無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法,同三相異步電動機(jī)十分相似。它的應(yīng)用非常廣泛，在很多機(jī)電一體化設(shè)備上都有它的身影。 本文是一位資深的電機(jī)控制工程師分享他學(xué)習(xí)無刷電機(jī)的一些事。 什么是無刷電機(jī)？ 無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機(jī)的體積比同容量三相異步電動機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號。 無刷直流電動機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。 無刷直流電動機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)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(guān)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無刷直流電動機(jī)，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?qū)Ｓ眉呻娐返龋┭b在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化。 采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jī)，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(guān)、LC諧振電路等），當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。 看看這個(gè)工程師怎么說？ 首先給大家復(fù)習(xí)幾個(gè)基礎(chǔ)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(gè)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?，大拇指方向?yàn)楫a(chǎn)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(chǔ)的哈哈。 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。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(gè)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。 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。 第一部分：直流電機(jī)模型 我們找到一個(gè)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(gè)簡單的分析。 狀態(tài)1 當(dāng)兩頭的線圈通上電流時(shí)，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(gè)最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時(shí)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(shí)，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(shí)，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時(shí)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(gè)為零，乘積就為零了。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，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(shí)針轉(zhuǎn)動，這時(shí)若改變兩頭螺線管的電流方向，如下圖所示，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動， 狀態(tài)2 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(shí)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。 第二部分：三相二極內(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(gè)簡單分析。 上圖顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)子未畫出假想是個(gè)二極磁鐵），三個(gè)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(gè)電機(jī)就引出三根線A, B, C。當(dāng)它們之間兩兩通電時(shí)，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(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)生的磁感線方向如圖藍(lán)色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示，那么假設(shè)其中有一個(gè)二極磁鐵，則根據(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(shí)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(jié)省篇幅，我們就不一一描述CACB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： 每個(gè)過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度 六個(gè)過程即完成了完整的轉(zhuǎn)動，其中6次換相。 第三部分：三相多繞組多極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)  我們再來看一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)的，圖(a)是一個(gè)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 (b)。從圖(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。 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。 好吧，還是再幫大家分析一下吧， 第一階段：AB相通電 第二階段：AC相通電 第三階段：BC相通電 第四階段：BA通電 第五階段：CA通電 第六階段：CB通電 以上為六個(gè)不同的通電狀態(tài)，其中經(jīng)歷了五個(gè)轉(zhuǎn)動過程。每個(gè)過程為20度。 第四部分：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(shí)，是整個(gè)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) 順便啰嗦一下吧。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11伏的電壓條件下，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。 外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)的結(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。 圖為DJI 2312S電機(jī)和XXD 2212電機(jī)的（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。 圖為xxd2212線圈拆解圖 圖為12繞組14極（即7對極），電機(jī)繞組繞發(fā)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(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。 AB相通電 AC相通電 BC相通電 BA相通電 CA相通電 CB相通電 要說明一下的是，由于每根引出線同時(shí)接入兩個(gè)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(gè)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(jìn)行分析，涉及到電路檢測換相位置。