浅谈有刷电机与无刷电机的接线方法

　　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。

　　有刷电机与无刷电机的接线方法

　　由于换向方式不一样，有刷电机与无刷电机不但内部结构不一样，而且在接线方式上的区别也非常大。1有刷电机的接线方法有刷电机一般有正负两根引线。一般红线是电机正极，黑线是电机负板。如果将正负极交换接线，只会使电机反转，一般不会损坏电机。2无刷电机相角的判断无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称，指无刷电机各线圈在一个通电周期里面线圈内部电流方向改变的角度。电动车用无刷电机常见的相位代数角有120度与60度

　　由于换向方式不一样，有刷电机与无刷电机不但内部结构不一样，而且在接线方式上的区别也非常大。

　　1 有刷电机的接线方法

　　有刷电机一般有正负两根引线。一般红线是电机正极，黑线是电机负板。如果将正负极交换接线，只会使电机反转，一般不会损坏电机。

　　2 无刷电机相角的判断

　　无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称，指无刷电机各线圈在一个通电周期里面线圈内部电流方向改变的角度。电动车用无刷电机常见的相位代数角有120度与60度两种。

　　观察霍耳元件安装空间位置判断无刷电机的相角：120度和60度两种相角的霍耳元件安装空间位置不一样。60度电机三个霍耳的排列都是一样的，120度电机中间的那个霍耳要翻转180度安装。

　　无刷电机的霍耳元件有五根引线，分别是霍耳元件的公共电源正极、公共电源负极、A相霍耳输出、B相霍耳输出、C相霍耳输出。我们可以利用无刷控制器（60度或120度）的五根霍耳引线，将无刷电机霍耳元件引线上的正负电源接好，将其余A 、B、C三个相位传感器的引线，任意接在控制器霍耳信号引线的引线上。接通控制器电源，由控制器给霍耳元件供电，就可以检测到无刷电机的相角了。

　　方法如下：用万用表的+20V直流电压档，并将黑表笔接地线，红表笔分别测量三个引线的电压情况，记录下三根引线的高低电压。轻微转动电机，让电机转过一个最小磁拉力角度，再次测量并记录下三根引线的高低电压，如此测量记录6次。我们用1表示高电位，用0表示低电位，那么，如果是60度无刷电机，连续转动6个最小磁接力角度，则测量出的霍耳真值信号应该是：100、110、111、011、001、000。调整三个霍耳元件引线的引脚顺序变化，这样对于60度无刷电机的A、B、C三个相位就判断出来了。

　　如果是120度无刷电机，连续转动6 个最小磁拉力角度，测量出的霍耳真值信号应该是按照100、110、010、001、101的规律变化，这样霍耳元件引线的通电相序就判断出来了。

　　3 无刷电机的接线方法

　　无刷电机的线圈引线有3 根，霍耳引线有5 根，这8 根线必须和控制器的相应引线一一对应，否则电机不能正常转动。

　　一般来讲，60度和120度相角的无刷电机，需要由与之相对应的60度和120度相角的无刷控制器来驱动，两种相角的控制器不能直接互换。60度相角的无刷电机与60度相角的控制器相连的8根线的正确接线有两种，一种正转，一种反转。

　　因为对于120度相角的无刷电机，通过调整线圈引线的相序和霍耳引线的相序，电机与控制器相连的8根线的正确接线可以有6 种，其中3种接法电机正转，另外3种接法电机反转。

　　如果无刷电机反转，表明无刷控制器与无刷电机的相角是匹配的，我们可以这样来调整电机的转向：将无刷电机与无刷控制器的霍耳引线的A、C交换接线；同时将无刷电机与无刷控制器的主相线A、B交换接线。

　　注：目前市场上已经出现了智能无刷控制器，这种智能无刷控制器具有自动识别电机相角的功能，能同时实现60度与120度两种相角的无刷电机的驱动。

　　☆控制器的正确安装

　　在安装控制器的时候，一定要与控制器相连接的接插件垂直地面摆放，以防止接插件积水。将控制器的引线用尼龙扎带固定在车体上，以防止引线与车体发生磨擦面损坏引线。尽量将控制器安装位置抬高远离地面，另外将控制器外壳的开口朝下，以防止控制器进水。

　　☆无刷控制器的缺相

　　无刷控制器主相位缺相的检测方法可以参照有刷控制器的飞车故障排除法，检测MOS管是否击穿，无刷控制器MOS管击穿一般是某一个相位的上下两个一对MOS管同时击穿，更换时确保同时更换。

　　无刷控制器的霍耳缺相表现为控制器不能识别电机霍耳信号。检测方法是：拔开控制器与无刷电机的霍耳引线，在控制器通电状态下，用万用表的直流电压档，并将黑表笔靠在控制器霍耳引线的黑线上，红表笔测量控制器的其它霍耳引线。应该有+5V以上的电压，否则说明控制器内部霍耳输出电路出现故障。通过测量霍耳引线的滤波电容和主控制芯片的相应引脚，进一步判断故障位置。更换滤波电容或更换主控制芯片可以排除故障。

　　☆无刷电机的缺相

　　无刷电机缺相一般是由于无刷电机的霍耳元件损坏引起的。我们可以通过测量霍耳元件输出引线相对霍耳地线和相对霍耳电源引线的电阻，用比较法判断是哪只霍耳元件出现故障。

　　为保证电机换相位置的精确，一般建议同时更换所有的三个霍耳元件。更换霍耳元件之前，必须弄清楚电机的相位代数角是120o还是60o，一般60o相角电机的三个霍耳元件的摆放位置是平行的。而120o相角电机，三个霍耳元件中间的一个霍耳元件是呈翻转180o位置摆放的。