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[知识点] 机器人大赛动力系统及其选型(执行机构篇)(中)

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机器 人大赛动力系统及其选型(执行机构篇)(中)

无刷电机

无刷电机的结构有多种,有各种不同的分类方法。在此先介绍市面上常见的无刷电机的共同点。

无刷电机,顾名思义,是没有电刷的电机。传统的直流电机采用旋转电枢、固定永磁体的结构,用电刷来完成换向。

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虽然电刷有着工作可靠、成本低的优点,但也限制了电机的性能:电刷处存在不小的接触电阻,高速运行时摩擦生热,是电机的一大热源,高速大电流时甚至会产生“环火”,电机的性能难以继续提高,产生的电火花还有电磁干扰的问题。但是,这些问题在无刷电机上统统不存在,因为……因为它没有电刷,电枢为定子、永磁体为转子,用“电子换向器”完成换向,即无刷电机驱动板/无刷电机电子调速器(电调)。

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可以看到,无刷电机有三根线——这是为什么呢?在此我全文抄袭知乎用户“默戈”的回答:

好吧其实默戈就是我)

作者:默戈
链接:https://www.zhihu.com/question/320248149/answer/690642672[/backcolor]
来源:知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

其实,三相是一个最简化的选择。

首先要知道“星型接法”和“三角接法”。这是对电机各线圈之间电路关系很形象的描述。

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不论是三相线圈,或者更多相的线圈,都可以采用这两种接法。使用时给各个引脚按一定次序通电,就可以实现电机连续转动。

为什么说三相是最小的呢?因为二相是无法进行这两种接法的……如果使用二相,那么两组线圈的引脚必须分别引出,于是,你得到了一个二相四线的电机(步进电机大多采用这种接法,因为步进电机有“细分”的需求)。你会发现,三相也不过引出三个引脚,做一个三相H桥、六个Mos管即可驱动,但二相四线制需要两个H桥、八个MOS才能驱动。

而更多相,相比三相,也不过是转矩波动更小了而已。况且,转矩波动是可以通过程序的编写来极大地减轻的(参照云台无刷电机)。而这更多的相数会导致更高的成本,在设计上的限制也更严格。

比如,三相无刷电机,只要极对数是三的倍数即可,三对、六对乃至48对。

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但如果是更多相,比如七相,极对数起步就是7对,然后14、21……设计上的自由程度就下降许多了。

当然极对数多也有好处,就是其转矩波动更小。对于正弦的单相波形,三相的波动大约15%,5相5%,7相2.5%,另外在控制上也比较容易做得更好些,可以更加灵活地分配电流,达到更高的效率。但这个效率优势并不是特别巨大,而且需要更复杂的控制系统。

虽然无刷电机理论上性能绝对超过有刷电机,但由于其特殊性质,很多时候是无法使用的,选型时不应无脑选择无刷电机,即使不差钱。主要原因参考“有感与无感”部分。

内转子与外转子

从机械结构上看,无刷电机可以分为内转子与外转子电机。无刷内转子的外观比较像有刷电机,全封闭或者带散热孔;而无刷外转子的转外露。

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左边是车模用无刷内转子,右边是航模用无刷外转子。

二者对比,由于可以将内部较好地封闭起来,无刷内转子的防水防尘性能更好,更适合车用、船用;而无刷外转子的扭矩更大,适合直驱,故而更多用来直接驱动航模的螺旋桨。动力特性上,功率密度差异不是很大,内转子更偏向高速小扭矩,外转子偏向低速大扭矩。由于大多数时候,电机的转速的足够甚至过大的,所以扭矩更大的无刷外转子更多地用于直接驱动工作部件的场合,比如直接驱动螺旋桨、轮毂电机等等;而内转子电机扭矩小,需要减速,一般会配上减速器车用。

有感与无感

利用三相H桥换向的无刷电机电子调速器虽然在性能上超过电刷,但有一个很要命的问题:三相H桥并不知道该什么时候换向。

很多电调采用反电动势法(不作详细介绍,大家可以百度来看)来抓住换向时机,不需要额外的传感器,也就是“无感”。虽然这种方法可以节约成本,不需要在电机的设计上做安排,但反电动势法要想可靠工作,必须满足两个要求:

  1. 电机的转速不能太低;

  2. 电机启动时不能有稍大的载荷(包括惯性载荷),因为低速时反电动势法不起作用,载荷很容易导致启动失败进而烧毁电机/电调。

这样的无感电机/电调大多是应用在航模和船模上的,而航模和船模的电机基本都用于驱动螺旋桨和水泵,完全满足以上两个条件。以下是常见的航模用无刷电机和电调。

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要解决低速和启动的问题,就要有感无刷电机登场了。有感无刷电机大多使用霍尔传感器检测转子位置,所以不存在无感电机的各种限制。其实生活中有感无刷电机的应用也极其广泛,只是做成了封闭的总成我们看不到而已:

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没错,我没放错图,就是这个。电动车后轮拆开以后是这样的,红圈里面是用来检测转子位置的霍尔传感器(图片来自网络修车视频):

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转子是这样的,可以看到一片片的永磁体(图片来源见水印):

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当然,电动车用的无刷电机我们是用不着的。实际比赛中,我们可能会用到两种有感无刷电机。一种是电动滑板车用的有感无刷电机,但是由于应用于电动滑板车,块头较大,不合适,配套总成的价格也比较高,少有应用。更多的是一些自带驱动(电调)的有感无刷电机,比如驰海的一系列无刷内转子电机:

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这些电机并非采用了钕铁硼永磁体的型号,标定也稍保守,功率密度只是稍高于普通的有刷电机。我推荐这些价格明显高于有刷电机的产品的理由如下:

  1. 动力虽然算不上强劲,但至少相比同规格的的普通有刷电机有优势,质量也更稳定可靠(原因是……市面上这些电机最大的源头厂商似乎还是驰海……);

  2. 外形数据和传统有刷直流电机完全一致,可以适配各种电机座和减速器,产品线及配套模块丰富;

  3. 由于集成了驱动器,所以不需要驱动板,直接接在电源上即可,极大地减轻了布线压力。其驱动器一般还有简单的编码器功能,虽然不能满足稳定的调速和精确定位,但可以满足小车的计步功能之类;

  4. 还有一个寿命长的优点,虽然比赛用机器人一般用不了那么久。但市面上部分产品的调校和标定过于激进,很容易损坏。

这类电机,就是之前我在有刷电机篇提到,选型标准和有刷电机差不多的,通过查看扭矩和转速进行选型。详细内容参见有刷电机篇。

作者:南京航空航天大学,周子阳
本文未获得作者授权,不得转载
2019/7/6



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