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|科普|无刷电机是怎么转起来的?

一、电机的出现和广泛应用

       纵观人类科技发展史,其实某种意义上可以说是一部“人类的偷懒史”:为了“偷懒”,人类创造出了整个科技文明

       为了少写字(提高效率),人类发明了印刷术,在这之前,想要复制一本文献,可是得一字一字手动誊抄的,这项发明不仅帮助人类成功“偷懒”,避免了腱鞘炎的风险,更避免了以往手工誊抄中错抄、漏抄的弊端,提高了效率;

       为了少走路,使用人力、畜力、风力作为交通工具的动力,直到詹姆斯·瓦特(James Watt)于1769年改进了纽科门蒸汽机,人类交通运输才进入了快速发展的时期;后来第二次工业革命中电力的广泛应用和今天的主角无刷电机的“老前辈”——早期电动机的出现又逐渐代替了蒸汽机的使用并一直发展至今,不论工业应用还是日常生活,电机已成为人类生活中不可缺少的一部分。
 

二、初识电机

       那么电机究竟都有哪些种类又该如何区分呢?

       电机的种类很多,根据电机的结构分类,可以分为有刷电机、无刷电机,而根据工作原理分类,无刷电机又分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。

 

有刷电机:

我们也称为直流电机或者碳刷电机,是历史最悠久的电机类型,也是目前数量最多的电机类型。

       有刷电机工作时,线圈和换向器旋转,磁钢和碳刷不转,线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。这种电机具有造价相对较低、扭力高、结构简单、易维护等优点。

       不过由于结构限制,缺点也同样明显:

1、机械换向产生的火花引起换向器和电刷摩擦、电磁干扰、噪声大、寿命短;

2、结构复杂、可靠性差、故障多,需要经常维护;

3、由于换向器存在,限制了转子惯量的进一步下降,影响了动态性能。所以在模型界主要应用于速度较慢和对震动不敏感的车模、船模上面,航模很少采用有刷电机。

 

无刷电机:

       除了有刷电机以外用得最多的一种电机,无刷直流电机不使用机械的电刷装置,普通的碳刷电机旋转的是绕组,而无刷电机不论是外转子结构还是内转子结构旋转的都是磁铁。所以任何一个电机都是由定子和转子共同构成的。

 
 
 

无刷电机示意图

       无刷电机的定子是产生旋转磁场的部分,能够支撑转子进行旋转,主要由硅钢片、漆包线、轴承、支撑件构成;而转子则是黏贴钕铁硼磁铁,在定子旋转磁场的作用进行旋转的部件,主要由转轴、磁铁、支持件构成。除此之外,定子与转子组成的磁极对数还影响着电机的转速与扭力。
 

三、无刷电机结构

       既然今天的主角是无刷电机,我们就来进一步看看其内部结构:

无刷电机的前盖、中壳、后盖主要是整体结构件,起到构建电机整体结构的作用。

       外转子无刷电机的外壳同时也是磁铁的磁路通路,所以外壳必须是导磁性的物质构成。内转子的外壳只是结构件,所以不限定材质。但是内转子电机比外转子电机多一个转子铁芯,这个转子铁芯的作用同样也是起到磁路通路的作用。

磁铁:安装在转子上,是无刷电机的重要组成部分,无刷电机的绝大部分性能参数都与磁铁相关, 包括功率、转速、扭矩等。

硅钢片:有槽无刷电机的重要组成部分,当然,无槽无刷电机是没有硅钢片的,但是目前绝大多数的无刷电机都是有槽的。它在整个系统中的作用主要是降低磁阻、参与磁路运转。

转轴:电机转子的直接受力部分,转轴的硬度必须能满足转子高速旋转的要求。

轴承:电机运转顺畅的保证,轴承可以分为滑动轴承和滚动轴承,而滚动轴承又可以细分为深沟球轴承、滚针轴承和角接触轴承等十大类,而目前大多数的无刷电机都是采用深沟球轴承。

 

四、直流无刷电机的工作原理
 

       简单而言,直流无刷电机就是依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形, 在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心全转的磁场,这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动,电机就转起来了。

       电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关,更与无刷电机的控制性能有很大关系,因为输入的是直流电,电流需要电子调速器将其变成三相交流电,还需要从遥控器接收机那里接收控制信号,控制电机的转速,以满足模型使用需要。

       总的来说,无刷电机的结构是比较简单的,真正决定其使用性能的还是无刷电机的控制器,好的控制器需要有单片机控制程序设计、电路设计、性能强大的算法等。

       不过如果想要真正的了解无刷电机是怎么转起来的,还需要给大家复习几个基础定则:左手定则、右手定则、右手螺旋定则,看一下就很明白了。

 
 

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左手定则示意图

左手定则:这是电机转动受力分析的基础,简单说就是磁场中的载流导体,会受到力的作用,让磁感线穿过手掌正面,手指方向为电流方向,大拇指方向为产生磁力的方向。

 
 
 

右手定则示意图

右手定则:这是产生感生电动势的基础,与左手定则的相反,磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线产生电动势。让磁感线穿过掌心,大拇指方向为运动方向,手指方向为产生的电动势方向。

 

为什么要讲感生电动势呢?

       不知道大家有没有类似的经历,把电机的三相线合在一起,用手去转动电机会发现阻力非常大,这就是我们平时说的反向感应电动势,切割磁感线,从而产生电流,磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力,大家就会感觉转动有很大的阻力。

 

右手螺旋定则示意图

右手螺旋定则:用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N 极。这个定则是通过通电线圈判断极性的基础,红色箭头方向即为电流方向。也可以说极性是“握”出来的!

 

下面就是正题了,究竟无刷电机是怎么转起来的呢?

       为了方便大家理解,我找到了一个中学物理时学过的直流电机模型,下面用磁回路分析法来进行一下简单的分析:

 
 

直流电机模型图

       当两头的线圈通上电流时,根据右手螺旋定则,会产生方向指向右的外加磁感应强度 B(如粗箭头方向所示),而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致,以形成一个最短闭合磁力线回路,这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

思考一下:转子位于什么角度,转子所受的转动力矩最大?

       当然是磁场方向与外部磁场方向垂直时,转子所受的转动力矩最大!补充一句,力矩是力与力臂的乘积。其中一个为零,乘积就为零了。

       虽然在转子磁场与外部磁场方向一致时,转子所受磁力最大,但此时转子呈水平状态,力臂为 0,当然也就不会转动了。

       那电机就转一下就结束了?当然不是,我们平时在跑步的时候,急刹车很难立马停住,都会继续向前一段距离。这就是惯性,虽然转子的惯性很小,不过这点惯性足以支撑转子继续向下一个状态进行了。

       当转子转到水平位置时,虽然不再受到转动力矩的作用,但由于惯性原因,还会继续顺时针转动,这时若改变两头螺线管的电流方向,如上图所示,转子就会继续顺时针向前转动。

注意:改变电流方向的这一动作,就叫做换相、,而何时换相只与转子的位置有关,而与其他任何量无直接关系,所以换向的时机怎么把握才是重点。

 

看完上面这个简单的,我们再来个稍微复杂一点的:

       一般来说,定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式,而“三相星形联结的二二导通方式” 最为常用,我们以此为模型进行分析:

 

 
 

三相耳机内转子电机

       上图显示了定子绕组的联结方式(转子未画出假想是个二极磁铁)。三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线 A、B、C。当它们之间两两通电时,有 6 种情况,分别是AB、AC、BC、BA、CA、CB 这是有顺序的。我们就按这个顺序来逐个分析:

 

第一阶段:AB 相通电

 


AB相通电情形

注意小箭头呦!

       当 AB 相通电,A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所示,B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示,那么产生的合力方向即为绿色箭头所示,假设其中有一个二极磁铁,则根据“中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致”,所以N极方向会与绿色箭头所示方向重合。至于C嘛,暂时没他什么事。

 

第二阶段:AC 相通电

 

AC相通电情形

第三阶段:BC 相通电

 

BC相通电情形

第四阶段:BA 相通电

BA相通电情形

       我都举出四个了,相信聪明如你,一定也知道接下的转向了!不废话,我们直接看结果吧。

       每个过程转子旋转 60 度,六次就转完了一圈,这样,电机就转起来啦。

 

五、结语

       从电机的本质来看,其实就是一个磁性物质跟着由电产生的运动磁场运动,多数电机都是在这个基础上不断完善改变出来的,所以千万不要因为电机小巧精致的外观就小看了它!

立迈胜NiMotion一体无刷电机


 

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