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最全講解 | 無刷電機(jī)是什么原理的電機(jī)?無刷電機(jī)工作及控制原理是什么?無刷電機(jī)又為什么能成為眾多廠家的賣點(diǎn)?
無論你是在選購掃地機(jī)器人的時候也好,選購洗衣機(jī)的時候也好,一定經(jīng)常會看到產(chǎn)品的彩頁上,廠商特地給你標(biāo)注“我們用的是無刷電機(jī)”,然后告訴你“我們用無刷電機(jī)就是牛逼”,至于什么是無刷電機(jī),牛逼在哪兒廠家倒是沒說。有刷電機(jī)是大家最早接觸的一類電機(jī),中學(xué)時物理課堂上介紹電動機(jī)也是以它為模型來展示的。有刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷,通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動力矩,從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦,在轉(zhuǎn)動中起到導(dǎo)電和換相作用。那么無刷電機(jī)是什么電機(jī)?無刷電機(jī)又為什么能成為眾多廠家的賣點(diǎn)?100唯爾教育網(wǎng)小編和大家在這里分享一篇無刷電機(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)~~
了解什么無刷電機(jī)之前我們先來了解一下什么是電機(jī)。 電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。懂了沒?是不是更蒙圈了。簡單說就是,因?yàn)殡姴荒苤苯幼屢慌_機(jī)器直接運(yùn)動起來,需要一個機(jī)器將電的能量轉(zhuǎn)化為動力,使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn),電機(jī)就是這個機(jī)器,俗稱馬達(dá)。
電機(jī)可以說是一個家電的核心了,沒有電機(jī)洗衣機(jī)轉(zhuǎn)不了,吸塵器沒法兒吸灰等等。所以只有你用的電機(jī)好,你家的產(chǎn)品才有核心競爭力嘛。要是有個賣汽車的只夸我們家車玻璃防彈,座椅真皮,外型請的法國的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì),就是發(fā)動機(jī)不行,跑3公里就歇了,這車你買嗎?
有刷電機(jī)
我們再來談?wù)動兴㈦姍C(jī)。有刷電機(jī)是內(nèi)含電刷裝置的將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它工作原理你可以想象成有一個空心圓柱體,然后將整圈柱壁兩端弄上吸鐵石的兩極,圓柱體中間有個能轉(zhuǎn)的小圓棒,小圓棒裝上“扇葉”,扇葉上纏上線圈,電刷就搭在扇葉上,給電刷通上電以后就有扇葉因?yàn)殡姶旁虍a(chǎn)生了不同的磁極,跟柱壁兩邊的磁極產(chǎn)生斥力,然后就瘋狂的轉(zhuǎn),電能就此轉(zhuǎn)化為動能。
這樣就會有問題嘛,電刷和小圓棒之間有摩擦,造成效率降低、噪音增加、容易發(fā)熱、引起火花,有刷電機(jī)的壽命要比無刷短幾倍,又因?yàn)殡娮璐?,效率低、輸出功率少。而且因?yàn)橛兴⒆樱⒆泳陀锌赡軌?,壞了就得修,多麻煩啊?
無刷電機(jī)
無刷電機(jī)的工作原理依舊可以想象一個圓柱體,不過這次不是小圓棒在中間轉(zhuǎn),而是一個塊兒吸鐵石在中間轉(zhuǎn),柱壁不在是吸鐵石的兩個磁極,而是剛才通了電的“扇葉”。這樣只要一通電,柱壁因?yàn)殡姶庞辛舜艠O,和中間的吸鐵石產(chǎn)生互斥力,然后吸鐵石瘋狂轉(zhuǎn),電能就此轉(zhuǎn)化為動能。它與有刷電機(jī)最大的區(qū)別就是,就不用那倆電刷通電了,因?yàn)槲覀兛梢灾苯咏o柱壁通電。
電磁學(xué)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?yàn)殡娏鞣较颍竽粗阜较驗(yàn)楫a(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?yàn)檫\(yùn)動方向,手指方向?yàn)楫a(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?yàn)樵谵D(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?yàn)檗D(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?,盡管繞組和磁極的數(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(shí)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。
*本文來源系大疆社區(qū),版權(quán)歸原作者所有
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