第四部分：外轉子無刷直流電機

看完了内轉子無刷直流電機的結構，我們來看外轉子的。其區别就在于，外轉子電機将原來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，是整個外殼在轉，而中間的線圈定子不動。外轉子無刷直流電機較内轉子來說，轉子的轉動慣量要大很多（因為轉子的主要質量都集中在外殼上），所以轉速較内轉子電機要慢，通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運用的無刷電機

無刷電機KV值定義為：轉速/V，意思為輸入電壓每增加1伏特，無刷電機空轉轉速增加的轉速值。比如說，标稱值為1000KV的外轉子無刷電機，在11伏的電壓條件下，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刷電機，根據繞線匝數的多少，會表現出不同的KV特性。繞線匝數多的，KV值低，最高輸出電流小，扭力大；繞線匝數少的，KV值高，最高輸出電流大，扭力小。我先前測試過穿越機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。

外轉子無刷直流電機的結構：

分析方法也和内轉子電機類似，大家可以自己分析一下，根據右手螺旋定理判斷線圈的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，從而驅動電機轉動。

經典無刷電機2212 1000kv電機結構分析：

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。

線圈拆解圖

電機繞組繞發圖

後面畫出了6種兩相通電的情形，可以看出，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，其通電次序其實是相同的，也就是說，不管外轉子還是内轉子電機，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進行通電換相。當然，如果你想讓電機反轉的話，電子方法是按倒過來的次序通電；物理方法直接對調任意兩根線，假設A和B對調，那麼順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有沒有發現這裡順序就完全倒過來了。

AB相通電

AC相通電

BC相通電

BA相通電

CA相通電

CB相通電

由于每根引出線同時接入兩個繞組，所以電流是分兩路走的。這裡為使問題盡量簡單化，下面幾個圖中隻畫出了主要一路的電流方向，還有一路電流未畫出，另一路電流的具體情況放在後面進行分析，涉及到電路檢測換相位置。

無刷電機中的專業名詞

額定電壓：也就是無刷電機适合的工作電壓，其實無刷電機适合的工作電壓非常廣，額定電壓是指定了負載條件而得出的情況。但是這個工作電壓也不是無限上升的，主要受制于電子控制器支持的最高頻率。所以說，額定工作是由工作環境決定的。

KV值：有刷直流電機是根據額定工作電壓來标注額定轉速的，無刷電機引入了KV值的概念，而讓用戶可以直觀的知道無刷電機在具體的工作電壓下的具體轉速。

轉矩：(力矩、扭矩)電機中轉子産生的可以用來帶動機械負載的驅動力矩，我們可以理解電機的力量。

轉速：電機每分鐘的轉速，一般用RPM表示。

最大電流：電機能夠承受并安全工作的最大電流

最大功率：電機能夠承受并安全工作的最大功率 功率=電壓*電流

無刷電機功率和效率

我們可以簡單的理解為電機輸出功率=轉速*扭矩，在同等的功率下，轉矩和轉速是一個此消彼長的關系，即同一個電機的轉速越高，必定其轉矩越低，相反也依然。不可能要求個電機的轉速也更高，轉矩也更高，這個規律通用于所有電機。

每個電機都有自己的力量上限，最大功率就是這個上限，如果工作情況超過了這個最大功率，就會導緻電機高溫燒毀。當然，這個最大功率也是指定了工作電壓情況下得出的，如果是在更高的工作電壓下，合理的最大功率也将提高。這是因為：Q=I2R，導體的發熱與電流的平方是正比關系，在更高的電壓下，如果是同樣的功率，電流将下降導緻發熱減少，使得最大功率增加。這也解釋了為什麼在專業的航拍飛行器上，大量使用22.2V甚至30V電池來驅動多軸飛行器，高壓下的無刷電機，電流小、發熱小、效率更高。

無刷電機電壓與效率的關系

先上兩個公式：

1、功率=電壓*電流

2、發熱量=電流的平方*電阻

由公式得出兩個結論：在同功率下，電壓越高電流越小，并推出：在同功率下，電壓越高發熱量越小。最後得出結論：同一個飛行器，使用的電壓越高，電流越小并且發熱越少，效率越高。

現在知道為什麼高壓電線要上100KV甚至220KV、550KV(這個KV是千伏)的高電壓了吧。

當然，飛行器是需要電池進行驅動的，準确的說是锂電池，锂電池的片數自然取決于電池的大小，越大的電池自然能做的越高電壓。所以在電壓這方面，其實我們能做的并不多，因為市場上的電池很多都是系列化的，比如說450這樣的機型，你可以去找450直升機的6S電池，但是價格很高，而且需要的電調價格也要高一些。所以在電壓這方面我們應該做的就是：盡量避免大機型用低壓電池，那樣會造成工作電流相對高一些，從而銅耗較大。同時，也要避免小型飛機用高壓電池，那樣電池的重量太大。

關于無刷電機的磁極對數

磁場的旋轉速度又稱同步轉速，它與三相電流的頻率和磁極對數p有關。若定子繞組，在任一時刻合成的磁場隻有一對磁極(磁極對數p=1)，即隻有兩個磁極，對隻有一對磁極的旋轉磁場而言,三相電流變化一周,合成磁場也随之旋轉一周，如果是50hz的交流電，旋轉磁場的同步轉速就是50轉/秒或3000轉/分，在工程技術中，常用轉/分（r/min）來表示轉速。如果定子繞組合成的磁場有兩對磁極(磁極對數p=2)，即有四個磁極，可以證明，電流變化一個周期，合成磁場在空間旋轉180度，由此可以推廣得出：p對磁極旋轉磁場每分鐘的同步轉速為n=60f/p。

當磁極對數一定時，如果改變交流電的頻率，則可改變旋轉磁場的同步轉速，這就是變頻調速的基本原理。由于電機的磁極是成對出現的，所以也常用極對數表示。

關于無刷電機的磁鐵

模界的無刷電機幾乎100%用的"磁王"——钕鐵硼磁鐵，用磁王來形容钕鐵硼磁鐵是當之無愧的，钕鐵硼磁鐵是我們生活中常見的黑乎乎的鐵氧體磁鐵磁性的3倍！當然了，價格更是鐵氧體磁鐵的10倍以上。無刷電機終歸屬于永磁電機，而永磁電機的功率、特點等特性完全取決于磁鐵。基本可以說吧，磁鐵的體積與牌号決定了電機的最大功率。

另外還有磁鐵形狀上的差異，如果拆開一些廉價的電機你就會有一個發現，絕大部分的磁鐵形狀都是方片行。方片形的磁鐵加工簡單，價格相對便宜，自然成了追求成本電機的最佳選擇。而很多品牌電機選擇了弧形磁鐵，弧形可以保證磁鐵和矽鋼片的氣隙一直保持一緻，似乎功率上和效率上都勝過了方形磁鐵一籌。但是，在拆開一些電機也發現了被稱之為面包型的磁鐵，他們能夠和鐵殼完整的貼合在一起，和矽鋼片的距離卻是和方形磁鐵一樣，都不是一緻的。關于這種磁鐵，在請教了一些業内人士，他們确信這種磁鐵比弧形磁鐵效果還要更佳，在此不做結論。

不過還有一種情況采用方形磁鐵其實也是可以的，在多槽數多極數的無刷電機（比如說36槽42極電機），基本都是采用了方形磁鐵，這是因為鐵殼直徑很大，方形磁鐵也能很好的和鐵殼粘合，并且和矽鋼片的氣隙也很均勻。

關于無刷電機的矽鋼片

其實初中讀電磁學的時候，我經常想的問題是，電機為什麼需要矽鋼片呢?不是說通電的導體在磁場中就能産生作用嗎?那為什麼還需要矽鋼片呢。後來我想了很久很久終于得出一個結論，那就是搞設計的人不會比你傻!

空氣是弱導磁的，但鐵是導磁的，矽鋼片的作用就是把磁鐵的磁路引導過來并形成回路，這就需要電機磁阻(大家把它等同理解為電阻即可)比較小。但是大家都看見了，為什麼定子上面怎麼都是一片一片構成的呢?

大家知道電磁爐的原理嗎?為什麼鐵鍋放上電磁爐上面就會發熱?其實這就是因為-----類似于鐵的材料放在快速變化的電磁場中(大家想想交流電吧，那個電是瞬間飛來飛去，不像直流電永遠是正極到負極)會産生渦流損耗而發熱，并且頻率越高發熱量越大。矽鋼片處在電機的旋轉磁場當中，就是和那放在電磁爐上的鐵鍋一樣遇到了同樣的問題，解決的辦法就是往鋼裡添加矽并且做成薄片，理論上越薄的矽鋼片産生的渦流損耗就越小。

所以大家是不是明白了普通的固定翼電機大都是比較厚的0.35MM矽鋼片，而直升機和涵道機電機大都是用0.2MM矽鋼片的原因呢?電機轉速越快，磁場變化越快，那渦流損耗就越大。現在大多數的多軸電機都使用了0.2MM單片的矽鋼片，這樣做成的電機鐵耗就會更低。

關于無刷電機使用與保養

直流無刷電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化産品，并在多個領域中都得到廣泛的應用。用戶在使用直流無刷電機時有一些問題也是需要注意的。

那麼具體使用直流無刷電機要注意什麼呢?

(1)在拆卸前，要用壓縮空氣吹淨電機表面灰塵，并将表面污垢擦拭幹淨。

(2)選擇電機解體的工作地點，清理現場環境。

(3)熟悉電機結構特點和檢修技術要求。

(4)準備好解體所需工具(包括專用工具)和設備。

(5)為了進一步了解電機運行中的缺陷，有條件時可在拆卸前做一次檢查試驗。為此，将電機帶上負載試轉，詳細檢查電機各部分溫度、聲音、振動等情況。

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