無刷電機(jī)

1　背景資料

　　電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。近三十年來針對異步電動機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。

　　無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性，同時也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國際通用名詞為BLDC。無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、低速轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，所以值得業(yè)界關(guān)注。

　　無刷電機(jī)在我國的發(fā)展時間雖短，但是隨著技術(shù)的日益成熟與完善得到了迅猛發(fā)展。已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動車等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈。如深圳偉業(yè)電機(jī)、長沙科達(dá)等一批專業(yè)廠商，在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。近幾年來，無刷電機(jī)成為在模型領(lǐng)域里快速發(fā)展的一種動力。由于產(chǎn)量和價格的原因，過去幾年無刷電機(jī)多使用在中高檔航空模型中，現(xiàn)在由于機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展，無刷電機(jī)的生產(chǎn)成本下降許多，目前它正進(jìn)入模型領(lǐng)域的各個層面，從電動遙控車到電動遙控船再到電動模型飛機(jī)，無處不在。

　　無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)解析

　　結(jié)構(gòu)上，無刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反；有刷電機(jī)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(jī)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(jī)用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機(jī)（Brushlessmotor），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(jī)轉(zhuǎn)動呢？

　　無刷電機(jī)簡明運(yùn)行原理

　　簡單而言，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繞電機(jī)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(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?？偟膩碚f，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，好的電子調(diào)速器需要有單片機(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，所以價格要比有刷電機(jī)高出很多。

2　比較

　　有刷電機(jī)的缺點(diǎn)

　　模友們可能覺得奇怪，怎么一上來就挑有刷的毛病；呵呵，我把下面的缺點(diǎn)說出來，大家就知道有刷電機(jī)的毛病不小了。

　　1、摩擦大，損耗大

　　老模友們在以前玩有刷電機(jī)的時候都碰到這個問題，那就是使用電機(jī)一段時間以后，需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷，費(fèi)時費(fèi)力，維護(hù)強(qiáng)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(jī)的結(jié)構(gòu)原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機(jī)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(jī)性能下降，影響有刷電機(jī)的壽命。

　　3、效率低，輸出功率小

　　上面說到的有刷電機(jī)發(fā)熱問題，很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)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(jī)的輸出功率不大，效率也不高。

　　無刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

　　1、無電刷、低干擾

　　無刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)順暢

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

　　3、壽命長，低維護(hù)成本

　　少了電刷，無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了，從機(jī)械角度看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動機(jī)了，必要的時候，只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較，就知道無刷電機(jī)相對于有刷電機(jī)的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的，不過就無刷電機(jī)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(jìn)了模型運(yùn)動的發(fā)展。

3　具體區(qū)別

　　1、適用范圍：

　　無刷電機(jī)：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(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格，轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。

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

　　2、使用壽命：

　　無刷電機(jī)：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(jī)使用壽命也有很大不同。

　　碳刷電機(jī)：通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個小時，到達(dá)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(jī)：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強(qiáng)，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。

　　碳刷電機(jī)：舊碳刷電機(jī)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(jī)也能達(dá)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(jī)采用變頻技術(shù)控制的會比串激電機(jī)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(jī)需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機(jī)的損壞，而無刷電機(jī)，使用壽命很長，通常是有刷電機(jī)的10倍以上，但是壞了就需要更換電機(jī)，但日常維護(hù)基本不需要。

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

　　模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，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(biāo)--KV值，這個數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個重要數(shù)據(jù)。

4　解釋

　　KV值定義

　　無刷電機(jī)KV值定義為轉(zhuǎn)速/V，意思為輸入電壓增加1伏特，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。從這個定義來看，我們能知道，無刷電機(jī)電壓的輸入與電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是遵循嚴(yán)格的線性比例關(guān)系的。

　　KV值的意義

　　無刷電機(jī)的意義不只是說明電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓成嚴(yán)格的線性比例關(guān)系，還對于電機(jī)的性能有一個開闊性的表示。

　　用過無刷電機(jī)的朋友大都有這種感覺，同級別（外徑）的無刷電機(jī)，外轉(zhuǎn)子的和內(nèi)轉(zhuǎn)子的通電比較一下，會發(fā)覺外轉(zhuǎn)子電機(jī)扭力大一些，要“硬”一些，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)扭力稍微小一些，要“軟”一些，一看電機(jī)參數(shù)，外轉(zhuǎn)子電機(jī)KV值800多，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)1000多到2000多。再看一下轉(zhuǎn)速，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯高于外轉(zhuǎn)子電機(jī)。其實(shí)這些特性都與KV值有關(guān)，按照KV值的定義來解釋，無刷電機(jī)的空轉(zhuǎn)極速，是KV值乘以輸入的電壓，這也就解釋了內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速為什么高于外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)。

　　就扭力特性來看，KV值一定意義上體現(xiàn)了電機(jī)扭力性能，拿外轉(zhuǎn)子電機(jī)來說，電機(jī)的空載極速一般般，但是加上負(fù)載（例如螺旋槳）后，其極速降落到空載極速的60%-70%，但是拿同級別的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)來測試的話，其帶負(fù)載的轉(zhuǎn)速只能到其空載極速的30%-40%，這明顯體現(xiàn)出這兩種電機(jī)的扭力特性差別，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的帶負(fù)載的能力相對較低，為了滿足扭力做功，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)必需自行降速，增加通過電流，在電壓不變的情況下，這樣電機(jī)的輸出功率就增加了，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的這種扭力特性也體現(xiàn)在具體的應(yīng)用上，以前不少輕型泡沫固定翼飛機(jī)，最初都用的是內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，但是因?yàn)榕ちμ匦缘木壒剩w機(jī)螺旋槳并不是直接連接在電機(jī)上（非直驅(qū)），而是增加了一個減速齒輪組，為的就是改善內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的扭力性能。

　　同系列同外形尺寸的無刷電機(jī)，KV值也能區(qū)別電機(jī)的特性，比如B3674內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，一個KV值是1860，一個KV值是2075，那第一個電機(jī)的扭力就要大一些，峰值做工電流就相對小一些；第二個電機(jī)的技術(shù)高一些，但是扭力特性就比第一個電機(jī)要差，峰值電流就會更大一些。

　　無刷電機(jī)KV的意義，一定讓你受益匪淺

　　無刷電機(jī)的一些基本知識模型用無刷KV值低的有1-2千，高的到5-6千，他表示的是電壓每升高1伏，轉(zhuǎn)速增加的數(shù)值，對于無刷，這個值是個常量

　　對于同種尺寸規(guī)格的無刷來說：&

　　繞線匝數(shù)多的，KV值低，最高輸出電流小，但扭力大

　　繞線匝數(shù)少的，KV值高，最高輸出電流大，但扭力小

　　單從KV值，不可以評價電機(jī)的好壞，因?yàn)椴煌琄V值有不同的適用場合：

　　低電壓環(huán)境（7.4v）

　　KV值低的，由于轉(zhuǎn)速偏低，適合配較小的減速比和較大的螺旋槳，靠較大負(fù)荷來提升電流，輸出較大功率；

　　KV值高的，由于轉(zhuǎn)速較高，適合配較大的減速比和較小的螺旋槳，在滿足輸出功率的條件下，要減小負(fù)荷，避免電流過大；

　　高電壓環(huán)境（11.1v）

　　KV值低的，在這個電壓環(huán)境下可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，扭力也不錯，比較理想。需要配合較大的減速比和較小的螺旋槳，在滿足輸出功率的條件下，要減小負(fù)荷，避免電流過大；

　　KV值高的，在該環(huán)境中轉(zhuǎn)速過高，為避免電流過大，要盡量減少負(fù)荷。利用其高轉(zhuǎn)速，用于涵道風(fēng)扇發(fā)動機(jī)很適合。

　　7.4v和11.v只是舉例說明，是常用的小級別。無刷的電壓范圍很寬，性能驚人。

5　工作原理

　　模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，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(biāo)--KV值，這個數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個重要數(shù)據(jù)。

　　無刷直流電動機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)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(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。

　　無刷直流電動機(jī)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(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無刷直流電動機(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呻娐返龋┭b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(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，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，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）。