無刷電機工作原理

無刷直流電動機是采用半導體開關器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?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、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。

無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。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，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉換電路處理后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無刷直流電動機，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(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，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉子旋轉時，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，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(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。

KV值定義

無刷電機KV值定義為 轉速/V，意思為輸入電壓增加1伏特，無刷電機空轉轉速增加的轉速值。從這個定義來看，我們能知道，無刷電機電壓的輸入與電機空轉轉速是遵循嚴格的線性比例關系的。

KV值的意義

無刷電機的意義不只是說明電機轉速與電壓成嚴格的線性比例關系，還對于電機的性能有一個開闊性的表示。

用過無刷電機的朋友大都有這種感覺，同級別(外徑)的無刷電機，外轉子的和內(nèi)轉子的通電比較一下，會發(fā)覺外轉子電機扭力大一些，要"硬"一些，內(nèi)轉子電機扭力稍微小一些，要"軟"一些，一看電機參數(shù)，外轉子電機KV值800多，內(nèi)轉子電機1000多到2000多。再看一下轉速，內(nèi)轉子電機的轉速明顯高于外轉子電機。其實這些特性都與KV值有關，按照KV值的定義來解釋，無刷電機的空轉極速，是KV值乘以輸入的電壓，這也就解釋了內(nèi)轉子電機的轉速為什么高于外轉子無刷電機。

就扭力特性來看，KV值一定意義上體現(xiàn)了電機扭力性能，拿外轉子電機來說，電機的空載極速一般般，但是加上負載(例如螺旋槳)后，其極速降落到空載極速的60%-70%，但是拿同級別的內(nèi)轉子電機來測試的話，其帶負載的轉速只能到其空載極速的30%-40%，這明顯體現(xiàn)出這兩種電機的扭力特性差別，內(nèi)轉子電機的帶負載的能力相對較低，為了滿足扭力做功，內(nèi)轉子電機必需自行降速，增加通過電流，在電壓不變的情況下，這樣電機的輸出功率就增加了，內(nèi)轉子電機的這種扭力特性也體現(xiàn)在具體的應用上，以前不少輕型泡沫固定翼飛機，最初都用的是內(nèi)轉子無刷電機，但是因為扭力特性的緣故，飛機螺旋槳并不是直接連接在電機上(非直驅)，而是增加了一個減速齒輪組，為的就是改善內(nèi)轉子電機的扭力性能。

同系列同外形尺寸的無刷電機，KV值也能區(qū)別電機的特性，比如 B3674 內(nèi)轉子電機，一個KV值是1860，一個KV值是2075，那第一個電機的扭力就要大一些，峰值做工電流就相對小一些;第二個電機的技術高一些，但是扭力特性就比第一個電機要差，峰值電流就會更大一些。

無刷電機KV的意義，一定讓你受益匪淺

無刷電機的一些基本知識模型用無刷KV值低的有1-2千，高的到5-6千，他表示的是電壓每升高1伏，轉速增加的數(shù)值，對于無刷，這個值是個常量

對于同種尺寸規(guī)格的無刷來說:&

繞線匝數(shù)多的，KV值低，最高輸出電流小，但扭力大

繞線匝數(shù)少的，KV值高，最高輸出電流大，但扭力小

單從KV值，不可以評價電機的好壞，因為不同KV值有不同的適用場合:

低電壓環(huán)境(7.4v)

KV值低的，由于轉速偏低，適合配較小的減速比和較大的螺旋槳，靠較大負荷來提升電流，輸出較大功率;

KV值高的，由于轉速較高，適合配較大的減速比和較小的螺旋槳，在滿足輸出功率的條件下，要減小負荷，避免電流過大;

高電壓環(huán)境(11.1v)

KV值低的，在這個電壓環(huán)境下可以達到較高的轉速，扭力也不錯，比較理想。需要配合較大的減速比和較小的螺旋槳，在滿足輸出功率的條件下，要減小負荷，避免電流過大;

KV值高的，在該環(huán)境中轉速過高，為避免電流過大，要盡量減少負荷。利用其高轉速，用于涵道風扇發(fā)動機很適合。

7.4v 和 11.v 只是舉例說明，是常用的小級別。無刷的電壓范圍很寬，性能驚人。

結構上，無刷電機和有刷電機有相似之處，也有轉子和定子，只不過和有刷電機的結構相反;有刷電機的轉子是線圈繞組，和動力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼;無刷電機的轉子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機(Brushless motor)，那現(xiàn)在就有問題了，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機轉動呢?

簡單而言，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旋轉的磁場，這個磁場驅動轉子上的永磁磁鋼轉動，電機就轉起來了，電機的性能和磁鋼數(shù)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里接收控制信號，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，好的電子調速器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，所以價格要比有刷電機高出很多。

有刷電機缺點

1、摩擦大，損耗大

老模友們在以前玩有刷電機的時候都碰到這個問題，那就是使用電機一段時間以后，需要打開電機來清理電機的碳刷，費時費力，維護強度不亞于來一次家庭大掃除。

2、發(fā)熱大，壽命短

由于有刷電機的結構原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會退磁的，使電機性能下降，影響有刷電機的壽命。

3、效率低，輸出功率小

上面說到的有刷電機發(fā)熱問題，很大程度是因為電流做功在電機內(nèi)部電阻上了，所以電能有很大程度轉化為了熱能，所以有刷電機的輸出功率不大，效率也不高。

無刷電機優(yōu)點

1、無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。

2、噪音低，運轉順暢

無刷電機沒有了電刷，運轉時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。

3、壽命長，低維護成本

少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。上下一比較，就知道無刷電機相對于有刷電機的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機低速扭力性能優(yōu)異、轉矩大等性能特點是無刷電機不可替代的，不過就無刷電機的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進了模型運動的發(fā)展。

1、適用范圍:

無刷電機:通常被使用在控制要求比較高，轉速比較高的設備上，如航模，精密儀器儀表等對電機轉速控制嚴格，轉速達到很高的設備上。

碳刷電機:通常動力設備使用的都是有刷電機，如吹風機、工廠的電動機、家用的抽油煙機等等，另外串激電機的轉速也能達到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機。

2、使用壽命:

無刷電機:通常使用壽命在幾萬小時這個數(shù)量級，但是由于軸承的不同無刷電機使用壽命也有很大不同。

碳刷電機:通常有刷電機的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個小時，到達使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損。

3、使用效果:

無刷電機:通常是數(shù)字變頻控制，可控性強，從每分鐘幾轉，到每分鐘幾萬轉都可以很容易實現(xiàn)。

碳刷電機:舊碳刷電機一般啟動以后工作轉速恒定，調速不是很容易，串激電機也能達到20000轉/分，

但是使用壽命會比較短。

4、節(jié)能方面:

相對而言，無刷電機采用變頻技術控制的會比串激電機節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調和冰箱。

5、日后維修方面，碳刷電機需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機的損壞，而無刷電機，使用壽命很長，通常是有刷電機的10倍以上，但是壞了就需要更換電機，但日常維護基本不需要。

6、噪音方面與是否是有刷電機無關，主要是看軸承和電機內(nèi)部組件的配合情況。

7、模型無刷電機的參數(shù)指標，除了外形尺寸(外徑、長度、軸徑等)、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個重要指標--KV值，這個數(shù)值是無刷電機獨有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機性能特點的一個重要數(shù)據(jù)。

電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。

近三十年來針對異步電動機變頻調速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉速誤差小等特點在調速領域顯現(xiàn)優(yōu)勢。

無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性，同時也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國際通用名詞為BLDC。無刷直流電機的運轉效率、低速轉矩、轉速精度等都比任何控制技術的變頻器還要好，所以值得業(yè)界關注。

無刷電機在我國的發(fā)展時間雖短，但是隨著技術的日益成熟與完善得到了迅猛發(fā)展。已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動車等多個領域得到廣泛應用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈。如深圳偉業(yè)電機、長沙科達等一批專業(yè)廠商，在技術上不斷推進行業(yè)發(fā)展。近幾年來，無刷電機成為在模型領域里快速發(fā)展的一種動力。由于產(chǎn)量和價格的原因，過去幾年無刷電機多使用在中高檔航空模型中，現(xiàn)在由于機械加工技術的快速發(fā)展，無刷電機的生產(chǎn)成本下降許多，目前它正進入模型領域的各個層面，從電動遙控車到電動遙控船再到電動模型飛機，無處不在。

直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(shù)(p)影響:

n=60.f / p。在轉子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅動器)，控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。

直流無刷驅動器包括電源部及控制部如圖 (1) :電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。

電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220 v)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉換器(converter)轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉成3相電壓來驅動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(q1~q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關?？刂撇縿t提供pwm(脈沖寬度調制)決定功率晶體管開關頻度及換流器(inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩(wěn)定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。