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          關于無刷電機最全的文章(下)

          第三部分:三相多繞組多極內轉子電機

                我們再來看一個復雜點的,圖(a)是一個三相九繞組六極(三對極)內轉子電機,它的繞組連線方式見圖 (b)。從圖(b)可見,其三相繞組也是在中間點連接在一起的,也屬于星形聯結方式。一般而言,電機的繞組數量都和永磁極的數量是不一致的(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子的磁鋼相吸對齊。

           

          其運動的原則是:轉子的N極與通電繞組的S極有對齊的運動趨勢,而轉子的S極與通電繞組的N極有對齊的運動趨勢。

          即為S與N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的區別。

          好吧,還是再幫大家分析一下吧,

          第一階段:AB相通電

           

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          第二階段:AC相通電

           

          第三階段:BC相通電

           

          第四階段:BA通電

           

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          第五階段:CA通電

          第六階段:CB通電

           

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          以上為六個不同的通電狀態,其中經歷了五個轉動過程。每個過程為20度。

           

          第四部分:外轉子無刷直流電機

                 看完了內轉子無刷直流電機的結構,我們來看外轉子的。其區別就在于,外轉子電機將原來處于中心位置的磁鋼做成一片片,貼到了外殼上,電機運行時,是整個外殼在轉,而中間的線圈定子不動。外轉子無刷直流電機較內轉子來說,轉子的轉動慣量要大很多(因為轉子的主要質量都集中在外殼上),所以轉速較內轉子電機要慢,通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運用的無刷電機

                 順便啰嗦一下吧。無刷電機KV值定義為:轉速/V,意思為輸入電壓每增加1伏特,無刷電機空轉轉速增加的轉速值。比如說,標稱值為1000KV的外轉子無刷電機,在11伏的電壓條件下,最大空載轉速即為:11000rpm(rpm的含義是:轉/分鐘)。

          同系列同外形尺寸的無刷電機,根據繞線匝數的多少,會表現出不同的KV特性。繞線匝數多的,KV值低,最高輸出電流小,扭力大;繞線匝數少的,KV值高,最高輸出電流大,扭力小。我先前測試過穿越機2204電機的極限電流,單電機能彪上25A,而2212系列電機15A都上不了。

          外轉子無刷直流電機的結構:

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                 分析方法也和內轉子電機類似,大家可以自己分析一下,根據右手螺旋定理判斷線圈的N/S極,轉子永磁體的N極與定子繞組的S極有對齊(吸引)的趨勢,轉子永磁體的S極與定子繞組的N極有對齊(吸引)的趨勢,從而驅動電機轉動。

                 經典無刷電機2212 1000kv電機結構分析。

           

          圖為2212電機的(解剖圖)

          其結構如下:定子繞組固定在底座上,轉軸和外殼固定在一起形成轉子,插入定子中間的軸承。

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          圖為xxd2212線圈拆解圖

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          圖為12繞組14極(即7對極),電機繞組繞發圖。

          后面畫出了6種兩相通電的情形,可以看出,盡管繞組和磁極的數量可以有許多種變化,但從電調控制的角度看,其通電次序其實是相同的,也就是說,不管外轉子還是內轉子電機,都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進行通電換相。當然,如果你想讓電機反轉的話,電子方法是按倒過來的次序通電;物理方法直接對調任意兩根線,假設A和B對調,那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有沒有發現這里順序就完全倒過來了。

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          AB相通電

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          AC相通電

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          BC相通電

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          BA相通電

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          CA相通電

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          CB相通電

          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,下面幾個圖中只畫出了主要一路的電流方向,還有一路電流未畫出,另一路電流的具體情況放在后面進行分析,涉及到電路檢測換相位置。

           


          無刷電機中的專業名詞

           

          額定電壓:也就是無刷電機適合的工作電壓,其實無刷電機適合的工作電壓非常廣,額定電壓是指定了負載條件而得出的情況。例如說,2212-850KV電機指定了1045螺旋槳的負載,其額定工作電壓就是11V。如果減小負載,例如帶7040螺旋槳,那這個電機完全可以工作在22V電壓下。但是這個工作電壓也不是無限上升的,主要受制于電子控制器支持的最高頻率。所以說,額定工作是由工作環境決定的。

          KV值:有刷直流電機是根據額定工作電壓來標注額定轉速的,無刷電機引入了KV值的概念,而讓用戶可以直觀的知道無刷電機在具體的工作電壓下的具體轉速。實際轉速=KV值*工作電壓,這就是KV的實際意義,就是在1V工作電壓下每分鐘的轉速。無刷直流電機的轉速與電壓呈正比關系,電機的轉速會隨著電壓上升而線性上升。例如,2212-850KV電機在10V電壓下的轉速就是:850*10=8500RPM(RPM,每分鐘轉速)。

          轉矩:(力矩、扭矩)電機中轉子產生的可以用來帶動機械負載的驅動力矩,我們可以理解電機的力量。

          轉速:電機每分鐘的轉速,一般用RPM表示。 

          最大電流:電機能夠承受并安全工作的最大電流

          最大功率:電機能夠承受并安全工作的最大功率 功率=電壓*電流

          無刷電機功率和效率

          我們可以簡單的理解為電機輸出功率=轉速*扭矩,在同等的功率下,轉矩和轉速是一個此消彼長的關系,即同一個電機的轉速越高,必定其轉矩越低,相反也依然。不可能要求個電機的轉速也更高,轉矩也更高,這個規律通用于所有電機。例如:2212-850KV電機,在11V的情況下可以帶動1045槳,如果將電壓上升一倍,其轉速也提高一倍,如果此時負載仍然是1045槳,那該電機將很快因為電流和溫度的急劇上升而燒毀。

          每個電機都有自己的力量上限,最大功率就是這個上限,如果工作情況超過了這個最大功率,就會導致電機高溫燒毀。當然,這個最大功率也是指定了工作電壓情況下得出的,如果是在更高的工作電壓下,合理的最大功率也將提高。這是因為:Q=I2R,導體的發熱與電流的平方是正比關系,在更高的電壓下,如果是同樣的功率,電流將下降導致發熱減少,使得最大功率增加。這也解釋了為什么在專業的航拍飛行器上,大量使用22.2V甚至30V電池來驅動多軸飛行器,高壓下的無刷電機,電流小、發熱小、效率更高。

          經常有人問:2208 1000KV和2216 1000KV有什么不同,都是1000KV,不是都一樣嗎?呵呵,差別可大了。

          在電機直徑、KV值都一樣的情況下,電機更高的電機自然功率越大,功率越大的電機自然能夠帶動的負載越大。好比一個男人100斤,一個男人160斤,你讓他們去背一袋50斤的大米,100斤的男人雖然說稍稍有點吃力但也能背,160斤的男人覺得是小菜。但,如果是讓他們背兩袋米呢?160斤的男人咬咬牙也背起來了,100斤的男人恐怕腰都直不起來,這就是他們的差異。對于電機來說,工作越輕松,效率越高,利用前面的理論就是,鐵耗也低銅耗也低。
           

          記住這個公式(劃重點):扭矩與電流的平方成正比
          隨著電機工作的越來越累,它的效率會迅速的降低。所以說選擇多軸電機,必須選擇合適功率電機以及與他搭配的螺旋槳,讓電機工作在相對輕松的狀態,一般來說懸停時工作功率是最大功率的30-45%之間比較好。不可小牛拉大車,也不能大牛拉小車。

          無刷電機電壓與效率的關系

          先上兩個公式:
          1、功率=電壓*電流
          2、發熱量=電流的平方*電阻

          由公式得出兩個結論:在同功率下,電壓越高電流越小,并推出:在同功率下,電壓越高發熱量越小。最后得出結論:同一個飛行器,使用的電壓越高,電流越小并且發熱越少,效率越高。

          現在知道為什么高壓電線要上100KV甚至220KV、550KV(這個KV是千伏)的高電壓了吧。

          當然,飛行器是需要電池進行驅動的,準確的說是鋰電池,鋰電池的片數自然取決于電池的大小,越大的電池自然能做的越高電壓。所以在電壓這方面,其實我們能做的并不多,因為市場上的電池很多都是系列化的,比如說450這樣的機型,你可以去找450直升機的6S電池,但是價格很高,而且需要的電調價格也要高一些。所以在電壓這方面我們應該做的就是:盡量避免大機型用低壓電池,那樣會造成工作電流相對高一些,從而銅耗較大。同時,也要避免小型飛機用高壓電池,那樣電池的重量太大。


          關于無刷電機的磁極對數

          磁場的旋轉速度又稱同步轉速,它與三相電流的頻率和磁極對數p有關。若定子繞組,在任一時刻合成的磁場只有一對磁極(磁極對數p=1),即只有兩個磁極,對只有一對磁極的旋轉磁場而言,三相電流變化一周,合成磁場也隨之旋轉一周,如果是50hz的交流電,旋轉磁場的同步轉速就是50轉/秒或3000轉/分,在工程技術中,常用轉/分(r/min)來表示轉速。 如果定子繞組合成的磁場有兩對磁極(磁極對數p=2),即有四個磁極,可以證明,電流變化一個周期,合成磁場在空間旋轉180度,由此可以推廣得出:p對磁極旋轉磁場每分鐘的同步轉速為n=60f/p。

          當磁極對數一定時,如果改變交流電的頻率,則可改變旋轉磁場的同步轉速,這就是變頻調速的基本原理。由于電機的磁極是成對出現的,所以也常用極對數表示。
           

          關于無刷電機的磁鐵
           

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          模界的無刷電機幾乎100%用的“磁王”——釹鐵硼磁鐵,用磁王來形容釹鐵硼磁鐵是當之無愧的,釹鐵硼磁鐵是我們生活中常見的黑乎乎的鐵氧體磁鐵磁性的3倍!當然了,價格更是鐵氧體磁鐵的10倍以上。無刷電機終歸屬于永磁電機,而永磁電機的功率、特點等特性完全取決于磁鐵?;究梢哉f吧,磁鐵的體積與牌號決定了電機的最大功率。


          另外還有磁鐵形狀上的差異,如果拆開一些廉價的電機你就會有一個發現,絕大部分的磁鐵形狀都是方片行。方片形的磁鐵加工簡單,價格相對便宜,自然成了追求成本電機的最佳選擇。而很多品牌電機選擇了弧形磁鐵,弧形可以保證磁鐵和硅鋼片的氣隙一直保持一致,似乎功率上和效率上都勝過了方形磁鐵一籌。但是,在拆開一些電機也發現了被稱之為面包型的磁鐵,他們能夠和鐵殼完整的貼合在一起,和硅鋼片的距離卻是和方形磁鐵一樣,都不是一致的。關于這種磁鐵,在請教了一些業內人士,他們確信這種磁鐵比弧形磁鐵效果還要更佳,在此不做結論。

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