最全講解 | 無刷電機工作及控制原理
2020-11-22 電子工程專輯本文分享了無刷電機工作原理的相關知識，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，相互學習~
首先給大家複習幾個基礎定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。
▶左手定則
這個是電機轉動受力分析的基礎，簡單說就是磁場中的載流導體，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，大拇指方向為產生磁力的方向。
左手定則示意圖
▶右手定則
這是產生感生電動勢的基礎，跟左手定則的相反，磁場中的導體因受到力的牽引切割磁感線產生電動勢。讓磁感線穿過掌心，大拇指方向為運動方向，手指方向為產生的電動勢方向。
右手定則示意圖
為什麼要講感生電動勢呢？不知道大家有沒有類似的經歷，把電機的三相線合在一起，用手去轉動電機會發現阻力非常大，這就是因為在轉動電機過程中產生了感生電動勢，從而產生電流，磁場中電流流過導體又會產生和轉動方向相反的力，大家就會感覺轉動有很大的阻力。不信可以試試。
三相線分開，電機可以輕鬆轉動
三相線合併，電機轉動阻力非常大
▶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，那麼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，紅色箭頭方向即為電流方向。
右手螺旋定則示意圖
看完了三大定則，我們接下來先看看電機轉動的基本原理。
我們找到一個中學物理學過的直流電機的模型，通過磁迴路分析法來進行一個簡單的分析。
圖1 直流電機-狀態一
如圖1所示，當兩頭的線圈通上電流時，根據右手螺旋定則，會產生方向指向右的外加磁感應強度B（如粗箭頭方向所示）；而中間的轉子會儘量使自己內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迴路，這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。
當轉子磁場方向與外部磁場方向垂直時，轉子所受的轉動力矩最大。注意這裡說的是「力矩」最大，而不是「力」最大。誠然，在轉子磁場與外部磁場方向一致時，轉子所受磁力最大，但此時轉子呈水平狀態，力臂為0，當然也就不會轉動了。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。
當轉子轉到水平位置時，雖然不再受到轉動力矩的作用，但由於慣性原因，還會繼續順時針轉動，這時若改變兩頭螺線管的電流方向，如圖2所示，轉子就會繼續順時針向前轉動。
圖2 直流電機-狀態二
如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內轉子就會不停轉起來了。改變電流方向的這一動作，就叫做換相。補充一句：何時換相只與轉子的位置有關，而與其他任何量無直接關係。
一般來說，定子的三相繞組有星形聯結方式和三角聯結方式，而「三相星形聯結的二二導通方式」最為常用，這裡就用該模型來做個簡單分析。
圖3 三相星形聯結的二二導通方式
圖3顯示了定子繞組的聯結方式（轉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」型的方式被聯結在一起。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。
圖4 第一階段：AB相通電情形
如圖4所示，當AB相通電，則A極線圈產生的磁感線方向如紅色箭頭所示，B極產生的磁感線方向如藍色箭頭所示，那麼產生的合力方向即為綠色箭頭所示。假設其中有一個二極磁鐵，根據「中間的轉子會儘量使自己內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。至於C，暫時沒它什麼事。
圖5 第二、三、四階段
為了節省篇幅，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（轉子）的狀態圖，如圖6所示。
圖6 中間磁鐵（轉子）狀態圖
每個過程轉子旋轉60度，如圖7所示。
圖7
六個過程即完成了完整的轉動，其中6次換相。
我們再來看一個複雜點的。圖8(a)是一個三相九繞組六極（三對極）內轉子電機，它的繞組連線方式見圖8(b)。從圖8(b)可見，其三相繞組也是在中間點連接在一起的，也屬於星形聯結方式。
一般而言，電機的繞組數量都和永磁極的數量是不一致的（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子的磁鋼相吸對齊。
圖8 三相九繞組六極內轉子電機
其運動的原則是：轉子的N極與通電繞組的S極有對齊的運動趨勢，而轉子的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別。
圖9 六種通電狀態
圖9為六個不同的通電狀態。其中經歷了五個轉動過程，每個過程為20度，如圖10 所示。
圖10 轉動過程
看完了內轉子無刷直流電機的結構，我們再來看外轉子的。其區別就在於，外轉子電機將原來處於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，而中間的線圈定子不動。
外轉子無刷直流電機較內轉子來說，轉子的轉動慣量要大很多（因為轉子的主要質量都集中在外殼上），所以轉速較內轉子電機要慢，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。
無刷電機KV值定義為：轉速/V，意思為輸入電壓每增加1伏特，無刷電機空轉轉速增加的轉速值。比如說，標稱值為1000KV的外轉子無刷電機，在11V的電壓條件下，最大空載轉速即為：11000rpm（rpm的含義是：轉/分鐘）。
同系列同外形尺寸的無刷電機，根據繞線匝數的多少，會表現出不同的KV特性。繞線匝數多的，KV值低，最高輸出電流小，扭力大；繞線匝數少的，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。
圖11 外轉子無刷直流電機結構
分析方法也和內轉子電機類似，大家可以自己分析一下，根據右手螺旋定理判斷線圈的N/S極，轉子永磁體的N極與定子繞組的S極有對齊（吸引）的趨勢，轉子永磁體的S極與定子繞組的N極有對齊（吸引）的趨勢，從而驅動電機轉動。
▶經典無刷電機2212 1000KV電機結構分析
圖12 DJI 2312S電機(左)和XXD 2212電機(右)解剖圖
其結構如下：定子繞組固定在底座上，轉軸和外殼固定在一起形成轉子，插入定子中間的軸承。
圖13 XXD 2212線圈拆解圖
圖14 12繞組14極(7對極)電機繞組繞法
如圖15所示，畫出了6種兩相通電的情形。可以看出，儘管繞組和磁極的數量可以有許多種變化，但從電調控制的角度看，其通電次序其實是相同的，也就是說，不管外轉子還是內轉子電機，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的話，電子方法是按倒過來的次序通電;物理方法直接對調任意兩根線，假設A和B對調，那麼順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有沒有發現這裡順序就完全倒過來了。
圖15
要說明一下的是，由於每根引出線同時接入兩個繞組，所以電流是分兩路走的。這裡為使問題儘量簡單化，圖中只畫出了主要一路的電流方向，還有一路電流未畫出。另一路電流涉及到電路檢測換相位置。
來源：大疆社區
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