多旋翼无人机

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本文作者:李德强
          第二节 有刷电机与无刷电机
 
 

        多旋翼无人机的动力来源于螺旋桨,而螺旋桨是电机转动的结果。现在我们就来学习一下电动机的运动原理。在学习电动机原理之前,我们需要先了解一下多旋翼无人机使用的电机种类:有刷电机和无刷电机。

一、有刷电机

        电机转动的原理在今天看来很简单,一般初中物理课都会讲到电动机的运动原理。现在我们就一起来复习一下。首先,我们知道法拉第电磁原理,当电流经过导线后会产生磁效应,根据右手定则,电流延四指方向流动,母指指向的方向为N极,反向为S极,如下图所示:

        我们将由线圈缠绕铁棒的这种器件为电磁铁,当线圈通电后铁棒即会生产磁性。由于电流流经线圈产生了磁效应,再根据磁极同性排斥,异性吸引的原理,如果将铁棒中心加入一个可旋转的轴,并将其外侧加入一个永磁铁,如下图:

        根据磁铁同性排斥,异性吸引的原理,电磁铁的N极会受到永磁铁N的的推力,同时也会受到永磁铁S的吸力,所以会延转轴顺时针运动,而电磁铁的S极同样会受到永磁铁S极的排斥,并受到永磁铁N极的吸引,所以也会顺时针转动,当电磁铁转动到180度时,永磁铁与其产生的作用力达到最大,所以电磁铁在180度位置摆动几次之后将停止在这个位置上。

        而此时,我们希望可以让电磁铁一直转动下去,那么我们就自然想到让电磁铁的电流方向发生改变,这样电磁铁原来的N极变为S极,而S极变为N极,于是电磁铁因永磁铁的作用继续顺时针转动,而再转过180度时我们再让电磁铁的磁极改变,因而电磁铁每转动180度就会改变一次磁极方向,所以会一直转动下去。这就是我们所说的电机机转动原理。

        但是这里面有一个问题,就是如何让电机的电磁铁在转动到180度时自动改变其电流方向呢?实际上这个问题已经被完美的解决了,请大家看下面图解:

        上图中虚线是线圈连接导体片的导线。这就是有刷电机的原理图,在电机内部的电磁铁的转动轴上,安装两个半圆形的导体片,并在其两侧用两个电刷夹在这两彼片半圆形导体上,当电磁铁转动过180度时,由于惯性会稍微转过一个小角度,超过180度,而此时电刷接触导体片的位置发生了变化,也就是电源的正极和负极发生了变化,电流的方向也就发生了改变,于是电磁铁的磁极与永磁铁的磁极一起作用下,电磁铁就会转动起来。

        我们把电动机中持续转动的部件,叫做电动机的转子,而不动的、固定的部件,叫作电动机的定子。通常如果电刷是转动180度再变换一次电流方向的话,有时候会在180度时进入死角所以多数情况下,有刷电机的电磁铁是三组线圈,而电刷只有一组,运行时就无论在什么情况下都可以转动了,如下图:

        想要改变有刷电机的转动方向,只要改变电机电源的正负极即可。对于多旋翼无人机来说,小型无人机通常使用有刷电机,比如空心杯电机;而轴距较大,通常大于200mm左右的无人机都使用无刷电机。下面我们就来一起了解一下无刷电机的原理与构成。

 

二、无刷电机

        无刷电机的运动原理与有刷电机没有什么本质区别,它们都是通过电流流经线圈而产生磁效应,从而与永磁铁发生同性排斥,异性吸引的效果,从而发生转动。无刷电机顾名思义,就是没有电刷的电动机。无刷电机的电磁铁是固定在机座上的,不能转动,而永磁铁是有一个转动轴,并做为外壳在电磁铁的外部,如下图:

        因为电磁铁不能转动,所以需要靠改变电磁铁的电流而产生不同的磁场,从而使外部的永磁体发成转动。对于无刷电机来讲,可以通过三向桥式连接二二导通的方式来控制,每当电机的转子转动120度,逆变器开关管换流一次,同时定子的磁状态改变一次:

        想要改变有刷电机的转动方向,只要将三条电源线的任意两条反接即可。无无刷电机的转动部件为永磁体,又称转子;而不转动部件为电磁体,又称定子。控制电机电动势变化的设备叫做电调,我们会在下一讲中学习电调的控制方法。

        无刷电机还有几个常见指标:定子高度,定子宽度和电机KV值。我们通常在看电机参数时,可以看到电机型号会注明2212 2216 2312等等,前两个数字表示的是电机写字的直径,后两个数字表示的是电机定子的高度,单位均是毫米。例如2206表示电机定子直径为22mm,定子厚度为6mm。2312表示电机定子直径为23mm,定子高度为12mm。2216表示电机定子直径为22mm,定子高度为16mm。

        指标KV值表示电机在空载(不安装螺旋桨)的情况下,电压每增加1v,电机每分钟的转数增加多少。电机KV值越小,说明电机的动力越大,但速度越低;而KV值越大,说明电机的动力越小,但速度越快。你可以想像一下汽车的档位,档位越低(比如1档),发动机的动力越大,但速度越小;档位越高(比如5档),发动机的动力越小,但速度越快。

 

 

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