽命也有很大不同。

碳刷電機：通常有刷電機的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個小時，到達使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損。

（3）使用效果：

無刷電機：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實現(xiàn)。

碳刷電機：舊碳刷電機一般啟動以后工作轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)速不是很容易，串激電機也能達到20000轉(zhuǎn)/分，但是使用壽命會比較短。

（4）節(jié)能方面：

相對而言，無刷電機采用變頻技術(shù)控制的會比串激電機節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。

（5）日后維修方面：

碳刷電機需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機的損壞，而無刷電機，使用壽命很長，通常是有刷電機的10倍以上，但是壞了就需要更換電機，但日常維護基本不需要。

（6）噪音方面與是否是有刷電機無關(guān)，主要是看軸承和電機內(nèi)部組件的配合情況。

（7）模型無刷電機的參數(shù)指標，除了外形尺寸（外徑、長度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個重要指標KV值，這個數(shù)值是無刷電機獨有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機性能特點的一個重要數(shù)據(jù)。

一、有刷馬達的原理

要講清這一問題，那就應(yīng)粗略地了解一下有刷馬達的工作原理。接下來用一個三電極、二磁極內(nèi)轉(zhuǎn)子有刷馬達作為演示。

二、無刷電機工作原理

首先，無刷電機不是直流電機，模型雖然是直流電池供電，但通過無刷電調(diào)之后就轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳嘟蛔冸娏鱾鬏數(shù)搅巳齻€極性上。通過下圖可以看出，無刷電機是沒有碳刷的，和有刷相反，無刷電機的磁鐵成了轉(zhuǎn)子~

三、無刷電機的命名

相對有刷電機，無刷電機的命名好理解很多，一般它由四個數(shù)字組成，例如2040無刷電機。這個數(shù)字僅代表電機的外形尺寸，2040表示直徑為20mm，長度為40mm的電機。同理3650無刷電機表示此電機直徑36mm，長度50mm。

其實370有刷電機的大小和2530無刷電機一樣，540電機的大小和3650無刷電機一樣。

四、無刷電機的特點

1、沒有碳刷，理論上轉(zhuǎn)子無需和外界有導(dǎo)體上的鏈接。

2、在運行過程中，無刷電機的轉(zhuǎn)速是靠交流電的頻率決定的，所以頻率越高無刷電機可以轉(zhuǎn)得越快。

3、無刷電機的轉(zhuǎn)速是嚴格按照KV值設(shè)定的，1000KV表示每一福特電機轉(zhuǎn)速加快1000轉(zhuǎn)。所以電壓為5V時，1000kv的無刷電機轉(zhuǎn)速5000rpm。

4、在運行過程中，同樣轉(zhuǎn)速電機的扭力是靠電調(diào)輸出的電流強度決定的，電流越大扭力越大。（理想狀態(tài)下，我們“聰明”的無刷電調(diào)會不斷“監(jiān)測”我們的電機是否需要更大的扭力，同時也會保證扭力不過剩，以免浪費表情）

五、外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機

上面無刷電機工作原理圖所示的是內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機，顧名思義，磁鐵在里邊。而外轉(zhuǎn)子無刷電機則相反，它的磁鐵“包”在外面。而A、B、C電極在里邊。這樣的設(shè)計可以讓電機的扭力更大，但轉(zhuǎn)速卻上不來。在模型中，一般外轉(zhuǎn)子無刷電機的KV值在2000以內(nèi)，而內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機則可以到8000-9000kv。因為這個原因，一般飛機上常見外轉(zhuǎn)子無刷電機，而模型車和模型船一般都使用內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機。

六、有感無刷和無感無刷

要說明這個問題首先要弄懂感是感的啥~，有感無刷中的感是指“霍爾傳感器”，那么什么是“霍爾”呢？霍爾是指的霍爾效應(yīng)，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。

那么我們?yōu)槭裁匆袘?yīng)這玩意？要說清這個問題就必須從無感無刷的一個缺點說起。剛才說了無刷電機的轉(zhuǎn)速是靠交流電頻率決定的，那么電調(diào)要想方設(shè)法弄明白目前電機的轉(zhuǎn)速以及當前電機的狀態(tài)。其實這對已經(jīng)正常運轉(zhuǎn)的電機來說很容易，但對于一個剛剛起步或者運行速度很慢的電機來說就顯得比較麻煩了（很難較準確的測出電機轉(zhuǎn)速的狀態(tài)），所以無感無刷電機會在低速時線性不好甚至可能會顫抖，而起步的扭力也難以強過同等級有刷電機。

但是人們發(fā)現(xiàn)無論什么運行狀態(tài)的無刷電機，它的霍爾效應(yīng)都是明顯的，所以通過霍爾效應(yīng)電調(diào)可以很容易的知道無論高速還是低速電機的運行狀態(tài)，從而解決了無感無刷電機的毛病！但就目前來看霍爾傳感器并不是廉價貨，所以有感無刷電機、電調(diào)的價格會比無感無刷貴上許多。

七、常見模型用有刷、無感無刷、有感無刷電機對比

有刷電機無感無刷有感無刷

轉(zhuǎn)換效率：低高高

電機輸出功率：低高高

起步扭力：好一般好

中高速扭力：一般好好

低速線性：較好一般好

中高速線性：好好好

最高速度（一般540電機）：常見2萬常見5萬常見5萬

易磨損程度：容易磨損不易磨損不易磨損

電機價格（540級）中檔100RMB最低120RMB最低200RMB

電調(diào)價格（540級）中檔平均120左右 最低200RMB最低300RMB