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圖解：無刷電機工作及控制原理

由“電工技術(shù)大講壇”推出的

六節(jié)干貨課程，變頻器輕松學(xué)

分享一篇關(guān)于無刷電機的工作原理一些知識，確保只要有高一物理知識的朋友就能夠看得懂，希望有興趣的朋友耐心往下看，相互學(xué)習(xí)!

起首給大家復(fù)習(xí)幾個基礎(chǔ)定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。別懵逼，我下面會給大家解釋。

左手定則，這個是電機轉(zhuǎn)動受力分析的基礎(chǔ)，簡單說就是磁場中的載流導(dǎo)體，會受到力的作用。

讓磁感線穿過手掌正面，手指方向為電流方向，大拇指方向為產(chǎn)生磁力的方向，我相信喜歡玩模型的人都還有一定物理基礎(chǔ)的哈哈。

右手定則，這是產(chǎn)生感生電動勢的基礎(chǔ)，跟左手定則的相反，磁場中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動勢。

讓磁感線穿過掌心，大拇指方向為運動方向，手指方向為產(chǎn)生的電動勢方向。為什么要講感生電動勢呢?不知道大家有沒有類似的經(jīng)歷，把電機的三相線合在一起，用手去轉(zhuǎn)動電機會發(fā)現(xiàn)阻力非常大，這就是因為在轉(zhuǎn)動電機過程中產(chǎn)生了感生電動勢，從而產(chǎn)生電流，磁場中電流流過導(dǎo)體又會產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動方向相反的力，大家就會感覺轉(zhuǎn)動有很大的阻力。不信可以試試。

三相線分開，電機可以輕松轉(zhuǎn)動

三相線合并，電機轉(zhuǎn)動阻力非常大

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。

這個定則是通電線圈判定極性的基礎(chǔ)，赤色箭頭方向即為電流方向。

看完了三大定則，我們接下來先看看電機轉(zhuǎn)動的基本原理。

第一部分：直流電機模型

我們找到一個中學(xué)物理學(xué)過的直流電機的模型，通過磁回路分析法來進行一個簡單的分析。

狀態(tài)1

當兩頭的線圈通上電流時，根據(jù)右手螺旋定則，會產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強度B(如粗箭頭方向所示)，而中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致，以形成一個最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會按順時針方向旋轉(zhuǎn)了。

當轉(zhuǎn)子磁場方向與外部磁場方向垂直時，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動力矩最大。注意這里說的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠然，在轉(zhuǎn)子磁場與外部磁場方向一致時，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，力臂為0，當然也就不會轉(zhuǎn)動了。補充一句，力矩是力與力臂的乘積。其中一個為零，乘積就為零了。

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時，雖然不再受到轉(zhuǎn)動力矩的作用，但由于慣性原因，還會繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，這時若改變兩頭螺線管的電流方向，如下圖所示，轉(zhuǎn)子就會繼續(xù)順時針向前轉(zhuǎn)動，

狀態(tài)2

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會不停轉(zhuǎn)起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相。補充一句：何時換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，而與其他任何量無直接關(guān)系。

第二部分：三相二極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機

一般來說，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，這里就用該模型來做個簡單分析。

上圖顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式(轉(zhuǎn)子未畫出假想是個二極磁鐵)，三個繞組通過中心的連接點以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個電機就引出三根線A, B, C。當它們之間兩兩通電時，有6種情況，分別是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意這是有順序的。

下面我看第一階段：AB相通電

當AB相通電，則A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如赤色箭頭所示，B極產(chǎn)生的磁感線方向如圖藍色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示，那么假設(shè)其中有一個二極磁鐵，則根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”則N極方向會與綠色箭頭所示方向重合。至于C，暫時沒他什么事。

第二階段：AC相通電

第三階段：BC相通電

第三階段：BA相通電

為了節(jié)省篇幅，我們就不一一描述CACB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：

每個過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度

六個過程即完成了完整的轉(zhuǎn)動，其中6次換相

第三部分：三相多繞組多極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機

我們再來看一個復(fù)雜點的，圖(a)是一個三相九繞組六極(三對極)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，它的繞組連線方式見圖 (b)。從圖(b)可見，其三相繞組也是在中間點連接在一起的，也屬于星形聯(lián)結(jié)方式。一般而言，電機的繞組數(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)子的磁鋼相吸對齊。

其運動的原則是：轉(zhuǎn)子的N極與通電繞組的S極有對齊的運動趨勢，而轉(zhuǎn)子的S極與通電繞組的N極有對齊的運動趨勢。

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。

好吧，還是再幫大家分析一下吧，

第一階段：AB相通電

第二階段：AC相通電

第三階段：BC相通電

第四階段：BA通電

第五階段：CA通電

第六階段：CB通電

以上為六個不同的通電狀態(tài)，其中經(jīng)歷了五個轉(zhuǎn)動過程。每個過程為20度。

第四部分：外轉(zhuǎn)子無刷直流電機

看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機的結(jié)構(gòu)，我們來看外轉(zhuǎn)子的。其區(qū)別就在于，外轉(zhuǎn)子電機將原來處于中心位置的磁鋼做成一片片，貼到了外殼上，電機運行時，是整個外殼在轉(zhuǎn)，而中間的線圈定子不動。外轉(zhuǎn)子無刷直流電機較內(nèi)轉(zhuǎn)子來說，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量要大很多(因為轉(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)子電機要慢，通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運用的無刷電機

順便啰嗦一下吧。無刷電機KV值定義為：轉(zhuǎn)速/V，意思為輸入電壓每增加1伏特，無刷電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。比如說，標稱值為1000KV的外轉(zhuǎn)子無刷電機，在11伏的電壓條件下，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刷電機，根據(jù)繞線匝數(shù)的多少，會表現(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。我先前測試過穿越機2204電機的極限電流，單電機能彪上25A，而2212系列電機15A都上不了。

外轉(zhuǎn)子無刷直流電機的結(jié)構(gòu)

分析方法也和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機類似，大家可以自己分析一下，根據(jù)右手螺旋定理判定線圈的N/S極，轉(zhuǎn)子永磁體的N極與定子繞組的S極有對齊(吸引)的趨勢，轉(zhuǎn)子永磁體的S極與定子繞組的N極有對齊(吸引)的趨勢，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。

經(jīng)典無刷電機2212 1000kv電機結(jié)構(gòu)分析。

圖為DJI 2312S電機和XXD 2212電機的(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。

圖為xxd2212線圈拆解圖

圖為12繞組14極(即7對極)，電機繞組繞發(fā)圖

后面畫出了6種兩相通電的情形，可以看出，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，其通電序次其實是相同的，也就是說，不管外轉(zhuǎn)子還是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進行通電換相。當然，如果你想讓電機反轉(zhuǎn)的話，電子方法是按倒過來的序次通電;物理方法直接對調(diào)任意兩根線，假設(shè)A和B對調(diào)，那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有沒有發(fā)現(xiàn)這里順序就完全倒過來了。