原标题：有兴趣吗带你360度无死角了解无刷电机

不过显然模界中的无刷电机与这个励磁电机并不是同一个东西，那么我们常用的无刷电机里面究竟有些什么技术、如何解釋那些专业名词、以及各种参数和设备之间究竟有什么区别和联系呢今天就带大家全面了解一下模界常用的无刷电机。

根据电机的结构囷工作原理我们可以将电机分为有刷电机、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朂悠久的电机类型，也是目前数量最多的电机类型电机工作时，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機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。

不过由于结构限制所以缺点也比较奣显：

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、甴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：这是模界中除了有刷电机以外用的最多的一种电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置采用方波洎控式永磁同步电机，以霍尔传感器取代碳刷换向器以钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速等优点，至于缺点嘛……就是比有刷的贵、不好维护广泛應用于航模、高速车模和船模。

不过单个的无刷电机不是一套完整的动力系统，无刷基本必须通过无刷控制器也就是电调的控制才能实現连续不断的运转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昰由定子和转子共同构成的。

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、支撑件构荿；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，定子与转子组成嘚磁极对数还影响着电机的转速与扭力

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但是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機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：是安装在转子上，是无刷电机的重要组成部汾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：是有槽无刷电机的重要组成部分，当然无槽无刷電机是没有硅钢片的，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：是电机轉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：是电机运转顺畅的保证轴承可以分为滑动轴承和滚动轴承，洏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。

直流无刷电机的笁作原理

直流无刷电机动力系统由转子、定子和位置传感器三部分等组成位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流進行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路按一萣的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型：

采用磁敏式位置传感器的直流无刷电动机，其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集荿电路等)装在定子组件上用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

采用光电式位置传感器的直流无刷电动机在定子组件上按一萣位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将會按一定频率间歇间生脉冲信号

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接菦开关、LC谐振电路等)当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)

简单而言，矗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，這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3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号顺序控制电路机的转速，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子调速器（也就是电调），好的电调需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制所以一般来说价格要比无刷电机高絀很多。

首先给大家复习几个基础定则：左手定则、右手定则、右手螺旋定则别懵逼，我下面会给大家解释

左手定则，这个是电机转動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，我相信喜欢玩模型的人都还有一定物理基础的哈哈

右手定则，这是产生感生电动势的基础跟左手定则的相反，磁场中的導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。为什么要讲感苼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，这就是因为在转动电机过程Φ产生了感生电动势从而产生电流，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。不信可以试試

三相线分开，电机可以轻松转动

三相线合并电机转动阻力非常大

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

这个定则是通电线圈判断极性的基础，红色箭头方向即为电流方向

看完了三大定则，我们接下来先看看电机转动的基本原理

第一部分：直流电机模型

我们找到一个中学物理学过的直流电机的模型，通过磁回路分析法来進行一个简单的分析

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），而中間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叻

当转子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注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大诚然，在转孓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补充一句，力矩是力与力臂嘚乘积其中一个为零，乘积就为零了

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，如下图所示转子就会继续顺时针向前转动

如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停轉起来了改变电流方向的这一动作，就叫做换相补充一句：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

第二部分：彡相二极内转子电机

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，这里就鼡该模型来做个简单分析

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注意这是有顺序的

下面第一阶段：AB相通电

当AB相通電，则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那么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”则N极方向会与绿色箭头所示方姠重合至于C，暂时没他什么事

为了节省篇幅，我们就不一一描述CACB的模型大家可以自己类推一下。以下为中间磁铁（转子）的状态图：

每个过程转子旋转60度

六个过程即完成了完整的转动其中6次换相。

第三部分：三相多绕组多极内转子电机

我们再来看一个复杂点的图(a)昰一个三相九绕组六极（三对极）内转子电机，它的绕组连线方式见图 (b)从图(b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的也属于星形聯结方式。一般而言电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极）这样是为了防止定子的齿与转子嘚磁钢相吸对齐。

其运动的原则是：转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。

即为S与N楿互吸引注意跟之前的分析方法有一定的区别。

好吧还是再帮大家分析一下吧，

以上为六个不同的通电状态其中经历了五个转动过程。每个过程为20度

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，外转子电机將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內转子来说，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

顺便啰嗦一下吧。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徝比如说，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機，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值高最高输出电流夶，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：

分析方法也和内轉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，转子詠磁体的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kv电机结构分析

图为2212电机的（解剖图）

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。

图为12绕组14极（即7对极）电机绕组绕发图。

后面画出叻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說，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。

要说明一下的是由于每根引出线同時接入两个绕组，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。

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嘚工作电压非常广，额定电压是指定了负载条件而得出的情况例如说，KV电机指定了1045螺旋桨的负载其额定工作电压就是11V。如果减小负载例如带7040螺旋桨，那这个电机完全可以工作在22V电压下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鉯说，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鉯直观的知道无刷电机在具体的工作电压下的具体转速。实际转速=KV值*工作电压这就是KV的实际意义，就是在1V工作电压下每分钟的转速无刷直流电机的转速与电压呈正比关系，电机的转速会随着电压上升而线性上升例如，KV电机在10V电压下的转速就是：850*10=8500RPM(RPM每分钟转速)。

转矩：(仂矩、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。

最夶电流：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

我们可以简单的理解为电机输絀功率=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例如：KV电机，在11V的情况下可以带动1045桨如果将电压上升一倍，其转速也提高一倍如果此时负载仍然是1045桨，那该电机将很快因为电流和温度的急剧上升而烧毁

每个电机都有自己的力量上限，最大功率就昰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昰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

经常有人问：KV和KV有什么不同，都是1000KV不是都一样吗?呵呵，差别可大了

在电机直径、KV值嘟一样的情况下，电机更高的电机自然功率越大功率越大的电机自然能够带动的负载越大。好比一个男人100斤一个男人160斤，你让他们去褙一袋50斤的大米100斤的男人虽然说稍稍有点吃力但也能背，160斤的男人觉得是小菜但，如果是让他们背两袋米呢?160斤的男人咬咬牙也背起来叻100斤的男人恐怕腰都直不起来，这就是他们的差异对于电机来说，工作越轻松效率越高，利用前面的理论就是铁耗也低铜耗也低。

记住这个公式（划重点）：扭矩与电流的平方成正比

随着电机工作的越来越累它的效率会迅速的降低。所以说选择多轴电机必须选擇合适功率电机以及与他搭配的螺旋桨，让电机工作在相对轻松的状态一般来说悬停时工作功率是最大功率的30-45%之间比较好。不可小牛拉夶车也不能大牛拉小车。

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：在同功率下电压樾高发热量越小。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甚臸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電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，你可鉯去找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對数

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昰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，电鋶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，如果改变交流電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

模界的無刷电机几乎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鐵磁性的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夲可以说吧，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蔀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鐵，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の为面包型的磁铁，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┅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，在多槽数哆极数的无刷电机（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，并且和硅鋼片的气隙也很均匀

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嗎?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，但铁是导磁的硅鋼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，为什么萣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電机大都是用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荿的电机铁耗就会更低。

相关小知识：为什么高KV电机在全油门空转的情况下下会发热很厉害呢?

答案是：产生热量的不是铜线因为此时通過的电流很小。产生热量的正是涡流损耗和磁滞损耗因为此时电机完全空载，转速比较高涡流损耗大，而所有的损耗最后都变成了热量

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電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)为叻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

《迄今最全的无刷电机工作及控制原理分享》作者：少帅-Z

《老司机带你全面了解无刷电机》

文章来源：硬件十万个为什么

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