神奇的電學 電學小課堂：從內部結構到工作原理，一口氣了解什麼是無刷電機。

發明天才的人真是個直流無刷電機 經常在戰場上玩空投的老鐵都知道 懸疑無人機的動力來源就是四顆直流無刷電機 另外你家老婆電動車上的輪箍 機械硬盤裏的軸筒 電腦風扇 甚至是洗衣機中的滾筒 都是依靠直流無刷電機來驅動的 那它到底是如何工作的呢 上個視頻我們詳細講解了直流有刷電機的結構和工作原理 沒拜讀過的老鐵可以稍後收藏查閱 從結構上來講 有刷電機和無刷電機的外殼中都安裝有磁鐵 並且中心也都包含線圈組 只是有刷電機的內部多了一組碳刷與幻象器 兩者通過旋轉摩擦接通電流 並通過幻象器中的縫隙 使線圈按一定順序通電與斷電 從而引起電機的旋轉 在這個過程中 電刷和幻象器會因爲長時間的摩擦產生損耗 時間長了 保養和更換那肯定少不了 但是在無刷電機中我們就看不到碳刷了 並且它的工作狀態一般都是外殼旋轉 而線圈是靜止的 由於脫離了碳刷 所以電機釘子和轉子間的摩擦力就很小 這使得電機的效率更高 使用壽命也會更長 當然在我們的實際生活中 也有轉子在內部的無刷電機 但最常見的還是這種外轉子模式 兩者之間的區別在於內轉子電機的轉速更快 而外轉子電機則是扭矩更大 這也是它應用範圍廣的主要原因 所以今天主要講解的就是外轉子直流無刷電機 當你拿到一個電機時 你首先會發現它擁有三根線來穿入電機底座 我了個豆 是不是有點懵 明明直流電只有正負兩個電極 爲啥會出現三根線呢 哎 別急 慢慢聽我講就對了 電機的底面一般會有安裝用的螺絲孔 原點有一個卡簧將軸固定在中心 中軸穿過電機延伸到前端 我們可以用它來連接傳輸旋轉的部件 以此將電能轉化爲各種機械能 需要注意的是 作爲外轉子直流電機 當中軸旋轉時 電機外殼的前半部分也是跟着旋轉的 所以它就是電機的轉子 而內部的線圈則爲定子 在電機外殼上 我們都能看到各種鏤空結構或者孔洞 這是由於電機在工作時會從內部產生許多熱量 而這些孔洞就可以用來導通空氣 以起到散熱的作用 很多時候電機起火的主要原因 就是線圈內部的絕緣外皮被高溫引燃造成的 取下屁股上的卡簧 我們將電機的定子與轉子分開 定子的中間安裝有一枚軸承 用於減少中軸摩擦力 保證電機旋轉的更平穩 在我們常見的無刷電機中 定子一般會被分爲12個尺 它的主體框架由多層電隔離的薄金屬片製成 這樣設計是爲了減少電機內部的渦流 這種渦流來自電子廠 它會通過產生熱量而不是旋轉來浪費能量 在定子主體的每個尺上都安裝有線圈 12個尺就有12枚線圈 其中每4枚一組被分爲3組 線圈上的銅絲都是由絕緣氣泡線纏繞 這樣電流在通過線圈時 就會完整流過整捆導線 但如果是裸線 那電流就只會在最短的路徑內流動 這樣磁場幾乎沒有了 電機也就不會工作 定子中的三組線圈分別連接三根不同的向線 這表示定子的工作狀態由三個階段組成 另外通過背面我們發現 這三組線圈的末端都保持兩兩相接的狀態 這樣它就能通過一顆調製器 來控制三組線圈的工作狀態 注意哈 在這裏的定子繞線方式上 兩個相鄰的線圈 是以反方向的手法纏繞的 一個順時針 一個逆時針 依次交替 最後通過首尾連接 組成最常見的三角形繞組模式 而這就是完整的電機定子結構 接下來我們再一起看看 電機的轉子是什麼樣的 首先映入眼簾的 就是機殼內部 以環狀排序的高強度女磁鐵 由於它是軸向磁化 所以它兩側的極性不同 並且以南極北極交替的方式固定在轉子上 神奇的是 這裏面一共分佈了14塊磁鐵 哎 還記得定子裏不是隻有12個線圈嗎 這樣對應不起來啊 對啊 我們就是要讓磁鐵和線圈無法對齊 這種設計使轉子卯足了勁兒 想和定子中的磁鐵一一對應 哎 但它就是做不到 這樣它就只能不停地旋轉下去了 What a good job 是不是很神奇 好了 關於無刷電機的結構 大家都搞明白了吧 接下來我們一起看看它的工作原理 想要讓無刷電機轉起來 可不是隻接兩根電線那麼簡單 它需要搭配ESC才能工作 注意哈 這個ESC可不是你鍵盤上的ESC鍵 它的全名叫做電子調速器 俗稱電調 其核心部件就是六顆MOSFET三級管 看過我科普三級管視頻的老鐵都知道 MOS管其實就是一種電子開關 當它的原級和三級鍵沒有電壓時 負載電路會處於斷開狀態 但如果你給這兩級通上啓動電壓 那負載中的電路也就被接通了 還記得無刷電機屁股上那三根相線嗎 這裏我們將六顆MOS管分成三對 每對連接一根相線 兩邊通入直流電源的正極與負極 最後再與電條的控制模塊連接形成壁殼電路 這樣電機的驅動部分我們就部署完成了 接下來咱們還需要一個控制模塊 最常見的方案就是用Arduino開發板 或者伺服控制器 它可以告訴電條我們需要多大的轉速 電機旋轉的方向 輸出多少扭矩 或者什麼時候自爆 Why like a doll OK 現在我們就可以將電機定子內的線圈組 與MOS管的相線連接起來了 眼前這種條形磁鐵大家都玩過吧 根據其同極相斥 異極相吸的原理 我們就能構建出一個旋轉模型 把磁鐵換成通電線圈 也能達到這個效果 在電機的定子中 通電線圈會與轉子中的磁鐵 同時產生引力和斥力 從而迫使轉子發生位移 接下來我們依次接通下一組線圈 轉子繼續移動 就這樣在一定的頻率下 給三組線圈循環通電 電機的轉子也就能不停的旋轉起來了 打過飛機的老鐵都知道 旋翼無人機四個螺旋槳的旋轉方向是不同的 一組對角是順時針 而另一組則是逆時針 那電機如何知道自己該朝哪邊轉呢 這裏我們可以選擇加裝霍爾傳感器 它通過檢測磁鐵磁極的變化 來映射出轉子的移動位置 並將其傳遞到控制器 但是有很多電機發燒友並不喜歡用霍爾傳感器 而是通過電條測量反電動式的方法來實現轉向 我們都知道當電流通過線圈時會產生電磁力 反之如果用磁鐵切割線圈 線圈也同樣能生成感應電壓 在無刷電機裏 電條是不會同時給所有的線圈通電的 所以當轉子磁鐵滑過未通電的線圈時 它就能讓線圈產生感應電壓 並將其發送回電條 這就是反電動式EMF 接下來電條通過監控線圈中反電動式的順序 就能得知電機的旋轉方向了 當你啓動電機時 它會發出一些鳴叫並進行少量轉動 這就是電條在確定方向的過程 好了 關於直流無刷電機的工作原理就全部講解完畢 如今無刷電機的應用已非常廣泛 而且價格也不貴 一塊五塊錢的機械硬盤中 就能拆除一個最高於一萬轉的無刷電機呢 怎麼樣 是不是已經覺得自己強的可怕 趕緊手搓幾個無人機奔赴戰場吧 下課