【知识解析】让你秒懂手里的无刷电机

2017-09-04 07:31:25 上海研蓝自动化 520

让你真正了解手里的无刷电机

外转子电机.jpg

一、 无刷直流电机基本概念

无刷直流电机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机,它是现代电子技术(包括电子电力、微电子技术)、控制理论和电机技术相结合的产物。

和普通的有刷直流电机利用电枢绕组旋转换向不同,无刷电机是利用电子换向并磁钢旋转的电机。普通的直流电机是利用碳刷进行换向的,碳刷换向存在很大的缺点,主要包括:

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、由于换向器存在,限制了转子惯量的进一步下降,影响了动态性能。

而无刷直流电机的命名就说明了电机的特性:在电机性能上和直流电机性能相近,同时电机没有碳刷。无刷电机是通过电子换向达到电机连续运转目的的。

无刷电机的换向模式分为方波和正弦波驱动,就其位置传感器和控制电路来说,方波驱动相对简单、价廉而得到广泛利用。目前,绝大多数无刷电机采用方波驱动,目前市场上的模型电机全部是方波驱动。
二、 无刷电机的技术优势及劣势

无刷电机的技术优势:

1、 良好的可控性、宽调速范围。

2、较高的可靠性、工作寿命长、无需经常维护。

3、功率因数高、工作效率高、功率密度大。

同样的,无刷直流电机也存在一定的技术劣势:

1、 需要电子控制器才能工作,增加了技术复杂性和成本、降低了可靠性。

2、转子永磁材料限制了电机使用环境,不适用于高温环境。

3、有明显的转矩波动,限制了电机在高性能伺服系统、低速度纹波系统的应用。

三、无刷电机基本参数

命名:外转子电机的命名原则,各个厂家有所不同,有以电机定子的直径高度来命名,也有以电机的直径高度来命名,例如2212电机,指的是该电机定子直径22MM,高度12MM。

定子直径:硅钢片定子的直径

定子高度(厚度):硅钢片定子的高度

铁芯极数(槽数):定子硅钢片的槽数量

磁钢极数(极数):转子上磁钢的数量

匝数(T):电机定子槽上面所绕漆包线的圈数,注意,常规匝数指的是相邻2个槽所绕线圈数量的和,即一个槽绕8圈,另外一个也是8圈,就是16T。

KV值:电机的运转速度,越大电机转速越大。电机转速=KV值*工作电压。

空载电流:指定电压下,电机无任何负载的工作电流。

相电阻:电机连接完毕后,2个接点之间的电阻值。

最大持续电流:该电机运转的最大安全电流。

最大持续功率:该电机运转的最大安全功率 功率=电压*电流。

电机重量:电机的重量。

轴径:转轴的直径。
四、无刷直流电机的几个重要参数解析

1、额定电压

无刷电机适合的工作电压,其实无刷电机适合的工作电压非常广,额定电压是指定了负载条件而得出的情况。例如说,2212-850KV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。所以说,额定工作是由工作环境决定的。

2、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,而让用户可以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,2212-850KV电机在10V电压下的转速就是:850*10=8500RPM(RPM,每分钟转速)。
KV值与匝数是呈反比例关系的,例如2212-850KV,匝数是30T(15圈),那在28T的情况下的KV值是:850KV*30T/28T=910KV。

3、转矩与转速

转矩:(力矩、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。

电机的转矩和转速在同一个电机内永远是一个此消彼长的关系,基本可以认为转矩和转速的乘积是一个定数,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:2212-850KV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。

4、最大电流和最大功率

最大电流: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
每个电机都有自己的力量上限,最大功率就是这个上限,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,如果是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=I²,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。

5、槽极结构(N:槽数,P:极数)

模型常见的内转子无刷电机结构有:3N2P(有感电机常用)、12N4P(大部分内转子电机)

模型常见的外转子无刷电机结构有:9N6P、9N12P、12N8P、12N10P、12N14P、18N16P、24N20P。

模型用内转子无刷电机极数不高的原因:目前内转子电机多用于减速使用,所以要求的转速都比较高。电子转速=实际转速*电机极对数,电子控制器支持的最高电子转速往往都是一个定数,所以如果电机极对数太高的话,支持的最高电机转速就会下降,所以目前的内转子电机极数都是4以内。

关于12N4P内转子电机:属于整数槽电机,大量使用于模型内转子电机,电机使用单层绕组分布绕线。

模型用外转子电机都是分数槽电机,其结构特点和性能如下:

1、N必须是3的倍数,P必须是偶数(磁钢必须是成对的,所以必须是偶数)。

2、P数越小,最高转速越高。例如12N10P的最高转速肯定低于12N16P,反之亦然。

3、N比P大,则相对转速更高。9N6P最高转速肯定高于9N12P,反之亦然。

5、同样的N,P越大扭力越强。扭力,12N16P大于12N14P大于12N10P。

6、N和P之间不能整除,比如12N6P。

外转子槽极结构与应用领域:9N6P减速使用于400-500级别的直升机模型以及小型涵道、9N12P直驱使用于小型固定翼或者其他模型、12N8P减速使用于500-700直升机模型或者直驱使用于中大型涵道、12N10P减速使用于600-800直升机模型、12N14P直驱使用于大部分固定翼和船模,高于12槽结构的无刷电机多见于多轴飞行器。

五、有感电机与无感电机

有感电机的优势:运转精度高、启动平稳

有感电机的劣势:

1、在高温、振动等条件下由于传感器的存在使系统的可靠性降低。

2、 传感器连接线多不便安装、易引起电磁干扰。

3、 传感器的安装精度直接影响电机运行性能,特别是在多极电机安装精度难以保证。

4、 占用空间,限制电机小型化。

无感电机的优点:结构简单、成本较低、安装方便。

无感电机的缺点:转子位置检测精度降低,运转精度降低,启动不如有感电机平稳。

什么是有感电机?

传统的无刷电机都安装有霍尔传感器,利用霍尔传感器检测转子位置实现转向。

什么是无感电机?

去除霍尔传感器,利用电子控制器检测电机的反电动势变化从而确定转子位置实现转向。
六、外转子无刷与内转子无刷

外转子无刷电机的优点:转动惯量大、转动平稳、转矩大、磁铁好固定。

外转子无刷电机的缺点:定子热量无法排出、内部工作环境部封闭,外部杂物可能进入电机内部影响运转。

内转子无刷电机的优点:绕组与外壳直接接触,热量可直接排出,电机内部与外部隔绝,避免外部杂物进入内部。

内转子无刷电机的缺点:扭矩不如外转子无刷电机、磁铁固定较为复杂。
七、常见电机类型

电机的概念:电机是指利用电磁感应定律进行电能转换的一种电磁装置。

电机包括:电动机、发电机、变压器

按工作电源可分为:直流电动机、交流电动机、交直流电动机

直流电机主要包括包括:永磁直流电机、永磁无刷电机

直流电机安装励磁方式主要包括:他励、串励、复励、并励。

交流电机主要包括:单相异步电机、三相异步电机。(完)


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