無刷電機(jī)

無刷直流電機(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)。

工作原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(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關(guān)電路提供。 ［2］

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?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/123/" target="_blank">集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測(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）。

結(jié)構(gòu)解析

結(jié)構(gòu)上，無刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反；有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，和動(dòng)力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電機(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)用來交替變換電磁場(chǎng)的換向電刷，故稱之為無刷電機(jī)（Brushless motor），那現(xiàn)在就有問題了，沒有了電磁場(chǎng)的變換，如何讓無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？

簡(jiǎn)單而言，依靠改變輸入到無刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個(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。 總的來說，無刷電機(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刷電子調(diào)速器，好的電子調(diào)速器需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過程的總體控制，所以價(jià)格要比有刷電機(jī)高出很多。 ［1］

相關(guān)對(duì)比

有刷電機(jī)缺點(diǎn)

（1）摩擦大，損耗大

老模友們?cè)谝郧巴嬗兴㈦姍C(jī)的時(shí)候都碰到這個(gè)問題，那就是使用電機(jī)一段時(shí)間以后，需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維護(hù)強(qiáng)度不亞于來一次家庭大掃除。

（2）發(fā)熱大，壽命短

由于有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機(jī)整體電阻較大，容易發(fā)熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會(huì)退磁的，使電機(jī)性能下降，影響有刷電機(jī)的壽命。

（3）效率低，輸出功率小

上面說到的有刷電機(jī)發(fā)熱問題，很大程度是因?yàn)殡娏髯龉υ陔姍C(jī)內(nèi)部電阻上了，所以電能有很大程度轉(zhuǎn)化為了熱能，所以有刷電機(jī)的輸出功率不大，效率也不高。

無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

（1）無電刷、低干擾

無刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機(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。

（2）噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

無刷電機(jī)沒有了電刷，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。

（3）壽命長(zhǎng)，低維護(hù)成本

少了電刷，無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了，從機(jī)械角度看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了，必要的時(shí)候，只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較，就知道無刷電機(jī)相對(duì)于有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在哪里了，但是萬事都不是絕對(duì)的，有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的，不過就無刷電機(jī)的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，無刷動(dòng)力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

其他區(qū)別

（1）適用范圍：

無刷電機(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。

碳刷電機(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，另外串激電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能達(dá)到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機(jī)。

（2）使用壽命：

無刷電機(jī)：通常使用壽命在幾萬小時(shí)這個(gè)數(shù)量級(jí)，但是由于軸承的不同無刷電機(jī)使用壽命也有很大不同。

碳刷電機(jī)：通常有刷電機(jī)的連續(xù)工作壽命在幾百到1千多個(gè)小時(shí)，到達(dá)使用極限就需要更換碳刷，不然很容易造成軸承的磨損。

（3）使用效果：

無刷電機(jī)：通常是數(shù)字變頻控制，可控性強(qiáng)，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。

碳刷電機(jī)：舊碳刷電機(jī)一般啟動(dòng)以后工作轉(zhuǎn)速恒定，調(diào)速不是很容易，串激電機(jī)也能達(dá)到20000轉(zhuǎn)/分，但是使用壽命會(huì)比較短。

（4）節(jié)能方面：

相對(duì)而言，無刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會(huì)比串激電機(jī)節(jié)能很多，最典型的就是變頻空調(diào)和冰箱。

（5）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。

（6）噪音方面與是否是有刷電機(jī)無關(guān)，主要是看軸承和電機(jī)內(nèi)部組件的配合情況。

（7）模型無刷電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，除了外形尺寸（外徑、長(zhǎng)度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數(shù)外，還少不了一個(gè)重要指標(biāo)KV值，這個(gè)數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個(gè)性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。

有刷電機(jī)與無刷電機(jī)的接線方法

由于換向方式不一樣，有刷電機(jī)與無刷電機(jī)不但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣，而且在接線方式上的區(qū)別也非常大。1有刷電機(jī)的接線方法有刷電機(jī)一般有正負(fù)兩根引線。一般紅線是電機(jī)正極，黑線是電機(jī)負(fù)板。如果將正負(fù)極交換接線，只會(huì)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，一般不會(huì)損壞電機(jī)。2無刷電機(jī)相角的判斷無刷電機(jī)的相角是無刷電機(jī)的相位代數(shù)角的簡(jiǎn)稱，指無刷電機(jī)各線圈在一個(gè)通電周期里面線圈內(nèi)部電流方向改變的角度。電動(dòng)車用無刷電機(jī)常見的相位代數(shù)角有120度與60度

由于換向方式不一樣，有刷電機(jī)與無刷電機(jī)不但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣，而且在接線方式上的區(qū)別也非常大。

1 有刷電機(jī)的接線方法

有刷電機(jī)一般有正負(fù)兩根引線。一般紅線是電機(jī)正極，黑線是電機(jī)負(fù)板。如果將正負(fù)極交換接線，只會(huì)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，一般不會(huì)損壞電機(jī)。

2 無刷電機(jī)相角的判斷

無刷電機(jī)的相角是無刷電機(jī)的相位代數(shù)角的簡(jiǎn)稱，指無刷電機(jī)各線圈在一個(gè)通電周期里面線圈內(nèi)部電流方向改變的角度。電動(dòng)車用無刷電機(jī)常見的相位代數(shù)角有120度與60度兩種。

觀察霍耳元件安裝空間位置判斷無刷電機(jī)的相角：120度和60度兩種相角的霍耳元件安裝空間位置不一樣。60度電機(jī)三個(gè)霍耳的排列都是一樣的，120度電機(jī)中間的那個(gè)霍耳要翻轉(zhuǎn)180度安裝。

無刷電機(jī)的霍耳元件有五根引線，分別是霍耳元件的公共電源正極、公共電源負(fù)極、A相霍耳輸出、B相霍耳輸出、C相霍耳輸出。我們可以利用無刷控制器（60度或120度）的五根霍耳引線，將無刷電機(jī)霍耳元件引線上的正負(fù)電源接好，將其余A 、B、C三個(gè)相位傳感器的引線，任意接在控制器霍耳信號(hào)引線的引線上。接通控制器電源，由控制器給霍耳元件供電，就可以檢測(cè)到無刷電機(jī)的相角了。

方法如下：用萬用表的+20V直流電壓檔，并將黑表筆接地線，紅表筆分別測(cè)量三個(gè)引線的電壓情況，記錄下三根引線的高低電壓。輕微轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，讓電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)最小磁拉力角度，再次測(cè)量并記錄下三根引線的高低電壓，如此測(cè)量記錄6次。我們用1表示高電位，用0表示低電位，那么，如果是60度無刷電機(jī)，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)6個(gè)最小磁接力角度，則測(cè)量出的霍耳真值信號(hào)應(yīng)該是：100、110、111、011、001、000。調(diào)整三個(gè)霍耳元件引線的引腳順序變化，這樣對(duì)于60度無刷電機(jī)的A、B、C三個(gè)相位就判斷出來了。

如果是120度無刷電機(jī)，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)6 個(gè)最小磁拉力角度，測(cè)量出的霍耳真值信號(hào)應(yīng)該是按照100、110、010、001、101的規(guī)律變化，這樣霍耳元件引線的通電相序就判斷出來了。

3 無刷電機(jī)的接線方法

無刷電機(jī)的線圈引線有3 根，霍耳引線有5 根，這8 根線必須和控制器的相應(yīng)引線一一對(duì)應(yīng)，否則電機(jī)不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

一般來講，60度和120度相角的無刷電機(jī)，需要由與之相對(duì)應(yīng)的60度和120度相角的無刷控制器來驅(qū)動(dòng)，兩種相角的控制器不能直接互換。60度相角的無刷電機(jī)與60度相角的控制器相連的8根線的正確接線有兩種，一種正轉(zhuǎn)，一種反轉(zhuǎn)。

因?yàn)閷?duì)于120度相角的無刷電機(jī)，通過調(diào)整線圈引線的相序和霍耳引線的相序，電機(jī)與控制器相連的8根線的正確接線可以有6 種，其中3種接法電機(jī)正轉(zhuǎn)，另外3種接法電機(jī)反轉(zhuǎn)。

如果無刷電機(jī)反轉(zhuǎn)，表明無刷控制器與無刷電機(jī)的相角是匹配的，我們可以這樣來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)向：將無刷電機(jī)與無刷控制器的霍耳引線的A、C交換接線；同時(shí)將無刷電機(jī)與無刷控制器的主相線A、B交換接線。

注：目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了智能無刷控制器，這種智能無刷控制器具有自動(dòng)識(shí)別電機(jī)相角的功能，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)60度與120度兩種相角的無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

☆控制器的正確安裝

在安裝控制器的時(shí)候，一定要與控制器相連接的接插件垂直地面擺放，以防止接插件積水。將控制器的引線用尼龍?jiān)鷰Ч潭ㄔ谲圀w上，以防止引線與車體發(fā)生磨擦面損壞引線。盡量將控制器安裝位置抬高遠(yuǎn)離地面，另外將控制器外殼的開口朝下，以防止控制器進(jìn)水。

☆無刷控制器的缺相

無刷控制器主相位缺相的檢測(cè)方法可以參照有刷控制器的飛車故障排除法，檢測(cè)MOS管是否擊穿，無刷控制器MOS管擊穿一般是某一個(gè)相位的上下兩個(gè)一對(duì)MOS管同時(shí)擊穿，更換時(shí)確保同時(shí)更換。

無刷控制器的霍耳缺相表現(xiàn)為控制器不能識(shí)別電機(jī)霍耳信號(hào)。檢測(cè)方法是：拔開控制器與無刷電機(jī)的霍耳引線，在控制器通電狀態(tài)下，用萬用表的直流電壓檔，并將黑表筆靠在控制器霍耳引線的黑線上，紅表筆測(cè)量控制器的其它霍耳引線。應(yīng)該有+5V以上的電壓，否則說明控制器內(nèi)部霍耳輸出電路出現(xiàn)故障。通過測(cè)量霍耳引線的濾波電容和主控制芯片的相應(yīng)引腳，進(jìn)一步判斷故障位置。更換濾波電容或更換主控制芯片可以排除故障。

☆無刷電機(jī)的缺相

無刷電機(jī)缺相一般是由于無刷電機(jī)的霍耳元件損壞引起的。我們可以通過測(cè)量霍耳元件輸出引線相對(duì)霍耳地線和相對(duì)霍耳電源引線的電阻，用比較法判斷是哪只霍耳元件出現(xiàn)故障。

為保證電機(jī)換相位置的精確，一般建議同時(shí)更換所有的三個(gè)霍耳元件。更換霍耳元件之前，必須弄清楚電機(jī)的相位代數(shù)角是120o還是60o，一般60o相角電機(jī)的三個(gè)霍耳元件的擺放位置是平行的。而120o相角電機(jī)，三個(gè)霍耳元件中間的一個(gè)霍耳元件是呈翻轉(zhuǎn)180o位置擺放的。