有刷、有感和无刷无感电机

2016-4-18 二赛君 学习笔记

一、有刷马达的原理
    要讲清这一问题,那就应粗略地了解一下有刷马达的工作原理。接下来用一个三电极、二磁极内转子有刷马达作为演示。

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        通过图片可见有刷电机最基本的组成部分除了定子,转子,还有碳刷,有刷电机因此也叫碳刷电机,或者有碳刷电机。
        碳刷通过与绕组上的铜头接触,让电机得以转动。但是由于由于高速转动时,会带来碳刷的磨损,因此有刷电机需要在碳刷用完之后,更换碳刷。
        而铜头也会磨损,因此在有碳刷时代的竞赛电机,除了更换碳刷,还需要打磨铜头,让铜头保持光滑。更换碳刷后还需要磨合,让碳刷与铜头的接触面积最大化,以实现最大电流来提高电机的转速/扭矩。

二、无刷电机工作原理

    无刷是把线圈绕在定子上,然后把磁铁做成转子,转动的是磁铁,而不是线圈,因此就没有了碳刷这个消耗品。
    既然线圈固定了,那么如何让线圈产生变化的磁场呢?这就是为什么无刷需要3根线的原因了。利用无刷电调,给线圈组对应地供电以产生相应的磁场,就可以实现不停地驱动磁铁转子保持转动      

     首先,无刷电机不是直流电机,模型虽然是直流电池供电,但通过无刷电调之后就转变为了三相交变电流传输到了三个极性上。通过下图可以看出,无刷电机是没有碳刷的,和有刷相反,无刷电机的磁铁成了转子~

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三、无刷电机的命名

        相对有刷电机,无刷电机的命名好理解很多,一般它由四个数字组成,例如2040无刷电机。这个数字仅代表电机的外形尺寸,2040表示直径为20mm,长度为40mm的电机。同理3650无刷电机表示此电机直径36mm,长度50mm。

    其实370有刷电机的大小和2530无刷电机一样,540电机的大小和3650无刷电机一样。

四、无刷电机的特点

1、没有碳刷,理论上转子无需和外界有导体上的链接。

2、在运行过程中,无刷电机的转速是靠交流电的频率决定的,所以频率越高无刷电机可以转得越快。

3、无刷电机的转速是严格按照KV值设定的,1000KV表示每一福特电机转速加快1000转。所以电压为5V时,1000kv的无刷电机转速5000rpm。

4、在运行过程中,同样转速电机的扭力是靠电调输出的电流强度决定的,电流越大扭力越大。(理想状态下,我们“聪明”的无刷电调会不断“监测”我们的电机是否需要更大的扭力,同时也会保证扭力不过剩)

五、外转子与内转子无刷电机

       上面无刷电机工作原理图所示的是内转子无刷电机,顾名思义,磁铁在里边。而外转子无刷电机则相反,它的磁铁“包”在外面。而A、B、C电极在里边。这样的设计可以让电机的扭力更大,但转速却上不来。在模型中,一般外转子无刷电机的KV值在2000以内,而内转子无刷电机则可以到8000-9000kv。因为这个原因,一般飞机上常见外转子无刷电机,而模型车和模型船一般都使用内转子无刷电机。

六、有感无刷和无感无刷

        要说明这个问题首先要弄懂感是感的啥~,有感无刷中的感是指“霍尔传感器”,那么什么是“霍尔”呢?霍尔是指的霍尔效应,这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。

        那么我们为什么要感应这玩意?要说清这个问题就必须从无感无刷的一个缺点说起。刚才说了无刷电机的转速是靠交流电频率决定的,那么电调要想方设法弄明白目前电机的转速以及当前电机的状态。其实这对已经正常运转的电机来说很容易,但对于一个刚刚起步或者运行速度很慢的电机来说就显得比较麻烦了(很难较准确的测出电机转速的状态),所以无感无刷电机会在低速时线性不好甚至可能会颤抖,而起步的扭力也难以强过同等级有刷电机。

        但是人们发现无论什么运行状态的无刷电机,它的霍尔效应都是明显的,所以通过霍尔效应电调可以很容易的知道无论高速还是低速电机的运行状态,从而解决了无感无刷电机的毛病!但就目前来看霍尔传感器并不是廉价货,所以有感无刷电机、电调的价格会比无感无刷贵上许多。

无刷是把线圈绕在定子上,然后把磁铁做成转子,转动的是磁铁,而不是线圈,因此就没有了碳刷这个消耗品。
    既然线圈固定了,那么如何让线圈产生变化的磁场呢?这就是为什么无刷需要3根线的原因了。利用无刷电调,给线圈组对应地供电以产生相应的磁场,就可以实现不停地驱动磁铁转子保持转动。

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  有刷电机由于只需要向碳刷提供固定的电流就可以让转子自动转动,而不需要像无刷电调那样持续地变换电流以及电流的方向来提供变化的磁场以驱动转子,因此有刷电机不存在有感还是无感的问题。
    而无刷,如上述,需要时刻改变电流以及方向,因此如果能随时都知道转子的位置,对于电调来说,就方便很多了。
        无感电机,在启动时由于不知道转子磁极位置,只能随机变换电流,类似于“蒙”,总有一个时候转子会转动起来,而转子转动起来之后,就能靠线圈上的电流变化来计算转子的位置,从而控制电流与方向。这就是为什么无感无刷在起步时,总是有咔咔咔的症状。
        而有感则不同,有了感应器,电调从一开始就知道转子磁极位置,直接就能给对应的线圈提供对应的电流,以驱动转子。但是电流很小时,电机就会发出持续的吱吱吱的声音。这就是为什么有感电机在低速时会听到连续的类似吱吱吱的声音,而无感则不会。
            因此有感电机,都会有一根专用的感应线,从电机连接到电调上。必须同时接好电调与电机上的感应线,才能让电机工作在有感模式。

        无感电机的优势:没有感应器,成本更低,而且可以直接泡水;缺点是线性不如有感电机。
        有感电机的优势:电机的线性更佳,手感更棒;缺点是造价高,且不容易做防水。

七、常见模型用有刷、无感无刷、有感无刷电机对比

 

有刷电机    无感无刷    有感无刷

转换效率:        低       高        高

电机输出功率:      低       高        高

起步扭力:        好       一般       好

中高速扭力:       一般      好        好

低速线性:        较好      一般       好

中高速线性:       好       好        好

最高速度(一般540电机): 常见2万     常见5万     常见5万

易磨损程度:      容易磨损    不易磨损     不易磨损

电机价格(540级)    中档100RMB   最低120RMB   最低200RMB

电调价格(540级)   中档平均120左右       最低200RMB   最低300RMB

标签: 电机

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