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          勵磁無刷電機結構原理


          不過顯然模界中的無刷電機與這個勵磁電機并不是同一個東西,那么我們常用的無刷電機里面究竟有些什么技術、如何解釋那些專業名詞、以及各種參數和設備之間究竟有什么區別和聯系呢?今天就帶大家全面了解一下模界常用的無刷電機。

          無刷電機的基本概念
           

          根據電機的結構和工作原理,我們可以將電機分為有刷電機、內轉子無刷電機和外轉子無刷電機。

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          有刷電機:我們也稱為直流電機或者碳刷電機,是歷史最悠久的電機類型,也是目前數量最多的電機類型。電機工作時,線圈和換向器旋轉,磁鋼和碳刷不轉,線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。這種電機具有造價相對較低、扭力高、結構簡單、易維護等優點。不過由于結構限制,所以缺點也比較明顯:1、機械換向產生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、噪聲大、壽命短。2、結構復雜、可靠性差、故障多,需要經常維護。3、由于換向器存在,限制了轉子慣量的進一步下降,影響了動態性能。所以在模界主要應用于速度較慢和對震動不敏感的車模、船模上面,航模很少采用有刷電機。
           

           

          無刷電機:這是模界中除了有刷電機以外用的最多的一種電機,無刷直流電機不使用機械的電刷裝置,采用方波自控式永磁同步電機,以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉子的永磁材料,性能上相較一般的傳統直流電機有很大優勢。具有高效率、低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性、可伺服控制、無級變頻調速等優點,至于缺點嘛……就是比有刷的貴、不好維護,廣泛應用于航模、高速車模和船模。
           

          不過,單個的無刷電機不是一套完整的動力系統,無刷基本必須通過無刷控制器也就是電調的控制才能實現連續不斷的運轉。普通的碳刷電機旋轉的是繞組,而無刷電機不論是外轉子結構還是內轉子結構旋轉的都是磁鐵。所以任何一個電機都是由定子和轉子共同構成的。

           

          無刷電機的定子是產生旋轉磁場的部分,能夠支撐轉子進行旋轉,主要由硅鋼片、漆包線、軸承、支撐件構成;而轉子則是黏貼釹鐵硼磁鐵,在定子旋轉磁場的作用進行旋轉的部件,主要由轉軸、磁鐵、支持件構成。除此之外,定子與轉子組成的磁極對數還影響著電機的轉速與扭力。

           

          無刷電機的結構

          無刷電機的前蓋、中殼、后蓋主要是整體結構件,起到構建電機整體結構的作用。但是外轉子無刷電機的外殼同時也是磁鐵的磁路通路,所以外殼必須是導磁性的物質構成。內轉子的外殼只是結構件,所以不限定材質。但是內轉子電機比外轉子電機多一個轉子鐵芯,這個轉子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

           

          磁鐵:是安裝在轉子上,是無刷電機的重要組成部分,無刷電機的絕大部分性能參數都與磁鐵相關,包括功率、轉速、扭矩等。

           

          硅鋼片:是有槽無刷電機的重要組成部分,當然,無槽無刷電機是沒有硅鋼片的,但是目前絕大多數的無刷電機都是有槽的。它在整個系統中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運轉。

           

          轉軸:是電機轉子的直接受力部分,轉軸的硬度必須能滿足轉子高速旋轉的要求。

           

          軸承:是電機運轉順暢的保證,軸承可以分為滑動軸承和滾動軸承,而滾動軸承又可以細分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類,而目前大多數的無刷電機都是采用深溝球軸承。

           

           

          直流無刷電機的工作原理

           

          直流無刷電機動力系統由轉子、定子和位置傳感器三部分等組成。位置傳感按轉子位置的變化,沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產生位置傳感信號,經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路,按一定的邏輯關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直流無刷電動機,其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。

          采用光電式位置傳感器的直流無刷電動機,在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉子上裝有遮光板,光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時,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、LC諧振電路等),當永磁體轉子位置發生變化時,電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。

          簡單而言,直流無刷電機就是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全轉的磁場,這個磁場驅動轉子上的永磁磁鋼轉動,電機就轉起來了,電機的性能和磁鋼數量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關,更與無刷電機的控制性能有很大關系,因為輸入的是直流電,電流需要電子調速器將其變成3相交流電,還需要從遙控器接收機那里接收控制信號,控制電機的轉速,以滿足模型使用需要。

          總的來說,無刷電機的結構是比較簡單的,真正決定其使用性能的還是無刷電子調速器(也就是電調),好的電調需要有單片機控制程序設計、電路設計、復雜加工工藝等過程的總體控制,所以一般來說價格要比無刷電機高出很多。

           

          首先給大家復習幾個基礎定則:左手定則、右手定則、右手螺旋定則。別懵逼,我下面會給大家解釋。

           

          左手定則,這個是電機轉動受力分析的基礎,簡單說就是磁場中的載流導體,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,大拇指方向為產生磁力的方向,我相信喜歡玩模型的人都還有一定物理基礎的哈哈。

           

          右手定則,這是產生感生電動勢的基礎,跟左手定則的相反,磁場中的導體因受到力的牽引切割磁感線產生電動勢。

           

          讓磁感線穿過掌心,大拇指方向為運動方向,手指方向為產生的電動勢方向。為什么要講感生電動勢呢?不知道大家有沒有類似的經歷,把電機的三相線合在一起,用手去轉動電機會發現阻力非常大,這就是因為在轉動電機過程中產生了感生電動勢,從而產生電流,磁場中電流流過導體又會產生和轉動方向相反的力,大家就會感覺轉動有很大的阻力。不信可以試試。

           

          三相線分開,電機可以輕松轉動

           

          三相線合并,電機轉動阻力非常大

                

           

          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,紅色箭頭方向即為電流方向。

          看完了三大定則,我們接下來先看看電機轉動的基本原理。

          第一部分:直流電機模型

          我們找到一個中學物理學過的直流電機的模型,通過磁回路分析法來進行一個簡單的分析。

          狀態1

          當兩頭的線圈通上電流時,根據右手螺旋定則,會產生方向指向右的外加磁感應強度B(如粗箭頭方向所示),而中間的轉子會盡量使自己內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,這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。

           

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

           

          當轉子轉到水平位置時,雖然不再受到轉動力矩的作用,但由于慣性原因,還會繼續順時針轉動,這時若改變兩頭螺線管的電流方向,如下圖所示,轉子就會繼續順時針向前轉動,

          狀態2

          如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向,內轉子就會不停轉起來了。改變電流方向的這一動作,就叫做換相。補充一句:何時換相只與轉子的位置有關,而與其他任何量無直接關系。

           

          第二部分:三相二極內轉子電機

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

           

          上圖顯示了定子繞組的聯結方式(轉子未畫出假想是個二極磁鐵),三個繞組通過中心的連接點以“Y”型的方式被聯結在一起。整個電機就引出三根線A, B, C。當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。

                 下面我看第一階段:AB相通電

          當AB相通電,則A極線圈產生的磁感線方向如紅色箭頭所示,B極產生的磁感線方向如圖藍色箭頭所示,那么產生的合力方向即為綠色箭頭所示,那么假設其中有一個二極磁鐵,則根據“中間的轉子會盡量使自己內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,暫時沒他什么事。

           

                 第二階段:AC相通電

          第三階段:BC相通電

          第三階段:BA相通電

          為了節省篇幅,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(轉子)的狀態圖:

           

           

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          每個過程轉子旋轉60度

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          六個過程即完成了完整的轉動,其中6次換相。

           

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