淺談有刷、有感和無刷無感電機(jī)的使用心得

無刷電機(jī)

無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機(jī)的永磁體，現(xiàn)在多采用高磁能級的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁無刷電動機(jī)的體積比同容量三相異步電動機(jī)縮小了一個機(jī)座號。

工作原理

無刷直流電動機(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)、電子儀器及自動化辦公設(shè)備中。

無刷直流電動機(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（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(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">集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機(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，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機(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，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號（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，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動呢？

簡單而言，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繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動，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?，電流需要電子調(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，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，所以價格要比有刷電機(jī)高出很多。 ［1］

相關(guān)對比

有刷電機(jī)缺點(diǎn)

（1）摩擦大，損耗大

老模友們在以前玩有刷電機(jī)的時候都碰到這個問題，那就是使用電機(jī)一段時間以后，需要打開電機(jī)來清理電機(jī)的碳刷，費(fèi)時費(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)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控?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)時摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點(diǎn)對于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。

（3）壽命長，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)的電動機(jī)了，必要的時候，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)相對于有刷電機(jī)的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，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和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(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這個數(shù)量級，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1千多個小時，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，但是使用壽命會比較短。

（4）節(jié)能方面：

相對而言，無刷電機(jī)采用變頻技術(shù)控制的會比串激電機(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，如果更換不及時會造成電機(jī)的損壞，而無刷電機(jī)，使用壽命很長，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，還少不了一個重要指標(biāo)KV值，這個數(shù)值是無刷電機(jī)獨(dú)有的一個性能參數(shù)，是判斷無刷電機(jī)性能特點(diǎn)的一個重要數(shù)據(jù)。

一、有刷馬達(dá)的原理

要講清這一問題，那就應(yīng)粗略地了解一下有刷馬達(dá)的工作原理。接下來用一個三電極、二磁極內(nèi)轉(zhuǎn)子有刷馬達(dá)作為演示。

二、無刷電機(jī)工作原理

首先，無刷電機(jī)不是直流電機(jī)，模型雖然是直流電池供電，但通過無刷電調(diào)之后就轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳嘟蛔冸娏鱾鬏數(shù)搅巳齻€極性上。通過下圖可以看出，無刷電機(jī)是沒有碳刷的，和有刷相反，無刷電機(jī)的磁鐵成了轉(zhuǎn)子~

三、無刷電機(jī)的命名

相對有刷電機(jī)，無刷電機(jī)的命名好理解很多，一般它由四個數(shù)字組成，例如2040無刷電機(jī)。這個數(shù)字僅代表電機(jī)的外形尺寸，2040表示直徑為20mm，長度為40mm的電機(jī)。同理3650無刷電機(jī)表示此電機(jī)直徑36mm，長度50mm。

其實(shí)370有刷電機(jī)的大小和2530無刷電機(jī)一樣，540電機(jī)的大小和3650無刷電機(jī)一樣。

四、無刷電機(jī)的特點(diǎn)

1、沒有碳刷，理論上轉(zhuǎn)子無需和外界有導(dǎo)體上的鏈接。

2、在運(yùn)行過程中，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是靠交流電的頻率決定的，所以頻率越高無刷電機(jī)可以轉(zhuǎn)得越快。

3、無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格按照KV值設(shè)定的，1000KV表示每一福特電機(jī)轉(zhuǎn)速加快1000轉(zhuǎn)。所以電壓為5V時，1000kv的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速5000rpm。

4、在運(yùn)行過程中，同樣轉(zhuǎn)速電機(jī)的扭力是靠電調(diào)輸出的電流強(qiáng)度決定的，電流越大扭力越大。（理想狀態(tài)下，我們“聰明”的無刷電調(diào)會不斷“監(jiān)測”我們的電機(jī)是否需要更大的扭力，同時也會保證扭力不過剩，以免浪費(fèi)表情）

五、外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)

上面無刷電機(jī)工作原理圖所示的是內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，顧名思義，磁鐵在里邊。而外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)則相反，它的磁鐵“包”在外面。而A、B、C電極在里邊。這樣的設(shè)計(jì)可以讓電機(jī)的扭力更大，但轉(zhuǎn)速卻上不來。在模型中，一般外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)的KV值在2000以內(nèi)，而內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)則可以到8000-9000kv。因?yàn)檫@個原因，一般飛機(jī)上常見外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，而模型車和模型船一般都使用內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)。

六、有感無刷和無感無刷

要說明這個問題首先要弄懂感是感的啥~，有感無刷中的感是指“霍爾傳感器”，那么什么是“霍爾”呢？霍爾是指的霍爾效應(yīng)，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。

那么我們?yōu)槭裁匆袘?yīng)這玩意？要說清這個問題就必須從無感無刷的一個缺點(diǎn)說起。剛才說了無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是靠交流電頻率決定的，那么電調(diào)要想方設(shè)法弄明白目前電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)。其實(shí)這對已經(jīng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)來說很容易，但對于一個剛剛起步或者運(yùn)行速度很慢的電機(jī)來說就顯得比較麻煩了（很難較準(zhǔn)確的測出電機(jī)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)），所以無感無刷電機(jī)會在低速時線性不好甚至可能會顫抖，而起步的扭力也難以強(qiáng)過同等級有刷電機(jī)。

但是人們發(fā)現(xiàn)無論什么運(yùn)行狀態(tài)的無刷電機(jī)，它的霍爾效應(yīng)都是明顯的，所以通過霍爾效應(yīng)電調(diào)可以很容易的知道無論高速還是低速電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而解決了無感無刷電機(jī)的毛病！但就目前來看霍爾傳感器并不是廉價貨，所以有感無刷電機(jī)、電調(diào)的價格會比無感無刷貴上許多。

七、常見模型用有刷、無感無刷、有感無刷電機(jī)對比

有刷電機(jī)無感無刷有感無刷

轉(zhuǎn)換效率：低高高

電機(jī)輸出功率：低高高

起步扭力：好一般好

中高速扭力：一般好好

低速線性：較好一般好

中高速線性：好好好

最高速度（一般540電機(jī)）：常見2萬常見5萬常見5萬

易磨損程度：容易磨損不易磨損不易磨損

電機(jī)價格（540級）中檔100RMB最低120RMB最低200RMB

電調(diào)價格（540級）中檔平均120左右 最低200RMB最低300RMB