無(wú)刷電機(jī)僅僅是沒(méi)有那把刷子嗎？

引言：我們常用的無(wú)刷電機(jī)里面究竟有些什么技術(shù)、如何解釋那些專(zhuān)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(wú)刷電機(jī)的基本概念

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

無(wú)刷電機(jī)：無(wú)刷電機(jī)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(jī)用來(lái)交替變換電磁場(chǎng)的換向電刷，故稱(chēng)之為無(wú)刷電機(jī)（Brushless motor），依靠改變輸入到無(wú)刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周?chē)纬梢粋€(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無(wú)刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?，電流需?a target='_blank' class='arckwlink_none'>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(jī)那里接收控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。

無(wú)刷電機(jī)采取電子換向，線圈不動(dòng)，磁極旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置確定可以通過(guò)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(shí)切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這些電路，就是電機(jī)控制器。無(wú)刷電機(jī)的控制器，還可以實(shí)現(xiàn)一些有刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的功能，比如調(diào)整電源切換角，制動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，鎖住電機(jī)，利用剎車(chē)信號(hào)，停止給電機(jī)供電。現(xiàn)在電瓶車(chē)的電子報(bào)警鎖，就充分利用了這些功能。

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。單個(gè)的無(wú)刷電機(jī)不是一套完整的動(dòng)力系統(tǒng)，無(wú)刷基本必須通過(guò)無(wú)刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)。普通的碳刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的是繞組，而無(wú)刷電機(jī)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(gè)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成的。

無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

無(wú)刷電機(jī)的前蓋、中殼、后蓋主要是整體結(jié)構(gòu)件，起到構(gòu)建電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的作用。但是外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)的外殼同時(shí)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(jī)比外轉(zhuǎn)子電機(jī)多一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯，這個(gè)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(wú)刷電機(jī)的重要組成部分，無(wú)刷電機(jī)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(wú)刷電機(jī)的重要組成部分，當(dāng)然，無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)是沒(méi)有硅鋼片的，但是目前絕大多數(shù)的無(wú)刷電機(jī)都是有槽的。它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)軸：是電機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢的保證，軸承可以分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，而滾動(dòng)軸承又可以細(xì)分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類(lèi)，而目前大多數(shù)的無(wú)刷電機(jī)都是采用深溝球軸承。

直流無(wú)刷電機(jī)動(dòng)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(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(lèi)型。

采用磁敏式位置傳感器的直流無(wú)刷電動(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?a target='_blank' class='arckwlink_none'>集成電路等)裝在定子組件上，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直流無(wú)刷電動(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)。

簡(jiǎn)單而言，直流無(wú)刷電機(jī)就是依靠改變輸入到無(wú)刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周?chē)纬梢粋€(gè)繞電機(jī)幾何軸心全轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無(wú)刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟姡娏餍枰娮诱{(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡(jiǎn)單的，真正決定其使用性能的還是無(wú)刷電子調(diào)速器（也就是電調(diào)），好的電調(diào)需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過(guò)程的總體控制，所以一般來(lái)說(shuō)價(jià)格要比有刷電機(jī)高出很多。

要講清楚電機(jī)原理，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(lèi)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。

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。

說(shuō)了無(wú)刷電機(jī)必然要說(shuō)一說(shuō)有刷電機(jī)了，難道就僅僅因?yàn)槟前阉⒆樱?/p>

有刷電機(jī)：我們也稱(chēng)為直流電機(jī)或者碳刷電機(jī)，是歷史最悠久的電機(jī)類(lèi)型，也是目前數(shù)量最多的電機(jī)類(lèi)型。電機(jī)工作時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換相器和電刷來(lái)完成的。這種電機(jī)具有造價(jià)相對(duì)較低、扭力高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)由于結(jié)構(gòu)限制，所以缺點(diǎn)也比較明顯：

1、機(jī)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(hù)。

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

有刷電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)區(qū)別：

1.適用范圍：

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

無(wú)刷電機(jī)：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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格，轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。

2.控制方式：

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

無(wú)刷電機(jī)：無(wú)刷電機(jī)通過(guò)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(shí)切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。一般通過(guò)的供電電源的電壓不變，改變電調(diào)的控制信號(hào)，通過(guò)微處理器再改變大功率MOS管的開(kāi)關(guān)速率，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。

3、啟動(dòng)比較：

有刷電機(jī)：電機(jī)響應(yīng)速度快，起動(dòng)扭矩大，速度從零到最大幾乎感覺(jué)不到振動(dòng)，起動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)更大的負(fù)荷。

無(wú)刷電機(jī)：起動(dòng)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(guò)頻率變化控制轉(zhuǎn)速，所以無(wú)刷電機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)運(yùn)行不平穩(wěn)，起動(dòng)扭矩相對(duì)較小，起動(dòng)時(shí)有嗡嗡聲，并伴隨著強(qiáng)烈震動(dòng)，起動(dòng)時(shí)帶動(dòng)負(fù)荷較小，振動(dòng)大，只有在速度恒定時(shí)才會(huì)平穩(wěn)。

4、直流有刷電機(jī)控制精度高

直流有刷電機(jī)通常和減速箱、譯碼器一起使用，使的電機(jī)的輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可以達(dá)到0.01毫米，幾乎可以讓運(yùn)動(dòng)部件停在任何想要的地方。所有精密機(jī)床都是采用直流電機(jī)控制精度。無(wú)刷電機(jī)由于在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)不平穩(wěn)，所以運(yùn)動(dòng)部件每次都會(huì)停到不同的位置上，必須通過(guò)定位銷(xiāo)或限位器才可以停在想要的位置上。

5、節(jié)能方面：

無(wú)刷電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際情況，適時(shí)切換線圈中電流的方向，即使在不同的負(fù)載下，也可以保證時(shí)刻產(chǎn)生最大的扭矩。而有刷電機(jī)的換相由于只能有電刷決定，而且存在摩擦損耗，因此相對(duì)而言，無(wú)刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會(huì)比有刷電機(jī)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(jī)需要更換碳刷，如果更換不及時(shí)會(huì)造成電機(jī)的損壞，而無(wú)刷電機(jī)，使用壽命很長(zhǎng)，通常是有刷電機(jī)的10倍以上，但是壞了就需要更換電機(jī)，但日常維護(hù)基本不需要。

7、無(wú)電刷、低干擾：

無(wú)刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒(méi)有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

8、噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢：

無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有了電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會(huì)低許多，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。