無刷直流輪轂電機基本簡介

2016-04-26

 一、無刷直流電機基本概念

 
無刷直流電機是隨著半導體電子技術發展而出現的新型機電一體化電機,它是現代電子技術(包括電子電力、微電子技術)、控制理論和電機技術相結合的產物。
 
和普通的有刷直流電機利用電樞繞組旋轉換向不同,無刷電機是利用電子換向并磁鋼旋轉的電機。普通的直流電機是利用碳刷進行換向的,碳刷換向存在很大的缺點,主要包括1、機械換向產生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、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、由于換向器存在,限制了轉子慣量的進一步下降,影響了動態性能。
 
而無刷直流電機的命名就說明了電機的特性:在電機性能上和直流電機性能相近,同時電機沒有碳刷。無刷電機是通過電子換向達到電機連續運轉目的的。
 
無刷電機的換向模式分為方波和正弦波驅動,就其位置傳感器和控制電路來說,方波驅動相對簡單、價廉而得到廣泛利用。目前,絕大多數無刷電機采用方波驅動,目前市場上的模型電機全部是方波驅動。
 
二、無刷電機的技術優勢及劣勢
 
無刷電機的技術優勢:
 
1、良好的可控性、寬調速范圍。
 
2、較高的可靠性、工作壽命長、無需經常維護。
 
3、功率因數高、工作效率高、功率密度大。
 
同樣的,無刷直流電機也存在一定的技術劣勢
 
1、需要電子控制器才能工作,增加了技術復雜性和成本、降低了可靠性。
 
2、轉子永磁材料限制了電機使用環境,不適用于高溫環境。
 
3、有明顯的轉矩波動,限制了電機在高性能伺服系統、低速度紋波系統的應用。
 
三、無刷電機基本參數
 
命名:外轉子電機的命名原則,各個廠家有所不同,有以電機定子的直徑高度來命名,也有以電機的直徑高度來命名,我司的電機都是以電機定子的直徑與高度來命名。例如2212電機,指的是該電機定子直徑22MM,高度12MM。
 
定子直徑:硅鋼片定子的直徑
 
定子高度(厚度):硅鋼片定子的高度
 
鐵芯極數(槽數):定子硅鋼片的槽數量
 
磁鋼極數(極數):轉子上磁鋼的數量
 
匝數(T):電機定子槽上面所繞漆包線的圈數,注意,常規匝數指的是相鄰2個槽所繞線圈數量的和,即一個槽繞8圈,另外一個也是8圈,就是16T。
 
KV值:電機的運轉速度,越大電機轉速越大。電機轉速=KV值*工作電壓。
 
空載電流:指定電壓下,電機無任何負載的工作電流
 
相電阻:電機連接完畢后,2個接點之間的電阻值
 
最大持續電流:該電機運轉的最大安全電流
 
最大持續功率:該電機運轉的最大安全功率   功率=電壓*電流
 
電機重量:電機的重量
 
軸徑:轉軸的直徑
 
四、無刷直流電機的幾個重要參數解析
 
1、額定電壓
 
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。
 
2、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)。
 
KV值與匝數是呈反比例關系的,例如2212-850KV,匝數是30T(15圈),那在28T的情況下的KV值是:850KV*30T/28T=910KV。
 
3、轉矩與轉速
 
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。
 
電機的轉矩和轉速在同一個電機內永遠是一個此消彼長的關系,基本可以認為轉矩和轉速的乘積是一個定數,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。
 
4、最大電流和最大功率
 
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
 
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=I²,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。
 
5、槽極結構  (N:槽數,P:極數)
 
模型常見的內轉子無刷電機結構有:3N2P(有感電機常用)、12N4P(大部分內轉子電機)
 
模型常見的外轉子無刷電機結構有:9N6P、9N12P、12N8P、12N10P、12N14P、18N16P、24N20P。
 
模型用內轉子無刷電機極數不高的原因:目前內轉子電機多用于減速使用,所以要求的轉速都比較高。電子轉速=實際轉速*電機極對數,電子控制器支持的最高電子轉速往往都是一個定數,所以如果電機極對數太高的話,支持的最高電機轉速就會下降,所以目前的內轉子電機極數都是4以內。
 
關于12N4P內轉子電機:屬于整數槽電機,大量使用于模型內轉子電機,電機使用單層繞組分布繞線。
 
模型用外轉子電機都是分數槽電機,其結構特點和性能如下:
 
1、N必須是3的倍數,P必須是偶數(磁鋼必須是成對的,所以必須是偶數)。
 
2、P數越小,最高轉速越高。例如12N10P的最高轉速肯定高于12N16P,反之亦然。
 
3、N比P大,則相對轉速更高。9N6P最高轉速肯定高于9N12P,反之亦然。
 
5、同樣的N,P越大扭力越強。扭力,12N16P大于12N14P大于12N10P。
 
6、N和P之間不能整除,比如12N6P。
 
外轉子槽極結構與應用領域:9N6P減速使用于400-500級別的直升機模型以及小型涵道、9N12P直驅使用于小型固定翼或者其他模型、12N8P減速使用于500-700直升機模型或者直驅使用于中大型涵道、12N10P減速使用于600-800直升機模型、12N14P直驅使用于大部分固定翼和船模,高于12槽結構的無刷電機多見于多軸飛行器。
 
五、有感電機與無感電機
 
有感電機的優勢:運轉精度高、啟動平穩
 
有感電機的劣勢:
 
1、在高溫、振動等條件下由于傳感器的存在使系統的可靠性降低。
 
2、傳感器連接線多不便安裝、易引起電磁干擾。
 
3、傳感器的安裝精度直接影響電機運行性能,特別是在多極電機安裝精度難以保證。
 
4、占用空間,限制電機小型化。
 
無感電機的優點:結構簡單、成本較低、安裝方便
 
無感電機的缺點:轉子位置檢測精度降低,運轉精度降低,啟動不如有感電機平穩。
 
什么是有感電機:傳統的無刷電機都安裝有霍爾傳感器,利用霍爾傳感器檢測轉子位置實現轉向。
 
什么是無感電機:去除霍爾傳感器,利用電子控制器檢測電機的反電動勢變化從而確定轉子位置實現轉向。
 
六、外轉子無刷與內轉子無刷
 
外轉子無刷電機的優點:轉動慣量大、轉動平穩、轉矩大、磁鐵好固定。
 
外轉子無刷電機的缺點:定子熱量無法排出、內部工作環境部封閉,外部雜物可能進入電機內部影響運轉。
 
內轉子無刷電機的優點:繞組與外殼直接接觸,熱量可直接排出,電機內部與外部隔絕,避免外部雜物進入內部。
 
內轉子無刷電機的缺點:扭矩不如外轉子無刷電機、磁鐵固定較為復雜。
 
七、常見電機類型
 
電機的概念:電機是指利用電磁感應定律進行電能轉換的一種電磁裝置。
 
電機包括:電動機、發電機、變壓器
 
按工作電源可分為:直流電動機、交流電動機、交直流電動機
 
直流電機主要包括包括:永磁直流電機、永磁無刷電機
 
直流電機安裝勵磁方式主要包括:他勵、串勵、復勵、并勵。
 
交流電機主要包括:單相異步電機、三相異步電機。

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