最全講解 | 無刷電機(jī)工作及控制原理

本文分享了無刷電機(jī)工作原理的相關(guān)知識，只要有高一物理知識的朋友就能夠看得懂，希望有興趣的朋友耐心往下看，相互學(xué)習(xí)~

基礎(chǔ)定則回顧

首先給大家復(fù)習(xí)幾個基礎(chǔ)定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。

?左手定則

這個是電機(jī)轉(zhuǎn)動受力分析的基礎(chǔ)，簡單說就是磁場中的載流導(dǎo)體，會受到力的作用。讓磁感線穿過手掌正面，手指方向為電流方向，大拇指方向為產(chǎn)生磁力的方向。

左手定則示意圖

?右手定則

這是產(chǎn)生感生電動勢的基礎(chǔ)，跟左手定則的相反，磁場中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動勢。讓磁感線穿過掌心，大拇指方向為運(yùn)動方向，手指方向為產(chǎn)生的電動勢方向。

右手定則示意圖

為什么要講感生電動勢呢？不知道大家有沒有類似的經(jīng)歷，把電機(jī)的三相線合在一起，用手去轉(zhuǎn)動電機(jī)會發(fā)現(xiàn)阻力非常大，這就是因為在轉(zhuǎn)動電機(jī)過程中產(chǎn)生了感生電動勢，從而產(chǎn)生電流，磁場中電流流過導(dǎo)體又會產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動方向相反的力，大家就會感覺轉(zhuǎn)動有很大的阻力。不信可以試試。

三相線分開，電機(jī)可以輕松轉(zhuǎn)動

三相線合并，電機(jī)轉(zhuǎn)動阻力非常大

?右手螺旋定則

用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。這個定則是通電線圈判斷極性的基礎(chǔ)，紅色箭頭方向即為電流方向。

右手螺旋定則示意圖

看完了三大定則，我們接下來先看看電機(jī)轉(zhuǎn)動的基本原理。

直流電機(jī)模型

我們找到一個中學(xué)物理學(xué)過的直流電機(jī)的模型，通過磁回路分析法來進(jìn)行一個簡單的分析。

圖1 直流電機(jī)-狀態(tài)一

如圖1所示，當(dāng)兩頭的線圈通上電流時，根據(jù)右手螺旋定則，會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B（如粗箭頭方向所示）；而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致，以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時針方向旋轉(zhuǎn)了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場方向與外部磁場方向垂直時，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動力矩最大。注意這里說的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠然，在轉(zhuǎn)子磁場與外部磁場方向一致時，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，力臂為0，當(dāng)然也就不會轉(zhuǎn)動了。補(bǔ)充一句，力矩是力與力臂的乘積。其中一個為零，乘積就為零了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時，雖然不再受到轉(zhuǎn)動力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，這時若改變兩頭螺線管的電流方向，如圖2所示，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時針向前轉(zhuǎn)動。

圖2 直流電機(jī)-狀態(tài)二

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會不停轉(zhuǎn)起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相。補(bǔ)充一句：何時換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，而與其他任何量無直接關(guān)系。

三相二級內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

一般來說，定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最為常用，這里就用該模型來做個簡單分析。

圖3 三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式

圖3顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)子未畫出假想是個二極磁鐵），三個繞組通過中心的連接點(diǎn)以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個電機(jī)就引出三根線A、B、C。當(dāng)它們之間兩兩通電時，有6種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB。注意這是有順序的。

圖4 第一階段：AB相通電情形

如圖4所示，當(dāng)AB相通電，則A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如紅色箭頭所示，B極產(chǎn)生的磁感線方向如藍(lán)色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示。假設(shè)其中有一個二極磁鐵，根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”，則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C，暫時沒它什么事。

圖5 第二、三、四階段

為了節(jié)省篇幅，我們就不一一描述CA、CB的模型，大家可以自己類推一下。以下為中間磁鐵（轉(zhuǎn)子）的狀態(tài)圖，如圖6所示。

圖6 中間磁鐵（轉(zhuǎn)子）狀態(tài)圖

每個過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度，如圖7所示。

圖7

六個過程即完成了完整的轉(zhuǎn)動，其中6次換相。

三相多繞組多級內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

我們再來看一個復(fù)雜點(diǎn)的。圖8(a)是一個三相九繞組六極（三對極）內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，它的繞組連線方式見圖8(b)。從圖8(b)可見，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)子的磁鋼相吸對齊。

圖8 三相九繞組六極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

其運(yùn)動的原則是：轉(zhuǎn)子的N極與通電繞組的S極有對齊的運(yùn)動趨勢，而轉(zhuǎn)子的S極與通電繞組的N極有對齊的運(yùn)動趨勢。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。

圖9 六種通電狀態(tài)

圖9為六個不同的通電狀態(tài)。其中經(jīng)歷了五個轉(zhuǎn)動過程，每個過程為20度，如圖10 所示。

圖10 轉(zhuǎn)動過程

外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)

看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，我們再來看外轉(zhuǎn)子的。其區(qū)別就在于，外轉(zhuǎn)子電機(jī)將原來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，是整個外殼在轉(zhuǎn)，而中間的線圈定子不動。

外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)較內(nèi)轉(zhuǎn)子來說，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量要大很多（因為轉(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)用的無刷電機(jī)。

無刷電機(jī)KV值定義為：轉(zhuǎn)速/V，意思為輸入電壓每增加1伏特，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。比如說，標(biāo)稱值為1000KV的外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，在11V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刷電機(jī)，根據(jù)繞線匝數(shù)的多少，會表現(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。我先前測試過穿越機(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。

圖11 外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

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極有對齊（吸引）的趨勢，轉(zhuǎn)子永磁體的S極與定子繞組的N極有對齊（吸引）的趨勢，從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

?經(jīng)典無刷電機(jī)2212 1000KV電機(jī)結(jié)構(gòu)分析

圖12 DJI 2312S電機(jī)(左)和XXD 2212電機(jī)(右)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。

圖13 XXD 2212線圈拆解圖

圖14 12繞組14極(7對極)電機(jī)繞組繞法

如圖15所示，畫出了6種兩相通電的情形?？梢钥闯觯M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，其通電次序其實是相同的，也就是說，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，電子方法是按倒過來的次序通電;物理方法直接對調(diào)任意兩根線，假設(shè)A和B對調(diào)，那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有沒有發(fā)現(xiàn)這里順序就完全倒過來了。

圖15

要說明一下的是，由于每根引出線同時接入兩個繞組，所以電流是分兩路走的。這里為使問題盡量簡單化，圖中只畫出了主要一路的電流方向，還有一路電流未畫出。另一路電流涉及到電路檢測換相位置。

來源：大疆社區(qū)