無刷電機

無刷直流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產品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。中小容量的無刷直流電動機的永磁體，現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的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。

工作原理

無刷直流電動機是采用半導體開關器件來實現電子換向的，即用電子開關器件代替傳統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。

無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流（即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產生位置傳感信號，經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換）。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，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等）裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時，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，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、LC諧振電路等），當永磁體轉子位置發生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號（其幅值隨轉子位置而變化）。

結構解析

結構上，無刷電機和有刷電機有相似之處，也有轉子和定子，只不過和有刷電機的結構相反；有刷電機的轉子是線圈繞組，和動力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無刷電機的轉子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷，故稱之為無刷電機（Brushless motor），那現在就有問題了，沒有了電磁場的變換，如何讓無刷電機轉動呢？

簡單而言，依靠改變輸入到無刷電機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幾何軸心旋轉的磁場，這個磁場驅動轉子上的永磁磁鋼轉動，電機就轉起來了，電機的性能和磁鋼數量、磁鋼磁通強度、電機輸入電壓大小等因素有關，更與無刷電機的控制性能有很大關系，因為輸入的是直流電，電流需要電子調速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機那里接收控制信號，控制電機的轉速，以滿足模型使用需要。 總的來說，無刷電機的結構是比較簡單的，真正決定其使用性能的還是無刷電子調速器，好的電子調速器需要有單片機控制程序設計、電路設計、復雜加工工藝等過程的總體控制，所以價格要比有刷電機高出很多。 ［1］

相關對比

有刷電機缺點

（1）摩擦大，損耗大

老模友們在以前玩有刷電機的時候都碰到這個問題，那就是使用電機一段時間以后，需要打開電機來清理電機的碳刷，費時費力，維護強度不亞于來一次家庭大掃除。

（2）發熱大，壽命短

由于有刷電機的結構原因，電刷和換向器的接觸電阻很大，造成電機整體電阻較大，容易發熱，而永磁體是熱敏元件，如果溫度太高的話，磁鋼是會退磁的，使電機性能下降，影響有刷電機的壽命。

（3）效率低，輸出功率小

上面說到的有刷電機發熱問題，很大程度是因為電流做功在電機內部電阻上了，所以電能有很大程度轉化為了熱能，所以有刷電機的輸出功率不大，效率也不高。

無刷電機優點

（1）無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉時產生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。

（2）噪音低，運轉順暢

無刷電機沒有了電刷，運轉時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優點對于模型運行穩定性是一個巨大的支持。

（3）壽命長，低維護成本

少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。上下一比較，就知道無刷電機相對于有刷電機的優勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機低速扭力性能優異、轉矩大等性能特點是無刷電機不可替代的，不過就無刷電機的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內外無刷技術的發展與市場競爭，無刷動力系統正在高速的發展與普及階段，這也極大促進了模型運動的發展。

其他區別

（1）適用范圍：

無刷電機：通常被使用在控制要求比較高，轉速比較高的設備上，如航模，精密儀器儀表等對電機轉速控制嚴格，轉速達到很高的設備上。

碳刷電機：通常動力設備使用的都是有刷電機，如吹風機、工廠的電動機、家用的抽油煙機等等，另外串激電機的轉速也能達到很高，但是由于碳刷的磨損，使用壽命不如無刷電機。

（2）使用壽命：

無刷電機：通常使用壽命在幾萬小時這個數量級，但是由于軸承的不同無刷電機使用壽命也有很大不同。

碳刷電機：通常有刷電機的連續工作壽命在幾百到1千多個小時，到達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：通常是數字變頻控制，可控性強，從每分鐘幾轉，到每分鐘幾萬轉都可以很容易實現。

碳刷電機：舊碳刷電機一般啟動以后工作轉速恒定，調速不是很容易，串激電機也能達到20000轉/分，但是使用壽命會比較短。

（4）節能方面：

相對而言，無刷電機采用變頻技術控制的會比串激電機節能很多，最典型的就是變頻空調和冰箱。

（5）日后維修方面：

碳刷電機需要更換碳刷，如果更換不及時會造成電機的損壞，而無刷電機，使用壽命很長，通常是有刷電機的10倍以上，但是壞了就需要更換電機，但日常維護基本不需要。

（6）噪音方面與是否是有刷電機無關，主要是看軸承和電機內部組件的配合情況。

（7）模型無刷電機的參數指標，除了外形尺寸（外徑、長度、軸徑等）、重量、電壓范圍、空載電流、最大電流等參數外，還少不了一個重要指標KV值，這個數值是無刷電機獨有的一個性能參數，是判斷無刷電機性能特點的一個重要數據。

目前航模的動力配置基本采用的“無刷電機”加電調組合方案，我們大多稱此類電機為“無刷電機”，也有人稱之為BLDCM，結合資料以及相關工作經驗，在此對該類電機進行不成熟的描述。

首先，稱之為直流無刷電機是有一定的問題的，資料顯示適應方波驅動的BLDCM的反電動勢是類似于梯形波，梯形波的反電動勢不是偶然形成的，而是人為控制，主要采用整距集中繞組，永磁體形狀為瓦片形，多徑向充磁等方式。該類電機適用于方波控制，也就是常用的航模電調的控制方式。

而我實際測試過多種廠家及不同型號的無刷電機，反電動勢均為正弦波。查詢披露出來的無刷電機繞線方式及自己動手拆的電機，可以確定，該類電機為分數槽集中繞組永磁同步電機。而反電動勢為正弦的同步電機是可以通過方波逆變器控制的，這就造成了一部分人認為該電機是BLDCM。

當然如果是通過控制方式對電機分類，那么其屬于BLDC，也不是不可以。非常嚴謹的定義暫未找到，拋磚引玉吧。

所以完整的描述該類電機要有如下關鍵詞：外轉子（只研究了外轉子的電機，內轉子沒研究）、分數槽、集中繞組、永磁同步電機。

順便說一下控制方式，電調采用的方波驅動優勢就是成本低，魯棒性好，基本不挑電機。控制精度相對一般，且沒有電流內環，其速度環帶寬是相當低的，加減速肉眼可辨。雖然性能差，不過配合好的飛控算法，謹慎仔細的參數調整，這點還是可以補償的。

另一種就是正弦驅動，不過這種驅動是需要精確的電機參數，不好隨便換電機，無傳感器的算法不算很成熟，不過有電流環，響應速度非常快。整個硬件成本也大概能有前者的兩倍，算法付出的成本就更高了。目前常見的控制算法就是FOC。DTC還需要些時日。無傳感器的轉子位置估算以高頻注入居多。這些技術應用在多旋翼上知道的只有一家，磨了控制芯片，不過型號很好猜。感覺正弦驅動是未來中高端航模的發展方向，畢竟響應速度及精度是靈活運動的必要保障。