最全無刷電機幹貨,一文帶你瞭解控制原理

我們常用的無刷電機裡面究竟有些什麼技術、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麼區別和聯系呢?

一、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。

不過由於結構限制,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、電磁幹擾、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、由於換向器存在,限制瞭轉子慣量的進一步下降,影響瞭動態性能。

所以在模界主要應用於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。

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無刷電機:這是模界中除瞭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,至於缺點嘛……就是比有刷的貴、不好維護,廣泛應用於航模、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,主要由矽鋼片、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。

二、無刷電機的結構

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無刷電機的前蓋、中殼、後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。內轉子的外殼隻是結構件,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。

矽鋼片: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矽鋼片的,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。

三、直流無刷電機的工作原理

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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,並在確定的位置處產生位置傳感信號,經信號轉換電路處理後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瞭光電傳感器件,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,由於遮光板的作用,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,電機就轉起來瞭,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裡接收控制信號,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。

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

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。

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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。

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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。為什麼要講感生電動勢呢?不知道大傢有沒有類似的經歷,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瞭感生電動勢,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,大傢就會感覺轉動有很大的阻力。不信可以試試。

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三相線分開,電機可以輕松轉動

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三相線合並,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,那麼大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。

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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。

看完瞭三大定則,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。

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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瞭。

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。註意這裡說的是“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,當然也就不會轉動瞭。補充一句,力矩是力與力臂的乘積。其中一個為零,乘積就為零瞭。

當轉子轉到水平位置時,雖然不再受到轉動力矩的作用,但由於慣性原因,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。

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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瞭。改變電流方向的這一動作,就叫做換相。補充一句:何時換相隻與轉子的位置有關,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,這裡就用該模型來做個簡單分析。

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上圖顯示瞭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註意這是有順序的。

下面我看第一階段:AB相通電

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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,那麼產生的合力方向即為綠色箭頭所示,那麼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。至於C,暫時沒他什麼事。

第二階段:AC相通電

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第三階段:BC相通電

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第四階段:BA相通電

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為瞭節省篇幅,我們就不一一描述CA\CB的模型,大傢可以自己類推一下。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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六個過程即完成瞭完整的轉動,其中6次換相。

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,也屬於星形聯結方式。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),這樣是為瞭防止定子的齒與轉子的磁鋼相吸對齊。

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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,註意跟之前的分析方法有一定的區別。

好吧,還是再幫大傢分析一下吧,

第一階段:AB相通電

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第二階段:AC相通電

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第三階段:BC相通電

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第四階段:BA通電

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第五階段:CA通電

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第六階段:CB通電

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以上為六個不同的通電狀態,其中經歷瞭五個轉動過程。每個過程為20度。

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第四部分:外轉子無刷直流電機

看完瞭內轉子無刷直流電機的結構,我們來看外轉子的。其區別就在於,外轉子電機將原來處於中心位置的磁鋼做成一片片,貼到瞭外殼上,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

順便囉嗦一下吧。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都上不瞭。

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,大傢可以自己分析一下,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22121000kv電機結構分析。

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圖為DJI2312S電機和XXD2212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。

後面畫出瞭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,那麼順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大傢有沒有發現這裡順序就完全倒過來瞭。

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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,由於每根引出線同時接入兩個繞組,所以電流是分兩路走的。這裡為使問題盡量簡單化,下面幾個圖中隻畫出瞭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後面進行分析,涉及到電路檢測換相位置。

四、無刷電機中的專業名詞

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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,額定電壓是指定瞭負載條件而得出的情況。例如說,2212-850KV電機指定瞭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,主要受制於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註額定轉速的,無刷電機引入瞭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:電機能夠承受並安全工作的最大電流

最大功率:電機能夠承受並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,這個規律通用於所有電機。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,如果工作情況超過瞭這個最大功率,就會導致電機高溫燒毀。當然,這個最大功率也是指定瞭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。這也解釋瞭為什麼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有什麼不同,都是1000KV,不是都一樣嗎?呵呵,差別可大瞭。

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瞭,100斤的男人恐怕腰都直不起來,這就是他們的差異。對於電機來說,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,並推出:在同功率下,電壓越高發熱量越小。最後得出結論:同一個飛行器,使用的電壓越高,電流越小並且發熱越少,效率越高。

現在知道為什麼高壓電線要上100KV甚至220KV、550KV(這個KV是千伏)的高電壓瞭吧。

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於電池的大小,越大的電池自然能做的越高電壓。所以在電壓這方面,其實我們能做的並不多,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。

關於無刷電機的磁極對數

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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隻有一對磁極(磁極對數p=1),即隻有兩個磁極,對隻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。由於電機的磁極是成對出現的,所以也常用極對數表示。

關於無刷電機的磁鐵

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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!當然瞭,價格更是鐵氧體磁鐵的10倍以上。無刷電機終歸屬於永磁電機,而永磁電機的功率、特點等特性完全取決於磁鐵。基本可以說吧,磁鐵的體積與牌號決定瞭電機的最大功率。

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,自然成瞭追求成本電機的最佳選擇。而很多品牌電機選擇瞭弧形磁鐵,弧形可以保證磁鐵和矽鋼片的氣隙一直保持一致,似乎功率上和效率上都勝過瞭方形磁鐵一籌。但是,在拆開一些電機也發現瞭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,和矽鋼片的距離卻是和方形磁鐵一樣,都不是一致的。關於這種磁鐵,在請教瞭一些業內人士,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。

不過還有一種情況采用方形磁鐵其實也是可以的,在多槽數多極數的無刷電機(比如說36槽42極電機),基本都是采用瞭方形磁鐵,這是因為鐵殼直徑很大,方形磁鐵也能很好的和鐵殼粘合,並且和矽鋼片的氣隙也很均勻。

關於無刷電機的矽鋼片

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其實初中讀電磁學的時候,我經常想的問題是,電機為什麼需要矽鋼片呢?不是說通電的導體在磁場中就能產生作用嗎?那為什麼還需要矽鋼片呢。後來我想瞭很久很久終於得出一個結論,那就是搞設計的人不會比你傻!

空氣是弱導磁的,但鐵是導磁的,矽鋼片的作用就是把磁鐵的磁路引導過來並形成回路,這就需要電機磁阻(大傢把它等同理解為電阻即可)比較小。但是大傢都看見瞭,為什麼定子上面怎麼都是一片一片構成的呢?

大傢知道電磁爐的原理嗎?為什麼鐵鍋放上電磁爐上面就會發熱?其實這就是因為—–類似於鐵的材料放在快速變化的電磁場中(大傢想想交流電吧,那個電是瞬間飛來飛去,不像直流電永遠是正極到負極)會產生渦流損耗而發熱,並且頻率越高發熱量越大。矽鋼片處在電機的旋轉磁場當中,就是和那放在電磁爐上的鐵鍋一樣遇到瞭同樣的問題,解決的辦法就是往鋼裡添加矽並且做成薄片,理論上越薄的矽鋼片產生的渦流損耗就越小。

所以大傢是不是明白瞭普通的固定翼電機大都是比較厚的0.35MM矽鋼片,而直升機和涵道機電機大都是用0.2MM矽鋼片的原因呢?電機轉速越快,磁場變化越快,那渦流損耗就越大。現在大多數的多軸電機都使用瞭0.2MM單片的矽鋼片,這樣做成的電機鐵耗就會更低。

相關小知識:為什麼高KV電機在全油門空轉的情況下下會發熱很厲害呢?

答案是:產生熱量的不是銅線,因為此時通過的電流很小。產生熱量的正是渦流損耗和磁滯損耗,因為此時電機完全空載,轉速比較高,渦流損耗大,而所有的損耗最後都變成瞭熱量。

關於無刷電機使用與保養

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直流無刷電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品,並在多個領域中都得到廣泛的應用。用戶在使用直流無刷電機時有一些問題也是需要註意的,那麼具體使用直流無刷電機要註意什麼呢?

(1)在拆卸前,要用壓縮空氣吹凈電機表面灰塵,並將表面污垢擦拭幹凈。

(2)選擇電機解體的工作地點,清理現場環境。

(3)熟悉電機結構特點和檢修技術要求。

(4)準備好解體所需工具(包括專用工具)和設備。

(5)為瞭進一步瞭解電機運行中的缺陷,有條件時可在拆卸前做一次檢查試驗。為此,將電機帶上負載試轉,詳細檢查電機各部分溫度、聲音、振動等情況,並測試電壓、電流、轉速等,然後再斷開負載,單獨做一次空載檢查試驗,測出空載電流和空載損耗,做好記錄。

(6)切斷電源 ,拆除電機外部接線,做好記錄。

(7)選用合適電壓的兆歐表測試電機絕緣電阻 。為瞭跟上次檢修時所測的絕緣電阻值相比較以判斷電機絕緣變化趨勢和絕緣狀態,應將不同溫度下測出的絕緣電阻值換算到同一溫度,一般換算至75℃。

(8)測試吸收比K。當吸收比大於1.33時,表明電機絕緣不曾受潮或受潮程度不嚴重。為瞭跟以前數據進行比較,同樣要將任意溫度下測得的吸收比換算到同一溫度。

來源:面包板社區

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