圖文講解直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理
導(dǎo)讀：直流無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法,同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。它的應(yīng)用非常廣泛，在很多機(jī)電一體化設(shè)備上都有它的身影。
什么是無(wú)刷電機(jī)？
直流無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級(jí)的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的體積比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開(kāi)關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無(wú)換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。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(jìn)行換流（即檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開(kāi)關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)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(kāi)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無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，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眉呻娐返龋┭b在定子組件上，用來(lái)檢測(cè)永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。
采用光電式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，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(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號(hào)。
采用電磁式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，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(kāi)關(guān)、LC諧振電路等），當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)（其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化）。
看看這個(gè)工程師怎么說(shuō)？
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。別懵逼，我下面會(huì)給大家解釋。
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)殡娏鞣较颍竽粗阜较驗(yàn)楫a(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(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。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。
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。
第一部分：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。

狀態(tài)1
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，如下圖所示，轉(zhuǎn)子就會(huì)繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動(dòng)，

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(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。
第二部分：三相二極內(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。

上圖顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)子未畫(huà)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。
下面我看第一階段：AB相通電

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)生的磁感線方向如圖藍(lán)色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示，那么假設(shè)其中有一個(gè)二極磁鐵，則根據(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)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：

每個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度

六個(gè)過(guò)程即完成了完整的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中6次換相。
第三部分：三相多繞組多極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)
      我們?cè)賮?lái)看一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)的，圖(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 (b)。從圖(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。

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。
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(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。

第四部分：外轉(zhuǎn)子直流無(wú)刷電機(jī)
看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)，我們來(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)子直流無(wú)刷電機(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)
順便啰嗦一下吧。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(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。
外轉(zhuǎn)子直流無(wú)刷電機(jī)的結(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。

圖為DJI 2312S電機(jī)和XXD 2212電機(jī)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(duì)極），電機(jī)繞組繞發(fā)圖。
后面畫(huà)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。

AB相通電

AC相通電

BC相通電

BA相通電

CA相通電

CB相通電
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，下面幾個(gè)圖中只畫(huà)出了主要一路的電流方向，還有一路電流未畫(huà)出，另一路電流的具體情況放在后面進(jìn)行分析，涉及到電路檢測(cè)換相位置。