翻译文章（四）：四旋翼无人机设计之电机

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翻译文章（四）：四旋翼无人机设计之电机
无刷直流电动机或电子开关引擎
尽管无刷直流电机的电子开关电路非常复杂，与同类产品相比，有几个优点：扭矩/重量比更高，运行噪音更小，寿命更长，电磁干扰产生更少，单位体积功率更大，实际上仅受其固有热量的限制生成，其转移到外部环境通常通过传导发生。
尽管存在性能差异，但无刷直流电机的动态模型可以大致近似于众所周知的BDCM马达（即有刷电机）。图18显示了这种电机的基本电路，其中u是施加在其电枢上的电压，Ra是电枢的电阻，其电感，vb=kv！是电枢中感应的反电动势，kv是速度常数和 ia是角速度（原文如此）。

出于功能目的，BLDC可以被认为是一种传统的直流电机，其中电刷和歧管（换向器）被电子设备取代，电子设备根据转子的位置将电流注入适当的绕组，以获得扭矩。然而，就电气工程而言，无刷直流电机是一种同步电机，因为它的转速与给它供电的电子设备的频率一致。事实上，它的速度控制和变化是通过控制作为变速驱动器一部分的晶体管的开关频率来实现的。
为了理解这一解释，有必要从描述无刷直流电机的部件和工作原理开始。
无刷直流电动机由转子和定子两部分组成。显然，第一个是运动的，第二个是静止的。通常，电动机有一个圆柱形转子，在一个更大的中空圆柱体内旋转，该圆柱体充当定子。然而，在这种类型的机器中，可能有两种拓扑结构：转子“Inrunner和Outrunner”。这些名称没有直接翻译成西班牙语，只是表示转子是否位于定子内部（inrunner），或者转子是否为外转子（outrunner），定子是否固定在定子内。
下图显示了无刷直流发电机的内部结构，即转子在外壳内旋转。从图中可以看出，转子是一个圆柱体，里面通常是永稀土磁体：（钐钴）SmCo或(钕铁硼)NdFeBo。第二个是现在描述应用中的定子。定子由缠绕在铁磁性材料极性铁芯上的线圈形成。当电流在线圈中循环时，会产生新的磁极，这些磁极与转子的永久磁极相互作用，导致机器旋转。图中的电机转子有4个极，定子有6个极。由于两极的符号相反，这种配置通常被指定为5N5S，即北方5极，南方5极。在北极和南极数量不同的不对称配置发动机中并不罕见，尤其是在产生更大扭矩的转子外置发动机中。如果你分析机器的定子，你可以看到3个线圈不同的颜色被涂上了颜色。该图形参考表示，例如，上极的绿色绕组与下极的绿色线圈串联，从而形成3个定子相中的一个。同样的情况也发生在其他成对的线圈上，这样它们就可以在内部连接到一个公共点：以星形缠绕或形成一个三角形，其顶点将是出口。


图20显示了内转子电机的侧视图，从中可以看出转子是如何被容纳在外壳内的，外壳是机器三相绕组缠绕的极性块（polarmasses）。
在图21的配置中，显示了一个外转子电机。在这种情况下，由永磁体形成的磁极附着在外壳的内部，外壳可移动并旋转安装在轴承上。因此，这个带有磁铁的外壳是机器的转子，以鼓的形式，当从外部转动时，它被称为“外转子”。在这种情况下，定子绕组安装在极性线圈的中心，极性线圈固定在锚固的后支架上。
图22显示了电机的外观。在里面，你可以清楚地看到位于右侧的锚定台，以及安装永磁体的外鼓是如何进行旋转的。
在采用这种结构设计用于模式应用的电机中，通常会发现两侧的轴输出和安装附件，使它们能够在不同的位置固定到模型上。


尽管这两种类型的电机在概念上是相同的，方程和工作原理也是相同的，但与工业同步电机一样，它们的物理拓扑结构显著改变了它们的特性和应用。不涉及更复杂的细节，可以说外转子电机和内转子电机之间的主要区别在于其转速和产生转矩的能力。
内转子电机更薄、更长，因此其设计允许更高没有显著离心力的转动速度。事实上，很容易发现发动机转速超过20000转/分的型号。因此，我们可以说，这种类型的电机更容易驱动需要高速旋转的小直径螺旋桨，比如用在飞机的管道风扇系统中。
另一方面，外转子或旋转壳体电机更平坦并且具有更大的直径。这种结构已经清楚地表明，它的旋转速度将更低，扭矩将高得多。事实上，无刷直流磁盘或转鼓电机的设计正是为了产生高转矩。这种机器以扁平窄圆盘的形式设计，其最令人惊讶的应用之一是它用于执行繁重的任务（在到达轨道顶部之前滑行并返回停车点）通过电力牵引使线路平面移位。通过这种方式，燃料实现了涡轮机的经济性、减少排放和减少磨损。
在它们的应用场景中，它们可能被认为适合于在中速状态下移动较大直径的螺旋桨和不太高的通道。总的来说，可以说它们是最适合多翼飞机设计的电机类型。
工作原理：电子开关
到目前为止，已经描述了无刷直流电机的主要性能，但尚未说明其工作原理。无刷直流电机中转子的旋转是基于电气工程中所谓的电子开关。为了简单地理解它，将使用图18的图表，为了方便起见，在这里重复使用一下：

在上图所示的电机中，如果没有电流引入任何线圈，转子显然保持静止。想象一下，在上图中，一个外部系统以产生两个磁极的方式引入黄相电流，这个绕组具有北极性。如果发生这种情况，转子的北极（蓝色）将受到排斥力，南极（黄色）将受到对相同颜色绕组的吸引力。这样一来，转子就可以转动一圈。
如果保持先前的情况，则电机将不会继续其旋转，从而在先前的位置保持稳定。然而，一旦转子摆脱一对定子极的影响，其中的电流就会被抵消，并被引入下一个极中，磁体的吸引和排斥过程将再次发生。因此，如果在适当的角度位置周期性地注入电流，则将实现电机的旋转。这些电流的注入和关闭是由变速驱动器内部的电子开关进行的，这就是所谓的电子开关。通过增加定子绕组激活和停用循环电流的频率来改变电机速度。这涉及到改变打开和关闭逆变器的电子开关的频率。
之前的转换过程是从一个假设开始的，这个假设在实践中是不可行的。已经假设，当转子的磁极处于正确的角度位置时，每个相位中的电流的注入或消失才得以实现。原则上，除非电机包含将转子的角位置通知给变速器的机构。在工业应用的无刷直流电机中，例如汽车在电动辅助下寻址，电机在轴上集成了一个编码器（旋转编码器），该编码器将转子的位置提供给速度变速器。市场上存在的这些设备的变体是多种多样的，由于此应用中电动机不使用它们，因此除了它们的存在和向变速器通知转子位置的需要之外，再提出更多的问题是没有意义的。
如果无刷直流电机没有包含任何报告转子位置的外部系统，它如何正常工作？对这个问题的解释来自于使用一种称为无传感器控制的逆变器控制算法。解释这些特性的控制算法不是本文件的主题，但可以给出其工作原理的简要说明。
伦茨和法拉第定律在19世纪末确立，如果磁场在一组线圈的周围移动，就会在线圈中感应出电动势（张力）。该定律是无传感器控制操作的基础，模型的变量可以用来避免添加转子角位置测量系统。
控制系统的操作方式简化如下：无论转子位置如何，电机都通过注入给定方向的电流启动。这种电流的注入导致电机的运动，但仍然不受控制，电机甚至可以尝试以与所需方向相反的方向启动。在运动过程中，由于伦茨定律，在没有注入电流的相中感应出电动势。变速器对这些电动势的测量允许估计转子的位置并确保电子开关与转子位置同步。如果气体以螺旋桨旋转开始时的轻微犹豫的形式非常缓慢地施加到四旋翼机的电机上，则可以观察到这种短暂的不稳定情况。
定义无刷直流电机和特性曲线的参数
在导出从BLDC电机获得的参数之前，有必要非常仔细地参考控制其运行的两个方程。在无刷直流电机中，可以肯定转矩和速度满足以下两个关系：

其中，V是电源电压，N是转速，T是电机扭矩，I是消耗的电流。K_1和K_2是每个电机各自的两个常数，这两个常数取决于其结构形式、磁体的磁通密度等。
第一个方程的常数是提供BLDC最已知参数的常数，通常称为kV，以rpm/V表示（事实上，它是方程中所示常数的倒数）。BLDC电机的常数kV也以简化的方式表示给定电源电压下的预期rpm。因此，如果以1V供电，1200kV电机应以1200rpm旋转。
第二个方程式与制造商通常提供的任何数据无关，但对于理解机器的操作非常重要。方程（13）表明，要消耗的电流与比例常数K2成比例，并且消耗的电流由电动机必须产生的转矩直接固定。如上所述，该数据是非常重要的，因为螺旋线的阻力转矩是二次方的，并且如前面的例子中所示，如果想要将旋转速度加倍，则转矩将乘以4，并且与之相乘的是消耗的电流。
这类电机的其他特征参数包括：
1.对于一定的电源电压，通常提供的真空电流（空载电流）。
2.绕组导体的电阻。
3.最大允许电流（正常提供，同时提供可产生电流的最长时间）。
4.吸收的电功率（有时在不同的条件下或一组螺旋桨）
5.极数。通常以15N15S、14N16S等形式表示。
对于模拟程序的使用，如果电机不在所选的范围内，则相对容易获得真空电流和绕组电阻，这与极数一起已经允许完全定义电机。
下图显示了无刷直流电机的所有特性曲线，并将对任何型号的操作点进行说明。

在这些图中，您可以看到上面显示的所有概念。如果速度曲线以黑色进行分析，则可以观察到，在转子失速的情况下，电机传递的扭矩略大于30oz-in（盎司-英寸），并且当在真空中旋转时，旋转速度高于6000rpm。
如果我们分析红色曲线（转矩-电流），很明显满足方程13，并且电流线性增长。扭矩零点对应于大约0.2A的电流。这是空载电流，表明当电机在没有连接到轴的情况下旋转时，电机为磁化和克服摩擦损失而消耗的电流。
最后，更感兴趣的曲线是蓝色的，因为在曲线中，性能以函数表示。性能是在轴中产生机械功率所消耗的输入电功率的指标。低屈服点表示所消耗的电功率的很大一部分用于加热发动机，而不是产生机械功。因此，螺旋桨驱动至发动机的工作点必须尽可能接近最大性能点。否则，它不仅会浪费电池电量，还会使电机过热。
通常，电机的峰值性能点是用低函数对数值给出的。因此，实际上不可能选择一种能使发动机达到最大性能的螺旋桨。然而，应尽可能接近该值进行选择，并且在模拟产生小于约70%的值后，应丢弃任何组合。该图显示了与为电机选择的工作点。还可以观察到，向右移动会增加电机吸收的功率和循环电流。
在完成专门介绍发动机的部分之前，必须对其工作温度进行评论。永磁体的磁通密度随着温度的升高而降低。一旦冷却发生，如果电机所承受的温度升高不是很高，磁体就会恢复其磁性。然而，有一个被称为居里温度的温度，超过这个温度，永磁体就会失去磁性。
因此，有必要考虑永磁电机运行的两个方面：
1.即使没有达到导致发动机最终损坏的居里温度，磁体温度的升高也会降低其磁通密度，并导致电机降低其工作特性。
2.一旦达到居里温度或接近居里温度的值，电机将受到不可挽回的损坏。
因此，设计应尽可能避免对发动机进行加热。理想的工作温度应在40°C左右，绝不能超过60°C。
本节完