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【抢头条】迄今最全的无刷电机工作及控制原理分享-绝对...!

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转载请注明作者:少帅-Z
内容持续更新,目前更新到三相多绕组多极内转子部分,后面会有2212电机拆解绕线图,绕线分析、动力结构分析、换相控制等干货。

内容真的不难,耐心看可以看懂,希望大家可以一起学习进步。

先前在大疆社区分享过关于无刷电机的工作原理一些知识,不少朋友表示有点太深看不懂,最近腾出来点时间就给大家从头开始一点一点剖析讲解吧,确保只要有高一物理知识的朋友就能够看得懂,希望有兴趣的朋友耐心往下看,相互学习!

本人在此抛砖引玉,希望大神或者某些涉及研发工作的朋友出来探讨指点。

首先给大家复习几个基础定则:左手定则、右手定则、右手螺旋定则。别懵逼,我下面会给大家解释。

左手定则,这个是电机转动受力分析的基础,简单说就是磁场中的载流导体,会受到力的作用。
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          让磁感线穿过手掌正面,手指方向为电流方向,大拇指方向为产生磁力的方向,我相信喜欢玩模型的人都还有一定物理基础的哈哈。

       右手定则,这是产生感生电动势的基础,跟左手定则的相反,磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线产生电动势。
2.png
让磁感线穿过掌心,大拇指方向为运动方向,手指方向为产生的电动势方向。为什么要讲感生电动势呢?不知道大家有没有类似的经历,把电机的三相线合在一起,用手去转动电机会发现阻力非常大,这就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势,从而产生电流,磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力,大家就会感觉转动有很大的阻力。不信可以试试。

1.gif
三相线分开,电机可以轻松转动

2.gif
三相线合并,电机转动阻力非常大
      

右手螺旋定则,用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方
   向一致,那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。
3.png
这个定则是通电线圈判断极性的基础,红色箭头方向即为电流方向。
看完了三大定则,我们接下来先看看电机转动的基本原理。
第一部分:直流电机模型
我们找到一个中学物理学过的直流电机的模型,通过磁回路分析法来进行一个简单的分析。
4.png
状态1
当两头的线圈通上电流时,根据右手螺旋定则,会产生方向指向右的外加磁感应强度B(如粗箭头方向所示),而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致,以形成一个最短闭合磁力线回路,这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

转子磁场方向外部磁场方向垂直时,转子所受的转动力矩最大。注意这里说的是“力矩”最大,而不是“力”最大。诚然,在转子磁场与外部磁场方向一致时,转子所受磁力最大,但此时转子呈水平状态,力臂为0,当然也就不会转动了。补充一句,力矩是力与力臂的乘积。其中一个为零,乘积就为零了。

当转子转到水平位置时,虽然不再受到转动力矩的作用,但由于惯性原因,还会继续顺时针转动,这时若改变两头螺线管的电流方向,如下图所示,转子就会继续顺时针向前转动,
5.png
状态2
如此不断改变两头螺线管的电流方向,内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作,就叫做换相。补充一句:何时换相只与转子的位置有关,而与其他任何量无直接关系。

第二部分:三相二极内转子电机
一般来说,定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式,而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用,这里就用该模型来做个简单分析。
6.png

上图显示了定子绕组的联结方式(转子未画出假想是个二极磁铁),三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A, B, C。当它们之间两两通电时,有6种情况,分别是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意这是有顺序的。
       下面我看第一阶段:AB相通电

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当AB相通电,则A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所示,B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示,那么产生的合力方向即为绿色箭头所示,那么假设其中有一个二极磁铁,则根据“中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致”则N极方向会与绿色箭头所示方向重合。至于C,暂时没他什么事。

       第二阶段:AC相通电
8.png
第三阶段:BC相通电
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第三阶段:BA相通电
10.png
为了节省篇幅,我们就不一一描述CA\CB的模型,大家可以自己类推一下。以下为中间磁铁(转子)的状态图:


@FO]9(E$B@X@_VA~@OXJMHI.png
每个过程转子旋转60度
AQME3B8W_}NL~4B~NEU$VNM.png
六个过程即完成了完整的转动,其中6次换相。

第三部分:三相多绕组多极内转子电机
      我们再来看一个复杂点的,图(a)是一个三相绕组极(三对极)内转子电机,它的绕组连线方式见图 (b)。从图(b)可见,其三相绕组也是在中间点连接在一起的,也属于星形联结方式。一般而言,电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的(比如用9绕组6极,而不是6绕组6极),这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸对齐。
01.png

其运动的原则是:转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势,而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。
即为S与N相互吸引,注意跟之前的分析方法有一定的区别
好吧,还是再帮大家分析一下吧,
第一阶段:AB相通电

02.png
第二阶段:AC相通电
03.png


第三阶段:BC相通电

04.png
第四阶段:BA通电

05.png
第五阶段:CA通电

06.png
第六阶段:CB通电


07.png
以上为六个不同的通电状态,其中经历了五个转动过程。每个过程为20度。
08.png

第四部分:外转子无刷直流电机
       看完了内转子无刷直流电机的结构,我们来看外转子的。其区别就在于,外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片,贴到了外壳上,电机运行时,是整个外壳在转,而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说,转子的转动惯量要大很多(因为转子的主要质量都集中在外壳上),所以转速较内转子电机要慢,通常KV值在几百到几千之间。也是航模主要运用的无刷电机
       顺便啰嗦一下吧。无刷电机KV值定义为:转速/V,意思为输入电压每增加1伏特,无刷电机空转转速增加的转速值。比如说,标称值为1000KV的外转子无刷电机,在11伏的电压条件下,最大空载转速即为:11000rpm(rpm的含义是:转/分钟)。
同系列同外形尺寸的无刷电机,根据绕线匝数的多少,会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,扭力大;绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,扭力小。我先前测试过穿越机2204电机的极限电流,单电机能彪上25A,而2212系列电机15A都上不了。
外转子无刷直流电机的结构:
1.png
       分析方法也和内转子电机类似,大家可以自己分析一下,根据右手螺旋定理判断线圈的N/S极,转子永磁体的N极与定子绕组的S极有对齐(吸引)的趋势,转子永磁体的S极与定子绕组的N极有对齐(吸引)的趋势,从而驱动电机转动。
       经典无刷电机2212 1000kv电机结构分析。
2.jpg
图为DJI 2312S电机和XXD 2212电机的(解剖图)
其结构如下:定子绕组固定在底座上,转轴和外壳固定在一起形成转子,插入定子中间的轴承。
3.png
图为xxd2212线圈拆解图
4.png
图为12绕组14极(即7对极),电机绕组绕发图。
后面画出了6种两相通电的情形,可以看出,尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化,但从电调控制的角度看,其通电次序其实是相同的,也就是说,不管外转子还是内转子电机,都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。当然,如果你想让电机反转的话,电子方法是按倒过来的次序通电;物理方法直接对调任意两根线,假设A和B对调,那么顺序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA,大家有没有发现这里顺序就完全倒过来了。
5.png
AB相通电
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AC相通电
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BC相通电
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BA相通电
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CA相通电
10.png
CB相通电
要说明一下的是,由于每根引出线同时接入两个绕组,所以电流是分两路走的。这里为使问题尽量简单化,下面几个图中只画出了主要一路的电流方向,还有一路电流未画出,另一路电流的具体情况放在后面进行分析,涉及到电路检测换相位置。
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楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-24 2#
未完待续,明天上午还有一部分内容,后面持续更新,干货在后面。
a2010115  Inspire 2认证用户 2016-8-24 3#
干货!!楼主写的足够详细
[评测] 灵巧随心——大疆灵眸OSMO手机云台体验
https://bbs.dji.com/thread-81157-1-1.html

[教程] 很干的干货!DJI GO全攻略
https://bbs.dji.com/thread-76533-1-1.html
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 4#
a2010115 发表于 2016-8-24 23:49
干货!!楼主写的足够详细
一直持续更新,目前才不到五分之一。希望后面多多关注,我也希望有更多干货分享给大家
wjsrx  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-8-25 5#
长知识了,感谢楼主提供。
350238091  Phantom 3 Professional认证用户 2016-8-25 6#
学习起来
未来无所不能  Inspire 2认证用户 2016-8-25 7#
曾今能看懂,现在看不懂。。。
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 8#
未来无所不能 发表于 2016-8-25 09:38
曾今能看懂,现在看不懂。。。
缺哪儿补哪儿呗。实在不行百度一下
石榴姐  超级版主 2016-8-25 9#
好贴哦,都是干货,希望看到楼主更多的分享!
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dreamboyg  Osmo Mobile 2认证用户 2016-8-25 10#
牛逼
好教程
LZ能不能加上点实物电机的内部图
目前都是理论图
要是能结合实物图,看起来就更舒服些。
蜂速航拍  Osmo认证用户 2016-8-25 11#
现在已经完全看不懂了,倒退到高中的时候才能看懂
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 12#
dreamboyg 发表于 2016-8-25 11:19
牛逼
好教程
LZ能不能加上点实物电机的内部图
慢慢更新,后面又2212的内部绕线图和驱动原理、换相控制原理、电调驱动原理等说明
梅所谓   2016-8-25 13#
加油写啊
俞龠  Phantom 3 Professional认证用户 2016-8-25 14#
深度好文
木头123   2016-8-25 15#
楼主好人,涨知识。学了以后可以跟其他飞友吹BB
niqin850  Osmo认证用户 2016-8-25 16#
专业高手!!!
niqin850  Osmo认证用户 2016-8-25 17#
现在路上跑的电动自行车也是这个原理吧?
Steven-优飞航拍  Mavic Pro认证用户 2016-8-25 18#
技术贴学习了
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xinde999993  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-8-25 19#
这个 死规律简单哦 就是 电磁跟 磁铁之间的 物理学
1245713734  Inspire 2认证用户 2016-8-25 20#
涨知识了,谢谢啦!
楼主物理真好
qq570575562  Phantom 4认证用户 2016-8-25 22#
这个牛。。。虽然看不懂。已经忘干净了。
gaoxiaojian  Phantom 4 Pro V2.0认证用户 2016-8-25 23#
嗯嗯  干货    楼主把 三相异步电机的集中启动解释的很到位 很生动
JasonSky  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-8-25 24#
看不懂的飞友们其实就像会开车而不知道汽车构造的司机一样,哈哈!慢慢学习!
fulang920  Phantom 3 Advanced认证用户 2016-8-25 25#
火钳刘明,满满的专业知识啊!
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 26#
niqin850 发表于 2016-8-25 20:06
现在路上跑的电动自行车也是这个原理吧?
我后面慢慢讲,电动车跟航模电机区别很大,主要在换相控制,因为电动车随时要启动停止,涉及到角度的检测,所以需要霍尔传感器。而航模无刷电机不需要空中刹车的,所以不需要霍尔传感器,至于换相的检测,我后面再跟大家分享。
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 27#
gaoxiaojian 发表于 2016-8-25 22:15
嗯嗯  干货    楼主把 三相异步电机的集中启动解释的很到位 很生动
我特码拿着第一张图一点一点旋转改的,屌丝工科男没学过PS,蛋疼啊
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 28#
xinde999993 发表于 2016-8-25 21:28
这个 死规律简单哦 就是 电磁跟 磁铁之间的 物理学
目前确实挺简单的,后面还有关于换相检测,比较器,那些电子相关的内容,今天实在有点忙,没来得及更新,有时间我会继续写的。
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 29#
木头123 发表于 2016-8-25 18:17
楼主好人,涨知识。学了以后可以跟其他飞友吹BB
一是自己知道这是怎么回事,二是让大家知道如何判断一些电机好不好,因为有些电机发热很恐怖,有些电机和电调搭配怎么转都不热,这就涉及到控制相关姿势了。我后面再慢慢更,今天实在没时间写了,请理解一下哈。
不醉难归  Phantom 3 Standard认证用户 2016-8-25 30#
很好的科普贴啊
楼主  Inspire 2认证用户 2016-8-25 31#
石榴姐 发表于 2016-8-25 10:57
好贴哦,都是干货,希望看到楼主更多的分享!
哎呀妈呀,石榴姐都来捧场了,不胜荣幸!!!!
炸香机073   2016-8-25 32#
学习了                                          
木头123   2016-8-26 33#
少帅-Z 发表于 2016-8-25 23:18
一是自己知道这是怎么回事,二是让大家知道如何判断一些电机好不好,因为有些电机发热很恐怖,有些电机和 ...
坐等更新
zengwenjie  Phantom 4认证用户 2016-8-26 34#
初中物理学过,都还老师了
laopan_1   2016-8-26 35#
技术帖!几十年前学的,早就忘得精光。楼主高手。
waichuzhaohun   2016-8-26 36#
理工男的牛叉大招
垂钓、骑行、徒步
dlpower  Osmo Action认证用户 2016-8-26 37#
看不懂,不过就觉着很牛B
DJI-大师兄  管理员 2016-8-26 38#
恭喜楼主成功的抢到了头条
geraltchen@126.   2016-8-26 39#
楼主感谢,多谢干货,这么多图制作的很认真,辛苦
hopdream  Osmo Mobile 2认证用户 2016-8-26 40#
干货贴,楼主威武
认证设备
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