常用的无刷电机居然有这么多门道？（下）

zhangzijun

第四部分：外转子无刷直流电机

看完了内转子无刷直流电机的结构，我们来看外转子的。其区别就在于，外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片，贴到了外壳上，电机运行时，是整个外壳在转，而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说，转子的转动惯量要大很多（因为转子的主要质量都集中在外壳上），所以转速较内转子电机要慢，通常KV值在几百到几千之间。也是航模主要运用的无刷电机

无刷电机KV值定义为：转速/V，意思为输入电压每增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。比如说，标称值为1000KV的外转子无刷电机，在11伏的电压条件下，最大空载转速即为：11000rpm（rpm的含义是：转/分钟）。

同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，扭力大；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，扭力小。我先前测试过穿越机2204电机的极限电流，单电机能彪上25A，而2212系列电机15A都上不了。

外转子无刷直流电机的结构：

分析方法也和内转子电机类似，大家可以自己分析一下，根据右手螺旋定理判断线圈的N/S极，转子永磁体的N极与定子绕组的S极有对齐（吸引）的趋势，转子永磁体的S极与定子绕组的N极有对齐（吸引）的趋势，从而驱动电机转动。

经典无刷电机2212 1000kv电机结构分析：

其结构如下：定子绕组固定在底座上，转轴和外壳固定在一起形成转子，插入定子中间的轴承。

线圈拆解图

电机绕组绕发图

后面画出了6种两相通电的情形，可以看出，尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化，但从电调控制的角度看，其通电次序其实是相同的，也就是说，不管外转子还是内转子电机，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。当然，如果你想让电机反转的话，电子方法是按倒过来的次序通电；物理方法直接对调任意两根线，假设A和B对调，那么顺序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有没有发现这里顺序就完全倒过来了。

AB相通电

AC相通电

BC相通电

BA相通电

CA相通电

CB相通电

由于每根引出线同时接入两个绕组，所以电流是分两路走的。这里为使问题尽量简单化，下面几个图中只画出了主要一路的电流方向，还有一路电流未画出，另一路电流的具体情况放在后面进行分析，涉及到电路检测换相位置。

无刷电机中的专业名词

额定电压：也就是无刷电机适合的工作电压，其实无刷电机适合的工作电压非常广，额定电压是指定了负载条件而得出的情况。但是这个工作电压也不是无限上升的，主要受制于电子控制器支持的最高频率。所以说，额定工作是由工作环境决定的。

KV值：有刷直流电机是根据额定工作电压来标注额定转速的，无刷电机引入了KV值的概念，而让用户可以直观的知道无刷电机在具体的工作电压下的具体转速。

转矩：(力矩、扭矩)电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩，我们可以理解电机的力量。

转速：电机每分钟的转速，一般用RPM表示。

最大电流：电机能够承受并安全工作的最大电流

最大功率：电机能够承受并安全工作的最大功率 功率=电压*电流

无刷电机功率和效率

我们可以简单的理解为电机输出功率=转速*扭矩，在同等的功率下，转矩和转速是一个此消彼长的关系，即同一个电机的转速越高，必定其转矩越低，相反也依然。不可能要求个电机的转速也更高，转矩也更高，这个规律通用于所有电机。

每个电机都有自己的力量上限，最大功率就是这个上限，如果工作情况超过了这个最大功率，就会导致电机高温烧毁。当然，这个最大功率也是指定了工作电压情况下得出的，如果是在更高的工作电压下，合理的最大功率也将提高。这是因为：Q=I2R，导体的发热与电流的平方是正比关系，在更高的电压下，如果是同样的功率，电流将下降导致发热减少，使得最大功率增加。这也解释了为什么在专业的航拍飞行器上，大量使用22.2V甚至30V电池来驱动多轴飞行器，高压下的无刷电机，电流小、发热小、效率更高。

无刷电机电压与效率的关系

先上两个公式：

1、功率=电压*电流

2、发热量=电流的平方*电阻

由公式得出两个结论：在同功率下，电压越高电流越小，并推出：在同功率下，电压越高发热量越小。最后得出结论：同一个飞行器，使用的电压越高，电流越小并且发热越少，效率越高。

现在知道为什么高压电线要上100KV甚至220KV、550KV(这个KV是千伏)的高电压了吧。

当然，飞行器是需要电池进行驱动的，准确的说是锂电池，锂电池的片数自然取决于电池的大小，越大的电池自然能做的越高电压。所以在电压这方面，其实我们能做的并不多，因为市场上的电池很多都是系列化的，比如说450这样的机型，你可以去找450直升机的6S电池，但是价格很高，而且需要的电调价格也要高一些。所以在电压这方面我们应该做的就是：尽量避免大机型用低压电池，那样会造成工作电流相对高一些，从而铜耗较大。同时，也要避免小型飞机用高压电池，那样电池的重量太大。

关于无刷电机的磁极对数

磁场的旋转速度又称同步转速，它与三相电流的频率和磁极对数p有关。若定子绕组，在任一时刻合成的磁场只有一对磁极(磁极对数p=1)，即只有两个磁极，对只有一对磁极的旋转磁场而言,三相电流变化一周,合成磁场也随之旋转一周，如果是50hz的交流电，旋转磁场的同步转速就是50转/秒或3000转/分，在工程技术中，常用转/分（r/min）来表示转速。如果定子绕组合成的磁场有两对磁极(磁极对数p=2)，即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180度，由此可以推广得出：p对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为n=60f/p。

当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。由于电机的磁极是成对出现的，所以也常用极对数表示。

关于无刷电机的磁铁

模界的无刷电机几乎100%用的"磁王"——钕铁硼磁铁，用磁王来形容钕铁硼磁铁是当之无愧的，钕铁硼磁铁是我们生活中常见的黑乎乎的铁氧体磁铁磁性的3倍！当然了，价格更是铁氧体磁铁的10倍以上。无刷电机终归属于永磁电机，而永磁电机的功率、特点等特性完全取决于磁铁。基本可以说吧，磁铁的体积与牌号决定了电机的最大功率。

另外还有磁铁形状上的差异，如果拆开一些廉价的电机你就会有一个发现，绝大部分的磁铁形状都是方片行。方片形的磁铁加工简单，价格相对便宜，自然成了追求成本电机的最佳选择。而很多品牌电机选择了弧形磁铁，弧形可以保证磁铁和硅钢片的气隙一直保持一致，似乎功率上和效率上都胜过了方形磁铁一筹。但是，在拆开一些电机也发现了被称之为面包型的磁铁，他们能够和铁壳完整的贴合在一起，和硅钢片的距离却是和方形磁铁一样，都不是一致的。关于这种磁铁，在请教了一些业内人士，他们确信这种磁铁比弧形磁铁效果还要更佳，在此不做结论。

不过还有一种情况采用方形磁铁其实也是可以的，在多槽数多极数的无刷电机（比如说36槽42极电机），基本都是采用了方形磁铁，这是因为铁壳直径很大，方形磁铁也能很好的和铁壳粘合，并且和硅钢片的气隙也很均匀。

关于无刷电机的硅钢片

其实初中读电磁学的时候，我经常想的问题是，电机为什么需要硅钢片呢?不是说通电的导体在磁场中就能产生作用吗?那为什么还需要硅钢片呢。后来我想了很久很久终于得出一个结论，那就是搞设计的人不会比你傻!

空气是弱导磁的，但铁是导磁的，硅钢片的作用就是把磁铁的磁路引导过来并形成回路，这就需要电机磁阻(大家把它等同理解为电阻即可)比较小。但是大家都看见了，为什么定子上面怎么都是一片一片构成的呢?

大家知道电磁炉的原理吗?为什么铁锅放上电磁炉上面就会发热?其实这就是因为-----类似于铁的材料放在快速变化的电磁场中(大家想想交流电吧，那个电是瞬间飞来飞去，不像直流电永远是正极到负极)会产生涡流损耗而发热，并且频率越高发热量越大。硅钢片处在电机的旋转磁场当中，就是和那放在电磁炉上的铁锅一样遇到了同样的问题，解决的办法就是往钢里添加硅并且做成薄片，理论上越薄的硅钢片产生的涡流损耗就越小。

所以大家是不是明白了普通的固定翼电机大都是比较厚的0.35MM硅钢片，而直升机和涵道机电机大都是用0.2MM硅钢片的原因呢?电机转速越快，磁场变化越快，那涡流损耗就越大。现在大多数的多轴电机都使用了0.2MM单片的硅钢片，这样做成的电机铁耗就会更低。

关于无刷电机使用与保养

直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，并在多个领域中都得到广泛的应用。用户在使用直流无刷电机时有一些问题也是需要注意的。

那么具体使用直流无刷电机要注意什么呢?

(1)在拆卸前，要用压缩空气吹净电机表面灰尘，并将表面污垢擦拭干净。

(2)选择电机解体的工作地点，清理现场环境。

(3)熟悉电机结构特点和检修技术要求。

(4)准备好解体所需工具(包括专用工具)和设备。

(5)为了进一步了解电机运行中的缺陷，有条件时可在拆卸前做一次检查试验。为此，将电机带上负载试转，详细检查电机各部分温度、声音、振动等情况。

青岛大疆守强

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