浅谈有刷、有感和无刷无感电机的使用心得

　　无刷电机

 

　　无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。

 

　　工作原理

 

　　无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

 

　　无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。 ［2］

 

　　位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

 

　　采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

 

　　采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

 

　　采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

 

　　结构解析

 

　　结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反；有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushless motor），那现在就有问题了，没有了电磁场的变换，如何让无刷电机转动呢？

 

　　简单而言，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以满足模型使用需要。 总的来说，无刷电机的结构是比较简单的，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器，好的电子调速器需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制，所以价格要比有刷电机高出很多。 ［1］

 

　　相关对比

 

　　有刷电机缺点

 

　　（1）摩擦大，损耗大

 

　　老模友们在以前玩有刷电机的时候都碰到这个问题，那就是使用电机一段时间以后，需要打开电机来清理电机的碳刷，费时费力，维护强度不亚于来一次家庭大扫除。

 

　　（2）发热大，寿命短

 

　　由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，容易发热，而永磁体是热敏元件，如果温度太高的话，磁钢是会退磁的，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命。

 

　　（3）效率低，输出功率小

 

　　上面说到的有刷电机发热问题，很大程度是因为电流做功在电机内部电阻上了，所以电能有很大程度转化为了热能，所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高。

 

　　无刷电机优点

 

　　（1）无电刷、低干扰

 

　　无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

 

　　（2）噪音低，运转顺畅

 

　　无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。

 

　　（3）寿命长，低维护成本

 

　　少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。上下一比较，就知道无刷电机相对于有刷电机的优势在哪里了，但是万事都不是绝对的，有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的，不过就无刷电机的使用方便性来看，随着无刷控制器的成本下降趋势和国内外无刷技术的发展与市场竞争，无刷动力系统正在高速的发展与普及阶段，这也极大促进了模型运动的发展。

 

　　其他区别

 

　　（1）适用范围：

 

　　无刷电机：通常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上。

 

　　碳刷电机：通常动力设备使用的都是有刷电机，如吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等，另外串激电机的转速也能达到很高，但是由于碳刷的磨损，使用寿命不如无刷电机。

 

　　（2）使用寿命：

 

　　无刷电机：通常使用寿命在几万小时这个数量级，但是由于轴承的不同无刷电机使用寿命也有很大不同。

 

　　碳刷电机：通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时，到达使用极限就需要更换碳刷，不然很容易造成轴承的磨损。

 

　　（3）使用效果：

 

　　无刷电机：通常是数字变频控制，可控性强，从每分钟几转，到每分钟几万转都可以很容易实现。

 

　　碳刷电机：旧碳刷电机一般启动以后工作转速恒定，调速不是很容易，串激电机也能达到20000转/分，但是使用寿命会比较短。

 

　　（4）节能方面：

 

　　相对而言，无刷电机采用变频技术控制的会比串激电机节能很多，最典型的就是变频空调和冰箱。

 

　　（5）日后维修方面：

 

　　碳刷电机需要更换碳刷，如果更换不及时会造成电机的损坏，而无刷电机，使用寿命很长，通常是有刷电机的10倍以上，但是坏了就需要更换电机，但日常维护基本不需要。

 

　　（6）噪音方面与是否是有刷电机无关，主要是看轴承和电机内部组件的配合情况。

 

　　（7）模型无刷电机的参数指标，除了外形尺寸（外径、长度、轴径等）、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数外，还少不了一个重要指标KV值，这个数值是无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。

　　一、有刷马达的原理

　　要讲清这一问题，那就应粗略地了解一下有刷马达的工作原理。接下来用一个三电极、二磁极内转子有刷马达作为演示。

　　二、无刷电机工作原理

　　首先，无刷电机不是直流电机，模型虽然是直流电池供电，但通过无刷电调之后就转变为了三相交变电流传输到了三个极性上。通过下图可以看出，无刷电机是没有碳刷的，和有刷相反，无刷电机的磁铁成了转子~

　　三、无刷电机的命名

　　相对有刷电机，无刷电机的命名好理解很多，一般它由四个数字组成，例如2040无刷电机。这个数字仅代表电机的外形尺寸，2040表示直径为20mm，长度为40mm的电机。同理3650无刷电机表示此电机直径36mm，长度50mm。

　　其实370有刷电机的大小和2530无刷电机一样，540电机的大小和3650无刷电机一样。

　　四、无刷电机的特点

　　1、没有碳刷，理论上转子无需和外界有导体上的链接。

　　2、在运行过程中，无刷电机的转速是靠交流电的频率决定的，所以频率越高无刷电机可以转得越快。

　　3、无刷电机的转速是严格按照KV值设定的，1000KV表示每一福特电机转速加快1000转。所以电压为5V时，1000kv的无刷电机转速5000rpm。

　　4、在运行过程中，同样转速电机的扭力是靠电调输出的电流强度决定的，电流越大扭力越大。（理想状态下，我们“聪明”的无刷电调会不断“监测”我们的电机是否需要更大的扭力，同时也会保证扭力不过剩，以免浪费表情）

　　五、外转子与内转子无刷电机

　　上面无刷电机工作原理图所示的是内转子无刷电机，顾名思义，磁铁在里边。而外转子无刷电机则相反，它的磁铁“包”在外面。而A、B、C电极在里边。这样的设计可以让电机的扭力更大，但转速却上不来。在模型中，一般外转子无刷电机的KV值在2000以内，而内转子无刷电机则可以到8000-9000kv。因为这个原因，一般飞机上常见外转子无刷电机，而模型车和模型船一般都使用内转子无刷电机。

　　六、有感无刷和无感无刷

　　要说明这个问题首先要弄懂感是感的啥~，有感无刷中的感是指“霍尔传感器”，那么什么是“霍尔”呢？霍尔是指的霍尔效应，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。

　　那么我们为什么要感应这玩意？要说清这个问题就必须从无感无刷的一个缺点说起。刚才说了无刷电机的转速是靠交流电频率决定的，那么电调要想方设法弄明白目前电机的转速以及当前电机的状态。其实这对已经正常运转的电机来说很容易，但对于一个刚刚起步或者运行速度很慢的电机来说就显得比较麻烦了（很难较准确的测出电机转速的状态），所以无感无刷电机会在低速时线性不好甚至可能会颤抖，而起步的扭力也难以强过同等级有刷电机。

　　但是人们发现无论什么运行状态的无刷电机，它的霍尔效应都是明显的，所以通过霍尔效应电调可以很容易的知道无论高速还是低速电机的运行状态，从而解决了无感无刷电机的毛病！但就目前来看霍尔传感器并不是廉价货，所以有感无刷电机、电调的价格会比无感无刷贵上许多。

　　七、常见模型用有刷、无感无刷、有感无刷电机对比

　　有刷电机　　　　无感无刷　　　　有感无刷

　　转换效率：　　　　　　　　低　　　　　　　高　　　　　　　　高

　　电机输出功率：　　　　　　低　　　　　　　高　　　　　　　　高

　　起步扭力：　　　　　　　　好　　　　　　　一般　　　　　　　好

　　中高速扭力：　　　　　　　一般　　　　　　好　　　　　　　　好

　　低速线性：　　　　　　　　较好　　　　　　一般　　　　　　　好

　　中高速线性：　　　　　　　好　　　　　　　好　　　　　　　　好

　　最高速度（一般540电机）：　常见2万　　　　常见5万　　　　　常见5万

　　易磨损程度：　　　　　　容易磨损　　　　不易磨损　　　　　不易磨损

　　电机价格（540级）　　　　中档100RMB　　　最低120RMB　　　最低200RMB

　　电调价格（540级）　　　中档平均120左右 最低200RMB　　　最低300RMB