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                              关于无刷电机最全的文章(下)

                              第三部分:三相多绕组多极内转子电机

                                    我们再来看一个复杂点的,图(a)是一个三相九绕组六极(三对极)内转子电机,它的绕组连线方式见图 (b)。从图(b)可见,其三相绕组也是在中间点连接在一起的,也属于星形联结方式。一般而言,电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的(比如用9绕组6极,而不是6绕组6极),这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸对齐。

                               

                              其运动的原则是:转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势,而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。

                              即为S与N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的区别。

                              好吧,还是再帮大家分析一下吧,

                              第一阶段:AB相通电

                               

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                              第二阶段:AC相通电

                               

                              第三阶段:BC相通电

                               

                              第四阶段:BA通电

                               

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                              第五阶段:CA通电

                              第六阶段:CB通电

                               

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                              以上为六个不同的通电状态,其中经历了五个转动过程。每个过程为20度。

                               

                              第四部分:外转子无刷直流电机

                                     看完了内转子无刷直流电机的结构,我们来看外转子的。其区别就在于,外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片,贴到了外壳上,电机运行时,是整个外壳在转,而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说,转子的转动惯量要大很多(因为转子的主要质量都集中在外壳上),所以转速较内转子电机要慢,通常KV值在几百到几千之间。也是航模主要运用的无刷电机

                                     顺便啰嗦一下吧。无刷电机KV值定义为:转速/V,意思为输入电压每增加1伏特,无刷电机空转转速增加的转速值。比如说,标称值为1000KV的外转子无刷电机,在11伏的电压条件下,最大空载转速即为:11000rpm(rpm的含义是:转/分钟)。

                              同系列同外形尺寸的无刷电机,根据绕线匝数的多少,会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,扭力大;绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,扭力小。我先前测试过穿越机2204电机的极限电流,单电机能彪上25A,而2212系列电机15A都上不了。

                              外转子无刷直流电机的结构:

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                                     分析方法也和内转子电机类似,大家可以自己分析一下,根据右手螺旋定理判断线圈的N/S极,转子永磁体的N极与定子绕组的S极有对齐(吸引)的趋势,转子永磁体的S极与定子绕组的N极有对齐(吸引)的趋势,从而驱动电机转动。

                                     经典无刷电机2212 1000kv电机结构分析。

                               

                              图为2212电机的(解剖图)

                              其结构如下:定子绕组固定在底座上,转轴和外壳固定在一起形成转子,插入定子中间的轴承。

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                              图为xxd2212线圈拆解图

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                              图为12绕组14极(即7对极),电机绕组绕发图。

                              后面画出了6种两相通电的情形,可以看出,尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化,但从电调控制的角度看,其通电次序其实是相同的,也就是说,不管外转子还是内转子电机,都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。当然,如果你想让电机反转的话,电子方法是按倒过来的次序通电;物理方法直接对调任意两根线,假设A和B对调,那么顺序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有没有发现这里顺序就完全倒过来了。

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                              AB相通电

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                              AC相通电

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                              BC相通电

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                              BA相通电

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                              CA相通电

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                              CB相通电

                              要说明一下的是,由于每根引出线同时接入两个绕组,所以电流是分两路走的。这里为使问题尽量简单化,下面几个图中只画出了主要一路的电流方向,还有一路电流未画出,另一路电流的具体情况放在后面进行分析,涉及到电路检测换相位置。

                               


                              无刷电机中的专业名词

                               

                              额定电压:也就是无刷电机适合的工作电压,其实无刷电机适合的工作电压非常广,额定电压是指定了负载条件而得出的情况。例如说,2212-850KV电机指定了1045螺旋桨的负载,其额定工作电压就是11V。如果减小负载,例如带7040螺旋桨,那这个电机完全可以工作在22V电压下。但是这个工作电压也不是无限上升的,主要受制于电子控制器支持的最高频率。所以说,额定工作是由工作环境决定的。

                              KV值:有刷直流电机是根据额定工作电压来标注额定转速的,无刷电机引入了KV值的概念,而让用户可以直观的知道无刷电机在具体的工作电压下的具体转速。实际转速=KV值*工作电压,这就是KV的实际意义,就是在1V工作电压下每分钟的转速。无刷直流电机的转速与电压呈正比关系,电机的转速会随着电压上升而线性上升。例如,2212-850KV电机在10V电压下的转速就是:850*10=8500RPM(RPM,每分钟转速)。

                              转矩:(力矩、扭矩)电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩,我们可以理解电机的力量。

                              转速:电机每分钟的转速,一般用RPM表示。 

                              最大电流:电机能够承受并安全工作的最大电流

                              最大功率:电机能够承受并安全工作的最大功率 功率=电压*电流

                              无刷电机功率和效率

                              我们可以简单的理解为电机输出功率=转速*扭矩,在同等的功率下,转矩和转速是一个此消彼长的关系,即同一个电机的转速越高,必定其转矩越低,相反也依然。不可能要求个电机的转速也更高,转矩也更高,这个规律通用于所有电机。例如:2212-850KV电机,在11V的情况下可以带动1045桨,如果将电压上升一倍,其转速也提高一倍,如果此时负载仍然是1045桨,那该电机将很快因为电流和温度的急剧上升而烧毁。

                              每个电机都有自己的力量上限,最大功率就是这个上限,如果工作情况超过了这个最大功率,就会导致电机高温烧毁。当然,这个最大功率也是指定了工作电压情况下得出的,如果是在更高的工作电压下,合理的最大功率也将提高。这是因为:Q=I2R,导体的发热与电流的平方是正比关系,在更高的电压下,如果是同样的功率,电流将下降导致发热减少,使得最大功率增加。这也解释了为什么在专业的航拍飞行器上,大量使用22.2V甚至30V电池来驱动多轴飞行器,高压下的无刷电机,电流小、发热小、效率更高。

                              经常有人问:2208 1000KV和2216 1000KV有什么不同,都是1000KV,不是都一样吗?呵呵,差别可大了。

                              在电机直径、KV值都一样的情况下,电机更高的电机自然功率越大,功率越大的电机自然能够带动的负载越大。好比一个男人100斤,一个男人160斤,你让他们去背一袋50斤的大米,100斤的男人虽然说稍稍有点吃力但也能背,160斤的男人觉得是小菜。但,如果是让他们背两袋米呢?160斤的男人咬咬牙也背起来了,100斤的男人恐怕腰都直不起来,这就是他们的差异。对于电机来说,工作越轻松,效率越高,利用前面的理论就是,铁耗也低铜耗也低。
                               

                              记住这个公式(划重点):扭矩与电流的平方成正比
                              随着电机工作的越来越累,它的效率会迅速的降低。所以说选择多轴电机,必须选择合适功率电机以及与他搭配的螺旋桨,让电机工作在相对轻松的状态,一般来说悬停时工作功率是最大功率的30-45%之间比较好。不可小牛拉大车,也不能大牛拉小车。

                              无刷电机电压与效率的关系

                              先上两个公式:
                              1、功率=电压*电流
                              2、发热量=电流的平方*电阻

                              由公式得出两个结论:在同功率下,电压越高电流越小,并推出:在同功率下,电压越高发热量越小。最后得出结论:同一个飞行器,使用的电压越高,电流越小并且发热越少,效率越高。

                              现在知道为什么高压电线要上100KV甚至220KV、550KV(这个KV是千伏)的高电压了吧。

                              当然,飞行器是需要电池进行驱动的,准确的说是锂电池,锂电池的片数自然取决于电池的大小,越大的电池自然能做的越高电压。所以在电压这方面,其实我们能做的并不多,因为市场上的电池很多都是系列化的,比如说450这样的机型,你可以去找450直升机的6S电池,但是价格很高,而且需要的电调价格也要高一些。所以在电压这方面我们应该做的就是:尽量避免大机型用低压电池,那样会造成工作电流相对高一些,从而铜耗较大。同时,也要避免小型飞机用高压电池,那样电池的重量太大。


                              关于无刷电机的磁极对数

                              磁场的旋转速度又称同步转速,它与三相电流的频率和磁极对数p有关。若定子绕组,在任一时刻合成的磁场只有一对磁极(磁极对数p=1),即只有两个磁极,对只有一对磁极的旋转磁场而言,三相电流变化一周,合成磁场也随之旋转一周,如果是50hz的交流电,旋转磁场的同步转速就是50转/秒或3000转/分,在工程技术中,常用转/分(r/min)来表示转速。 如果定子绕组合成的磁场有两对磁极(磁极对数p=2),即有四个磁极,可以证明,电流变化一个周期,合成磁场在空间旋转180度,由此可以推广得出:p对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为n=60f/p。

                              当磁极对数一定时,如果改变交流电的频率,则可改变旋转磁场的同步转速,这就是变频调速的基本原理。由于电机的磁极是成对出现的,所以也常用极对数表示。
                               

                              关于无刷电机的磁铁
                               

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                              模界的无刷电机几乎100%用的“磁王”——钕铁硼磁铁,用磁王来形容钕铁硼磁铁是当之无愧的,钕铁硼磁铁是我们生活中常见的黑乎乎的铁氧体磁铁磁性的3倍!当然了,价格更是铁氧体磁铁的10倍以上。无刷电机终归属于永磁电机,而永磁电机的功率、特点等特性完全取决于磁铁。基本可以说吧,磁铁的体积与牌号决定了电机的最大功率。


                              另外还有磁铁形状上的差异,如果拆开一些廉价的电机你就会有一个发现,绝大部分的磁铁形状都是方片行。方片形的磁铁加工简单,价格相对便宜,自然成了追求成本电机的最佳选择。而很多品牌电机选择了弧形磁铁,弧形可以保证磁铁和硅钢片的气隙一直保持一致,似乎功率上和效率上都胜过了方形磁铁一筹。但是,在拆开一些电机也发现了被称之为面包型的磁铁,他们能够和铁壳完整的贴合在一起,和硅钢片的距离却是和方形磁铁一样,都不是一致的。关于这种磁铁,在请教了一些业内人士,他们确信这种磁铁比弧形磁铁效果还要更佳,在此不做结论。

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