立邁勝-智能控制、驅(qū)動(dòng)未來(lái)
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一、電機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用

? ? ? ?縱觀人類(lèi)科技發(fā)展史，其實(shí)某種意義上可以說(shuō)是一部“人類(lèi)的偷懶史”：為了“偷懶”，人類(lèi)創(chuàng)造出了整個(gè)科技文明

? ? ? ?為了少寫(xiě)字（bushi），人類(lèi)發(fā)明了印刷術(shù)，在這之前，想要有一本自己的文獻(xiàn)，可是得一字一字手動(dòng)謄抄的，這項(xiàng)發(fā)明不僅幫助人類(lèi)成功“偷懶”，避免了腱鞘炎的風(fēng)險(xiǎn)，更避免了以往手工謄抄中錯(cuò)抄、漏抄的弊端，提高了效率；

? ? ? ?為了少走路（quexin），使用人力、畜力、風(fēng)力作為交通工具的動(dòng)力，直到詹姆斯·瓦特（James Watt）于1769年改進(jìn)了紐科門(mén)蒸汽機(jī)，人類(lèi)交通運(yùn)輸才進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期；后來(lái)第二次工業(yè)革命中電力的廣泛應(yīng)用和今天的主角無(wú)刷電機(jī)的“老前輩”-早期電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)又逐漸代替了蒸汽機(jī)的使用并一直發(fā)展至今，不論工業(yè)應(yīng)用還是日常生活，電機(jī)已成為人類(lèi)生活中不可缺少的一部分。

二、初識(shí)電機(jī)類(lèi)型

那么電機(jī)究竟都有哪些種類(lèi)又該如何區(qū)分呢？

? ? ???電機(jī)的種類(lèi)很多，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可以分為有刷電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)，而根據(jù)工作原理分類(lèi)，無(wú)刷電機(jī)又分為內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)和外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)。

有刷電機(jī)：

? ? ???有刷電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換相器和電刷來(lái)完成的。這種電機(jī)具有造價(jià)相對(duì)較低、扭力高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

不過(guò)由于結(jié)構(gòu)限制，缺點(diǎn)也同樣明顯：

1、機(jī)械換向產(chǎn)生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、噪聲大、壽命短；

2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、故障多，需要經(jīng)常維護(hù)；

3、由于換向器存在，限制了轉(zhuǎn)子慣量的進(jìn)一步下降，影響了動(dòng)態(tài)性能。所以在模型界主要應(yīng)用于速度較慢和對(duì)震動(dòng)不敏感的車(chē)模、船模上面，航模很少采用有刷電機(jī)。

無(wú)刷電機(jī)：

? ? ???除了有刷電機(jī)以外用得最多的一種電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)不使用機(jī)械的電刷裝置，普通的碳刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的是繞組，而無(wú)刷電機(jī)不論是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的都是磁鐵。所以任何一個(gè)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成的。

三、無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)

? ? ???既然今天的主角是無(wú)刷電機(jī)，我們就來(lái)進(jìn)一步看看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

? ? ???外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)的外殼同時(shí)也是磁鐵的磁路通路，所以外殼必須是導(dǎo)磁性的物質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子的外殼只是結(jié)構(gòu)件，所以不限定材質(zhì)。但是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)比外轉(zhuǎn)子電機(jī)多一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯，這個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

磁鐵：安裝在轉(zhuǎn)子上，是無(wú)刷電機(jī)的重要組成部分，無(wú)刷電機(jī)的絕大部分性能參數(shù)都與磁鐵相關(guān)， 包括功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等。

硅鋼片：有槽無(wú)刷電機(jī)的重要組成部分，當(dāng)然，無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)是沒(méi)有硅鋼片的，但是目前絕大多數(shù)的無(wú)刷電機(jī)都是有槽的。它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)軸：電機(jī)轉(zhuǎn)子的直接受力部分，轉(zhuǎn)軸的硬度必須能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的要求。

軸承：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢的保證，軸承可以分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，而滾動(dòng)軸承又可以細(xì)分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類(lèi)，而目前大多數(shù)的無(wú)刷電機(jī)都是采用深溝球軸承。

四、直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理

? ? ???簡(jiǎn)單而言，直流無(wú)刷電機(jī)就是依靠改變輸入到無(wú)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?chē)纬梢粋€(gè)繞電機(jī)幾何軸心全轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)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(wú)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)速器將其變成三相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿(mǎn)足模型使用需要。

? ? ???總的來(lái)說(shuō)，無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡(jiǎn)單的，真正決定其使用性能的還是無(wú)刷電機(jī)的控制器，好的控制器需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、性能強(qiáng)大的算法等。

? ? ???不過(guò)如果想要真正的了解無(wú)刷電機(jī)是怎么轉(zhuǎn)起來(lái)的，還需要給大家復(fù)習(xí)幾個(gè)基礎(chǔ)定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則，是不是感覺(jué)很復(fù)雜？先別急著走！看一下就很明白了。

左手定則：這是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)受力分析的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，會(huì)受到力的作用，讓磁感線穿過(guò)手掌正面，手指方向?yàn)殡娏鞣较?，大拇指方向?yàn)楫a(chǎn)生磁力的方向。

右手定則：這是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ)，與左手定則的相反，磁場(chǎng)中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。讓磁感線穿過(guò)掌心，大拇指方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向，手指方向?yàn)楫a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向。

為什么要講感生電動(dòng)勢(shì)呢？

? ? ? ?不知道大家有沒(méi)有類(lèi)似的經(jīng)歷，把電機(jī)的三相線合在一起，用手去轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)阻力非常大，這就是我們平時(shí)說(shuō)的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，切割磁感線，從而產(chǎn)生電流，磁場(chǎng)中電流流過(guò)導(dǎo)體又會(huì)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力，大家就會(huì)感覺(jué)轉(zhuǎn)動(dòng)有很大的阻力。

右手螺旋定則：用右手握住通電螺線管，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)定則是通過(guò)通電線圈判斷極性的基礎(chǔ)，紅色箭頭方向即為電流方向。也可以說(shuō)極性是“握”出來(lái)的！

下面就是正題了，究竟無(wú)刷電機(jī)是怎么轉(zhuǎn)起來(lái)的呢？

? ? ? ?為了方便大家理解，我找到了一個(gè)中學(xué)物理時(shí)學(xué)過(guò)的直流電機(jī)模型，下面用磁回路分析法來(lái)進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的分析：

? ? ? ?當(dāng)兩頭的線圈通上電流時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會(huì)產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度 B（如粗箭頭方向所示），而中間的轉(zhuǎn)子會(huì)盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致，以形成一個(gè)最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了。

思考一下：轉(zhuǎn)子位于什么角度，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩最大？

? ? ? ?當(dāng)然是磁場(chǎng)方向與外部磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩最大！補(bǔ)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。

? ? ? ?雖然在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)方向一致時(shí)，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時(shí)轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，力臂為 0，當(dāng)然也就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)了。

? ? ? ?那電機(jī)就轉(zhuǎn)一下就結(jié)束了？當(dāng)然不是，我們平時(shí)在跑步的時(shí)候，急剎車(chē)很難立馬停住，都會(huì)繼續(xù)向前一段距離。這就是慣性，雖然轉(zhuǎn)子的慣性很小，不過(guò)這點(diǎn)慣性足以支撐轉(zhuǎn)子繼續(xù)向下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行了。

? ? ? ?當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，雖然不再受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用，但由于慣性原因，還會(huì)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)若改變兩頭螺線管的電流方向，如上圖所示，轉(zhuǎn)子就會(huì)繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動(dòng)。

注意：改變電流方向的這一動(dòng)作，就叫做換相，而何時(shí)換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，與其他任何量無(wú)直接關(guān)系，所以換向的時(shí)機(jī)的把握才是重點(diǎn)。

看完上面這個(gè)簡(jiǎn)單的，我們?cè)賮?lái)個(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的：

? ? ? ?一般來(lái)說(shuō)，定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式” 最為常用，我們以此為模型進(jìn)行分析：

? ? ? ?上圖顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)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(jié)在一起。整個(gè)電機(jī)就引出三根線 A、B、C。當(dāng)它們之間兩兩通電時(shí)，有 6 種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB 這是有順序的。我們就按這個(gè)順序來(lái)逐個(gè)分析：

第一階段：AB 相通電

注意小箭頭呦！

? ? ???當(dāng) AB 相通電，A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如紅色箭頭所示，B極產(chǎn)生的磁感線方向如圖藍(lán)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(shè)其中有一個(gè)二極磁鐵，則根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會(huì)盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”，所以N極方向會(huì)與綠色箭頭所示方向重合。至于C嘛，暫時(shí)沒(méi)他什么事。

第二階段：AC 相通電

第三階段：BC 相通電

第四階段：BA 相通電

?? ? ??我都舉出四個(gè)了，相信聰明如你，一定也知道接下的轉(zhuǎn)向了！不廢話，我們直接看結(jié)果吧(真不是我想偷懶了！)

每個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 60 度，六次就轉(zhuǎn)完了一圈，這樣，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)啦。

五、結(jié)語(yǔ)

? ? ???從電機(jī)的本質(zhì)來(lái)看，其實(shí)就是一個(gè)磁性物質(zhì)跟著由電產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，多數(shù)電機(jī)都是在這個(gè)基礎(chǔ)上不斷完善改變出來(lái)的，所以千萬(wàn)不要因?yàn)殡姍C(jī)小巧精致的外觀就小看了它！

? ? ? ?如果喜歡本篇科普內(nèi)容記得關(guān)注點(diǎn)贊哦~后續(xù)還會(huì)持續(xù)更新！

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