無刷電機僅僅是沒有那把刷子嗎？

引言：我們常用的無刷電機里面究竟有些什么技術(shù)、如何解釋那些專業(yè)名詞、以及各種參數(shù)和設(shè)備之間究竟有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？

無刷電機的基本概念

根據(jù)電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，我們可以將電機分為有刷電機、內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機和外轉(zhuǎn)子無刷電機。

無刷電機：無刷電機的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機（Brushless motor），依靠改變輸入到無刷電機定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個繞電機幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機就轉(zhuǎn)起來了，電機的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機的控制性能有很大關(guān)系，因為輸入的是直流電，電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機那里接收控制信號，控制電機的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。

無刷電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷電機轉(zhuǎn)子的位置確定可以通過霍爾元件，編碼器或者其他，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機。這些電路，就是電機控制器。無刷電機的控制器，還可以實現(xiàn)一些有刷電機不能實現(xiàn)的功能，比如調(diào)整電源切換角，制動電機，使電機反轉(zhuǎn)，鎖住電機，利用剎車信號，停止給電機供電?，F(xiàn)在電瓶車的電子報警鎖，就充分利用了這些功能。

由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。單個的無刷電機不是一套完整的動力系統(tǒng)，無刷基本必須通過無刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實現(xiàn)連續(xù)不斷的運轉(zhuǎn)。普通的碳刷電機旋轉(zhuǎn)的是繞組，而無刷電機不論是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的都是磁鐵。所以任何一個電機都是由定子和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成的。

無刷電機的結(jié)構(gòu)圖

無刷電機的前蓋、中殼、后蓋主要是整體結(jié)構(gòu)件，起到構(gòu)建電機整體結(jié)構(gòu)的作用。但是外轉(zhuǎn)子無刷電機的外殼同時也是磁鐵的磁路通路，所以外殼必須是導(dǎo)磁性的物質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子的外殼只是結(jié)構(gòu)件，所以不限定材質(zhì)。但是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機比外轉(zhuǎn)子電機多一個轉(zhuǎn)子鐵芯，這個轉(zhuǎn)子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

磁鐵：是安裝在轉(zhuǎn)子上，是無刷電機的重要組成部分，無刷電機的絕大部分性能參數(shù)都與磁鐵相關(guān)，包括功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等。

硅鋼片：是有槽無刷電機的重要組成部分，當然，無槽無刷電機是沒有硅鋼片的，但是目前絕大多數(shù)的無刷電機都是有槽的。它在整個系統(tǒng)中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)軸：是電機轉(zhuǎn)子的直接受力部分，轉(zhuǎn)軸的硬度必須能滿足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的要求。

軸承：是電機運轉(zhuǎn)順暢的保證，軸承可以分為滑動軸承和滾動軸承，而滾動軸承又可以細分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類，而目前大多數(shù)的無刷電機都是采用深溝球軸承。

直流無刷電機動力系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子、定子和位置傳感器三部分等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

采用磁敏式位置傳感器的直流無刷電動機，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ?a target='_blank' class='arckwlink_none'>集成電路等)裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的直流無刷電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等)，當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。

簡單而言，直流無刷電機就是依靠改變輸入到無刷電機定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個繞電機幾何軸心全轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，電機就轉(zhuǎn)起來了，電機的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無刷電機的控制性能有很大關(guān)系，因為輸入的是直流電，電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機那里接收控制信號，控制電機的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。

總的來說，無刷電機的結(jié)構(gòu)是比較簡單的，真正決定其使用性能的還是無刷電子調(diào)速器（也就是電調(diào)），好的電調(diào)需要有單片機控制程序設(shè)計、電路設(shè)計、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制，所以一般來說價格要比有刷電機高出很多。

要講清楚電機原理，首先給大家復(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。

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斷極性的基礎(chǔ)，紅色箭頭方向即為電流方向。

說了無刷電機必然要說一說有刷電機了，難道就僅僅因為那把刷子？

有刷電機：我們也稱為直流電機或者碳刷電機，是歷史最悠久的電機類型，也是目前數(shù)量最多的電機類型。電機工作時，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。這種電機具有造價相對較低、扭力高、結(jié)構(gòu)簡單、易維護等優(yōu)點。不過由于結(jié)構(gòu)限制，所以缺點也比較明顯：

1、機械換向產(chǎn)生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、噪聲大、壽命短。

2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、故障多，需要經(jīng)常維護。

3、由于換向器存在，限制了轉(zhuǎn)子慣量的進一步下降，影響了動態(tài)性能。所以在模界主要應(yīng)用于速度較慢和對震動不敏感的車模、船模上面，航模很少采用有刷電機。

有刷電機與無刷電機區(qū)別：

1.適用范圍：

有刷電機：通常動力設(shè)備使用的都是有刷電機，如吹風機、工廠的電動機、家用的抽油煙機等等、，但是由于碳刷的磨損，需要定期進行更換電刷，因此有刷電機使用壽命。

無刷電機：通常被使用在控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上，如航模，精密儀器儀表等對電機轉(zhuǎn)速控制嚴格，轉(zhuǎn)速達到很高的設(shè)備上。

2.控制方式：

有刷電機：碳電極在線圈接線頭上滑動，線圈產(chǎn)生磁場的N-S極與最靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個適合的角度差，磁場異性相吸、同性相斥，產(chǎn)生力量，推動電機轉(zhuǎn)動。通過調(diào)節(jié)供電電壓的大小直接控制轉(zhuǎn)速，因此比較簡單。

無刷電機：無刷電機通過霍爾元件，編碼器或者其他，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機。一般通過的供電電源的電壓不變，改變電調(diào)的控制信號，通過微處理器再改變大功率MOS管的開關(guān)速率，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。

3、啟動比較：

有刷電機：電機響應(yīng)速度快，起動扭矩大，速度從零到最大幾乎感覺不到振動，起動時可帶動更大的負荷。

無刷電機：起動電阻大(抗)，所以功率因素小，數(shù)字變頻控制，直流變成交流，通過頻率變化控制轉(zhuǎn)速，所以無刷電機在起動和制動時運行不平穩(wěn)，起動扭矩相對較小，起動時有嗡嗡聲，并伴隨著強烈震動，起動時帶動負荷較小，振動大，只有在速度恒定時才會平穩(wěn)。

4、直流有刷電機控制精度高

直流有刷電機通常和減速箱、譯碼器一起使用，使的電機的輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可以達到0.01毫米，幾乎可以讓運動部件停在任何想要的地方。所有精密機床都是采用直流電機控制精度。無刷電機由于在啟動和制動時不平穩(wěn)，所以運動部件每次都會停到不同的位置上，必須通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。

5、節(jié)能方面：

無刷電機根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的實際情況，適時切換線圈中電流的方向，即使在不同的負載下，也可以保證時刻產(chǎn)生最大的扭矩。而有刷電機的換相由于只能有電刷決定，而且存在摩擦損耗，因此相對而言，無刷電機采用變頻技術(shù)控制的會比有刷電機節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。

6、日后維修方面：

碳刷電機需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機的損壞，而無刷電機，使用壽命很長，通常是有刷電機的10倍以上，但是壞了就需要更換電機，但日常維護基本不需要。

7、無電刷、低干擾：

無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設(shè)備的干擾。

8、噪音低，運轉(zhuǎn)順暢：

無刷電機沒有了電刷，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。