首先給大家復習幾個(gè)基礎定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。

 

?左手定則

 

這個(gè)是電機轉動(dòng)受力分析的基礎，簡(jiǎn)單說(shuō)就是磁場(chǎng)中的載流導體，會(huì )受到力的作用。讓磁感線(xiàn)穿過(guò)手掌正面，手指方向為電流方向，大拇指方向為產(chǎn)生磁力的方向。

左手定則示意圖

 

?右手定則

 

這是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢的基礎，跟左手定則的相反，磁場(chǎng)中的導體因受到力的牽引切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生電動(dòng)勢。讓磁感線(xiàn)穿過(guò)掌心，大拇指方向為運動(dòng)方向，手指方向為產(chǎn)生的電動(dòng)勢方向。

 

右手定則示意圖

 

為什么要講感生電動(dòng)勢呢？不知道大家有沒(méi)有類(lèi)似的經(jīng)歷，把電機的三相線(xiàn)合在一起，用手去轉動(dòng)電機會(huì )發(fā)現阻力非常大，這就是因為在轉動(dòng)電機過(guò)程中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生電流，磁場(chǎng)中電流流過(guò)導體又會(huì )產(chǎn)生和轉動(dòng)方向相反的力，大家就會(huì )感覺(jué)轉動(dòng)有很大的阻力。不信可以試試。

 

三相線(xiàn)分開(kāi)，電機可以輕松轉動(dòng)

 

三相線(xiàn)合并，電機轉動(dòng)阻力非常大

 

?右手螺旋定則

 

用右手握住通電螺線(xiàn)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(xiàn)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(lái)先看看電機轉動(dòng)的基本原理。

 

直流電機模型

我們找到一個(gè)中學(xué)物理學(xué)過(guò)的直流電機的模型，通過(guò)磁回路分析法來(lái)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析。

 

圖1 直流電機-狀態(tài)一

 

如圖1所示，當兩頭的線(xiàn)圈通上電流時(shí)，根據右手螺旋定則，會(huì )產(chǎn)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(huì )盡量使自己內部的磁感線(xiàn)方向與外磁感線(xiàn)方向保持一致，以形成一個(gè)最短閉合磁力線(xiàn)回路，這樣內轉子就會(huì )按順時(shí)針?lè )较蛐D了。

 

當轉子磁場(chǎng)方向與外部磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，轉子所受的轉動(dòng)力矩最大。注意這里說(shuō)的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠然，在轉子磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)方向一致時(shí)，轉子所受磁力最大，但此時(shí)轉子呈水平狀態(tài)，力臂為0，當然也就不會(huì )轉動(dòng)了。補充一句，力矩是力與力臂的乘積。其中一個(gè)為零，乘積就為零了。

 

當轉子轉到水平位置時(shí)，雖然不再受到轉動(dòng)力矩的作用，但由于慣性原因，還會(huì )繼續順時(shí)針轉動(dòng)，這時(shí)若改變兩頭螺線(xiàn)管的電流方向，如圖2所示，轉子就會(huì )繼續順時(shí)針向前轉動(dòng)。

 

圖2 直流電機-狀態(tài)二

 

如此不斷改變兩頭螺線(xiàn)管的電流方向，內轉子就會(huì )不停轉起來(lái)了。改變電流方向的這一動(dòng)作，就叫做換相。補充一句：何時(shí)換相只與轉子的位置有關(guān)，而與其他任何量無(wú)直接關(guān)系。

 

三相二級內轉子電機

一般來(lái)說(shuō)，定子的三相繞組有星形聯(lián)結方式和三角聯(lián)結方式，而“三相星形聯(lián)結的二二導通方式”最為常用，這里就用該模型來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)單分析。

 

圖3 三相星形聯(lián)結的二二導通方式

 

圖3顯示了定子繞組的聯(lián)結方式（轉子未畫(huà)出假想是個(gè)二極磁鐵），三個(gè)繞組通過(guò)中心的連接點(diǎn)以“Y”型的方式被聯(lián)結在一起。整個(gè)電機就引出三根線(xiàn)A、B、C。當它們之間兩兩通電時(shí)，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(xiàn)圈產(chǎn)生的磁感線(xiàn)方向如紅色箭頭所示，B極產(chǎn)生的磁感線(xiàn)方向如藍色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示。假設其中有一個(gè)二極磁鐵，根據“中間的轉子會(huì )盡量使自己內部的磁感線(xiàn)方向與外磁感線(xiàn)方向保持一致”，則N極方向會(huì )與綠色箭頭所示方向重合。至于C，暫時(shí)沒(méi)它什么事。

 

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(lèi)推一下。以下為中間磁鐵（轉子）的狀態(tài)圖，如圖6所示。

 

圖6 中間磁鐵（轉子）狀態(tài)圖

 

每個(gè)過(guò)程轉子旋轉60度，如圖7所示。

 

圖7

 

六個(gè)過(guò)程即完成了完整的轉動(dòng)，其中6次換相。

 

三相多繞組多級內轉子電機

我們再來(lái)看一個(gè)復雜點(diǎn)的。圖8(a)是一個(gè)三相九繞組六極（三對極）內轉子電機，它的繞組連線(xiàn)方式見(jiàn)圖8(b)。從圖8(b)可見(jiàn)，其三相繞組也是在中間點(diǎn)連接在一起的，也屬于星形聯(lián)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(dòng)的原則是：轉子的N極與通電繞組的S極有對齊的運動(dòng)趨勢，而轉子的S極與通電繞組的N極有對齊的運動(dòng)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(tài)

 

圖9為六個(gè)不同的通電狀態(tài)。其中經(jīng)歷了五個(gè)轉動(dòng)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程為20度，如圖10 所示。

 

圖10 轉動(dòng)過(guò)程

 

外轉子無(wú)刷直流電機

看完了內轉子無(wú)刷直流電機的結構，我們再來(lái)看外轉子的。其區別就在于，外轉子電機將原來(lái)處于中心位置的磁鋼做成一片片，貼到了外殼上，電機運行時(shí)，是整個(gè)外殼在轉，而中間的線(xiàn)圈定子不動(dòng)。

 

外轉子無(wú)刷直流電機較內轉子來(lái)說(shuō)，轉子的轉動(dòng)慣量要大很多（因為轉子的主要質(zhì)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(wú)刷電機。

 

無(wú)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(wú)刷電機空轉轉速增加的轉速值。比如說(shuō)，標稱(chēng)值為1000KV的外轉子無(wú)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(wú)刷電機，根據繞線(xiàn)匝數的多少，會(huì )表現出不同的KV特性。繞線(xiàn)匝數多的，KV值低，最高輸出電流小，扭力大；繞線(xiàn)匝數少的，KV值高，最高輸出電流大，扭力小。我先前測試過(guò)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(wú)刷直流電機結構

 

分析方法也和內轉子電機類(lèi)似，大家可以自己分析一下，根據右手螺旋定理判斷線(xiàn)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(dòng)電機轉動(dòng)。

 

?經(jīng)典無(wú)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(xiàn)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(huà)出了6種兩相通電的情形?？梢钥闯?，盡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(shí)是相同的，也就是說(shuō)，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(jìn)行通電換相。

 

當然，如果你想讓電機反轉的話(huà)，電子方法是按倒過(guò)來(lái)的次序通電;物理方法直接對調任意兩根線(xiàn)，假設A和B對調，那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有沒(méi)有發(fā)現這里順序就完全倒過(guò)來(lái)了。

 

圖15

 

要說(shuō)明一下的是，由于每根引出線(xiàn)同時(shí)接入兩個(gè)繞組，所以電流是分兩路走的。這里為使問(wèn)題盡量簡(jiǎn)單化，圖中只畫(huà)出了主要一路的電流方向，還有一路電流未畫(huà)出。另一路電流涉及到電路檢測換相位置。
（來(lái)源：電子產(chǎn)品世界）