(來(lái)源:電子產(chǎn)品世界)
最全講解——無(wú)刷電機(jī)工作及控制原理
發(fā)布時(shí)間:2020-03-25 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】本文分享了無(wú)刷電機(jī)工作原理的相關(guān)知識(shí),首先給大家復(fù)習(xí)幾個(gè)基礎(chǔ)定則:左手定則、右手定則、右手螺旋定則。
首先給大家復(fù)習(xí)幾個(gè)基礎(chǔ)定則:左手定則、右手定則、右手螺旋定則。
?左手定則
這個(gè)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)受力分析的基礎(chǔ),簡(jiǎn)單說(shuō)就是磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體,會(huì)受到力的作用。讓磁感線穿過(guò)手掌正面,手指方向?yàn)殡娏鞣较?,大拇指方向?yàn)楫a(chǎn)生磁力的方向。
左手定則示意圖
?右手定則
這是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ),跟左手定則的相反,磁場(chǎng)中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。讓磁感線穿過(guò)掌心,大拇指方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向,手指方向?yàn)楫a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向。
右手定則示意圖
為什么要講感生電動(dòng)勢(shì)呢?不知道大家有沒(méi)有類似的經(jīng)歷,把電機(jī)的三相線合在一起,用手去轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)阻力非常大,這就是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)過(guò)程中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì),從而產(chǎn)生電流,磁場(chǎng)中電流流過(guò)導(dǎo)體又會(huì)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力,大家就會(huì)感覺(jué)轉(zhuǎn)動(dòng)有很大的阻力。不信可以試試。
三相線分開(kāi),電機(jī)可以輕松轉(zhuǎn)動(dòng)
三相線合并,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力非常大
?右手螺旋定則
用右手握住通電螺線管,使四指彎曲與電流方向一致,那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。這個(gè)定則是通電線圈判斷極性的基礎(chǔ),紅色箭頭方向即為電流方向。
右手螺旋定則示意圖
看完了三大定則,我們接下來(lái)先看看電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本原理。
直流電機(jī)模型
我們找到一個(gè)中學(xué)物理學(xué)過(guò)的直流電機(jī)的模型,通過(guò)磁回路分析法來(lái)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析。
圖1 直流電機(jī)-狀態(tài)一
如圖1所示,當(dāng)兩頭的線圈通上電流時(shí),根據(jù)右手螺旋定則,會(huì)產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B(如粗箭頭方向所示);而中間的轉(zhuǎn)子會(huì)盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致,以形成一個(gè)最短閉合磁力線回路,這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了。
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向與外部磁場(chǎng)方向垂直時(shí),轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩最大。注意這里說(shuō)的是“力矩”最大,而不是“力”最大。誠(chéng)然,在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)方向一致時(shí),轉(zhuǎn)子所受磁力最大,但此時(shí)轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài),力臂為0,當(dāng)然也就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)了。補(bǔ)充一句,力矩是力與力臂的乘積。其中一個(gè)為零,乘積就為零了。
當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時(shí),雖然不再受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用,但由于慣性原因,還會(huì)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)若改變兩頭螺線管的電流方向,如圖2所示,轉(zhuǎn)子就會(huì)繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2 直流電機(jī)-狀態(tài)二
如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向,內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)不停轉(zhuǎn)起來(lái)了。改變電流方向的這一動(dòng)作,就叫做換相。補(bǔ)充一句:何時(shí)換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān),而與其他任何量無(wú)直接關(guān)系。
三相二級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)
一般來(lái)說(shuō),定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式,而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最為常用,這里就用該模型來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)單分析。
圖3 三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式
圖3顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式(轉(zhuǎn)子未畫出假想是個(gè)二極磁鐵),三個(gè)繞組通過(guò)中心的連接點(diǎn)以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個(gè)電機(jī)就引出三根線A、B、C。當(dāng)它們之間兩兩通電時(shí),有6種情況,分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB。注意這是有順序的。
圖4 第一階段:AB相通電情形
如圖4所示,當(dāng)AB相通電,則A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如紅色箭頭所示,B極產(chǎn)生的磁感線方向如藍(lán)色箭頭所示,那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示。假設(shè)其中有一個(gè)二極磁鐵,根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會(huì)盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”,則N極方向會(huì)與綠色箭頭所示方向重合。至于C,暫時(shí)沒(méi)它什么事。
圖5 第二、三、四階段
為了節(jié)省篇幅,我們就不一一描述CA、CB的模型,大家可以自己類推一下。以下為中間磁鐵(轉(zhuǎn)子)的狀態(tài)圖,如圖6所示。
圖6 中間磁鐵(轉(zhuǎn)子)狀態(tài)圖
每個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度,如圖7所示。
圖7
六個(gè)過(guò)程即完成了完整的轉(zhuǎn)動(dòng),其中6次換相。
三相多繞組多級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)
我們?cè)賮?lái)看一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)的。圖8(a)是一個(gè)三相九繞組六極(三對(duì)極)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī),它的繞組連線方式見(jiàn)圖8(b)。從圖8(b)可見(jiàn),其三相繞組也是在中間點(diǎn)連接在一起的,也屬于星形聯(lián)結(jié)方式。
一般而言,電機(jī)的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的(比如用9繞組6極,而不是6繞組6極),這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸對(duì)齊。
圖8 三相九繞組六極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)
其運(yùn)動(dòng)的原則是:轉(zhuǎn)子的N極與通電繞組的S極有對(duì)齊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),而轉(zhuǎn)子的S極與通電繞組的N極有對(duì)齊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。即為S與N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的區(qū)別。
圖9 六種通電狀態(tài)
圖9為六個(gè)不同的通電狀態(tài)。其中經(jīng)歷了五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程,每個(gè)過(guò)程為20度,如圖10 所示。
圖10 轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程
外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)
看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu),我們?cè)賮?lái)看外轉(zhuǎn)子的。其區(qū)別就在于,外轉(zhuǎn)子電機(jī)將原來(lái)處于中心位置的磁鋼做成一片片,貼到了外殼上,電機(jī)運(yùn)行時(shí),是整個(gè)外殼在轉(zhuǎn),而中間的線圈定子不動(dòng)。
外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)較內(nèi)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大很多(因?yàn)檗D(zhuǎn)子的主要質(zhì)量都集中在外殼上),所以轉(zhuǎn)速較內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)要慢,通常KV值在幾百到幾千之間,也是航模主要運(yùn)用的無(wú)刷電機(jī)。
無(wú)刷電機(jī)KV值定義為:轉(zhuǎn)速/V,意思為輸入電壓每增加1伏特,無(wú)刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。比如說(shuō),標(biāo)稱值為1000KV的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī),在11V的電壓條件下,最大空載轉(zhuǎn)速即為:11000rpm(rpm的含義是:轉(zhuǎn)/分鐘)。
同系列同外形尺寸的無(wú)刷電機(jī),根據(jù)繞線匝數(shù)的多少,會(huì)表現(xiàn)出不同的KV特性。繞線匝數(shù)多的,KV值低,最高輸出電流小,扭力大;繞線匝數(shù)少的,KV值高,最高輸出電流大,扭力小。我先前測(cè)試過(guò)穿越機(jī)2204電機(jī)的極限電流,單電機(jī)能彪上25A,而2212系列電機(jī)15A都上不了。
圖11 外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)
分析方法也和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)類似,大家可以自己分析一下,根據(jù)右手螺旋定理判斷線圈的N/S極,轉(zhuǎn)子永磁體的N極與定子繞組的S極有對(duì)齊(吸引)的趨勢(shì),轉(zhuǎn)子永磁體的S極與定子繞組的N極有對(duì)齊(吸引)的趨勢(shì),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
?經(jīng)典無(wú)刷電機(jī)2212 1000KV電機(jī)結(jié)構(gòu)分析
圖12 DJI 2312S電機(jī)(左)和XXD 2212電機(jī)(右)解剖圖
其結(jié)構(gòu)如下:定子繞組固定在底座上,轉(zhuǎn)軸和外殼固定在一起形成轉(zhuǎn)子,插入定子中間的軸承。
圖13 XXD 2212線圈拆解圖
圖14 12繞組14極(7對(duì)極)電機(jī)繞組繞法
如圖15所示,畫出了6種兩相通電的情形??梢钥闯?,盡管繞組和磁極的數(shù)量可以有許多種變化,但從電調(diào)控制的角度看,其通電次序其實(shí)是相同的,也就是說(shuō),不管外轉(zhuǎn)子還是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī),都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進(jìn)行通電換相。
當(dāng)然,如果你想讓電機(jī)反轉(zhuǎn)的話,電子方法是按倒過(guò)來(lái)的次序通電;物理方法直接對(duì)調(diào)任意兩根線,假設(shè)A和B對(duì)調(diào),那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這里順序就完全倒過(guò)來(lái)了。
圖15
要說(shuō)明一下的是,由于每根引出線同時(shí)接入兩個(gè)繞組,所以電流是分兩路走的。這里為使問(wèn)題盡量簡(jiǎn)單化,圖中只畫出了主要一路的電流方向,還有一路電流未畫出。另一路電流涉及到電路檢測(cè)換相位置。
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