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      模型知識 /

      X-TEAM 談 航模電機之下

      文章出處:x-teamrc.cn? ?人氣:? ?發表時間:2018-12-27 01:33

      上期以磁鐵為切入點,介紹了二極有刷電機的原理、結構和運行特點(圖1)。三極有刷電機的運行原理與二極有刷電機類似(圖2)。如圖所示,當三極電機的某個換向器轉到三角形的頂點(與左右固定的永久磁鐵平行)時,與之連接的線圈必須保持N極朝上。由于異極相吸、同極相斥,因此線圈受到1個順時針方向的合力矩,驅使電機轉子繼續轉動(圖3、圖4)。 
        也就是說,電機靠永久磁鐵和電磁鐵之間的相互作用維持運轉。正因如此,不少人認為只要電磁鐵的磁力越大,或者電磁鐵上纏繞的螺旋線圈匝數越多,電機的功率就越大。其實不然,電機的轉子尺寸確定后,電磁鐵上能纏繞的線圈數量也就固定了。如果要增加線圈匝數,就得選用更細的電線。而電線越細,其上通過電流的能力越差,電流量的減小會抵消線圈匝數增加帶來的電磁鐵磁力增強的效果。根據筆者的經驗,電機中用到的電線越粗,所繞線圈匝數越少;電線越細,所繞線圈匝數越多。前者屬于大電流高轉速型電機,后者屬于電流阻力較大的扭力型電機,如何取舍還得根據具體的需求確定。 
        隨著技術的革新,有刷電機逐漸被無刷電機代替。電機和鋰電池的搭配所能提供的動力輸出,絲毫不亞于內燃機發動機(圖5)。顧名思義,無刷電機中既無電刷,也無電刷裝置。無刷電機的工作原理與有刷電機類似,同樣利用的是永久磁鐵與電磁鐵之間的相互作用力帶動電機持續運轉。 
        有刷電機通過換向器讓轉子每轉動半圈就切換一次電源的正負極,從而不斷改變電磁鐵的N極和S極,無刷電機則由電調控制電磁鐵的極性按一定規律變化。 
        無刷電機既沒有電刷,也沒有換向器,構造較為簡單。以內轉子?o刷電機為例,電機的中心區域是永久磁鐵,作為轉子運轉。沿其周圍均勻布置了6個電磁鐵(固定不動);兩兩相對的電磁鐵電流互相連通,在轉子的圓周上產生正好相反的磁極方向。將6個電磁鐵分為3組,標記為A-A'、B-B'、C-C'。 
        3組電磁鐵線圈的輸入電源為三相交流電,由專門的裝置對電源進行轉換控制。線圈中不僅電流、電壓會隨著時間的推移產生變化,電源的正負極也會隨著時間的變化而不斷變化。因此隨著時間推移,電磁鐵的磁性也會發生變化,宛如不停旋轉的永久磁鐵。 
        如圖6-圖9所示,永久磁鐵周圍的A-A'、B-B'、C-C'表示固定的3組電磁鐵線圈,,右側的正弦曲線圖代表A線圈中電壓隨時間的變化規律。①狀態中A和C'兩處是N極;②狀態中A線圈的電壓由峰值回到①狀態時的水平,不過N極卻變到了A和B兩處;③狀態中A線圈的電壓為零、無電流通過,N極變為B和C兩處;④狀態中A線圈的電壓值與①狀態時的相同,但電源正負極相反,N極是C和A'兩處。電磁鐵與轉子中永久磁鐵之間的相互作用力,驅動著電機軸持續運轉并輸出動力。 
        外轉子無刷電機有著與圖示正好相反的結構,其中心區域為電磁鐵線圈,周圍均勻分布永久磁鐵。不管是內轉子還是外轉子方式,無刷電機的工作原理是一樣的。 
        無刷電機的機械結構相對簡單,又不存在電刷損耗問題,為其高效運行提供了可能性。而且由于電子調速器替代了傳統的機械裝置,因此提高了控制的準確度。目前無刷電機已經占據了電機市場的主導地位,但稍微有些遺憾的是,質量較好的電子調速器價格比較昂貴,尤其是國外品牌。 
        很多模友以為無刷電機是近10年的產物,實際早在20世紀70年代中期就已被普遍用于錄音機中。以前流行的隨身聽(Walkman)就裝有無刷電機。國內愛好者接觸無刷電機,應該是從DIY光驅電機開始的。當時國內模型廠商還沒有大批量生產無刷電機,愛好者便從廢棄的電腦光驅中拆出無刷電機進行改造,并用在航模上。筆者也曾做過不少(圖10),發現如果精心繞制線圈組,電機的使用效果還不錯,配上GWS出品的5寸螺旋槳尤為出彩。 
        剛入門的愛好者在選購無刷電機時,經常會被問到所需的電機參數――KV值。有人認為電機的KV值越大,功率越大,其實并非如此。KV值是表征電機運轉特性的一個指標,可理解為當電機被供給1V電壓時,其在1分鐘內的運轉圈數。如KV值為1 500和500的電機,相比而言,前者是高轉速電機,用在航模上需配備小螺距、小槳徑的高速槳;后者是低轉速電機,可搭配大螺距、大槳徑的螺旋槳。只有這樣搭配,電機工作起來才會高效。至于具體的螺旋槳尺寸選擇,建議模友們查閱電機的使用說明書,其中一般會有模型廠家的推薦配置表,標注了電機的電流、拉力、可搭配的螺旋槳尺寸等信息。 
        如果已知需求(規定了模型上用到的電機轉速),在挑選一款合理KV值的電機時有一個簡單的計算方法。假定想購買轉速6 000r/min左右的電機,搭配3S鋰電池,那么由已知得出電機的供電電壓為11.1V,利用算式 6 000÷11.1=540,得出合理的電機KV值為540。不過所算出的數值只是理論值,還要參照模型飛機的起飛重量、飛行方式、模型種類,綜合考慮選擇合適的電機。 
        種類繁多的無刷電機,究竟選擇哪一款才好,常常困擾著愛好者。即使KV值相同,各類電機的結構、形狀也可能不同。一般來說,小直徑、長條形的是高轉速電機,大直徑、扁薄款的是大扭力電機(圖11-圖13)。

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