无刷电机的工作原理及测试方法

作者：Emrik Joner

引言：

在制造无人机时，第一步就是选择合适的电机。为了获得最佳性能，必须测试多种电机，并为您的设计选择效率最高的电机。市场上有很多电机，包括许多专为无人机设计而制造的各种电机。本文将仅关注电机，并涉及以下主题：

1. 无刷电机的工作原理
2. 内转子与外转子电机
3. 效率与性能
4. 选择电机

注意：本文将使用 Series 1585 推力测试台来收集电机和螺旋桨数据。

1. 无刷电机是如何工作的？

在深入了解无刷机构原理之前，我们先来看看它的组成部分。

无刷电机的组成部分：

电磁铁与永磁铁：

绕在金属底座上的导线本身不会像磁铁一样发挥作用，但当电流流过导线时，会使其产生磁性。这通常被称为电磁铁。如果相同的导线中流过反向电流，磁铁就会产生相反的效果，它会吸引另一个磁铁，而不是将其推开。

转子与定子：

图 3 内圈看到的部件是电磁铁，而外圈则是永磁铁。要启动电机，您需要向其中一个电磁铁的线圈通入电流使其激活。这将使转子开始旋转，因为永磁铁会受到同极电磁铁的排斥，并试图与定子上相反极性的永磁铁对齐。

由于电磁铁与相反极性的永磁铁会相互吸引，转子只会旋转很短一段时间。接下来的步骤是为另一个电磁铁供电，以保持旋转不停止，然后依次为下一个、再下一个电磁铁供电，以此类推。

通过以给定频率输送三相电流，电机将以与该信号频率相等的转速旋转。无人机控制器上的油门用于改变电机转速，油门输入越高，发送到无人机的频率信号就越高。电子调速器（ESC）控制信号的输送，根据油门输入来调节电机转速。

ESC 的作用是什么？

ESC（电子调速器）通过输送电信号来控制电机，这些信号会被转换为转速变化，甚至反转旋转方向。它使用直流电结合开关系统来产生交替的三相电流。然后，可以通过改变电路中开关的开合速度来调整输出电流。

无刷 ESC 需要转子的当前位置信息，才能启动电机并选择旋转方向。为了确定位置，ESC 使用最后一个未通电电磁铁的信息来测量其感应电流。这种感应电流会根据最近的永磁铁位置而变化，永磁铁距离电磁铁越近，感应出的磁场就越强。

油门用于改变电机转速。为此，ESC 必须根据油门信号调整开关频率。有几种具有不同性能的信号输送协议，最常见的是 Oneshot、Multishot 和 Dshot。

它们之间的区别在于所输送信号的频率。更短的频率可实现更快的反应时间。此外，Dshot 协议与其他两种不同，因为它发送的是数字信号而非模拟信号。这使得信号更加可靠，因为它对电噪声的敏感度较低，而且分辨率更高，因此更加精确。

延伸阅读：无刷电机制造商列表

2. 内转子或外转子

原理：

每个无刷电机都由两个主要部分组成：定子和转子。定子是静止的，不会移动，并安装有电磁铁。转子是旋转部件，安装有永磁铁。直流无刷电机有两种类型：内转子和外转子型号。

对于内转子电机，转子在定子“内部”旋转，或者相对于电机外壳更靠内。外转子电机的结构则相反，转子在定子“外部”旋转，或者更靠外，请参见图 6。两种型号都有其优缺点。

比较同尺寸的内转子和外转子时，很容易看出施加力的直径不同。这是因为电磁铁所占的空间比安装永磁铁的转子要大得多。如果电磁铁位于内部，其直径就比位于外部时更大（图 6）。

除了尺寸外，对电机性能的影响也同样重要。更大的直径意味着更大的扭矩，因为力作用点距离旋转中心更远；而较小的直径则更适合高转速。因此，内转子电机在高速下表现最佳，但产生的扭矩较小；而外转子电机则更适合搭配大尺寸螺旋桨，因为它们能输出更大的扭矩，但转速较低。

无人机行业中的无刷电机：

由于上述原因，eVTOL 经常使用外转子电机来提供垂直推力，因为它们扭矩很高。内转子电机则更多地用于管道风扇喷气式飞机或固定翼飞机，以及需要高转速的水平移动。

通过电机的 Kv 值很容易理解这一点，该值也称为 RPM/Volt 值。

该值决定了当向电机输送 1 V 电压时，电机将以何种转速旋转。因此，同尺寸的内转子电机的 Kv 值通常高于外转子电机，因为如上所述，内转子拥有较小的转子，在相同电压下旋转得更快。浏览无刷电机时，您经常会看到 Kv 值排在首位。

延伸阅读：为什么您应该测试无人机的电机和螺旋桨

3. 效率与性能

谈到无人机的性能时，我们经常想到飞行时间。遗憾的是，即使是最先进的电池技术，在重量/能量比方面也无法与燃油发动机竞争。唯一的解决方案就是仔细选择能够最有效地利用电池电量的电子元件。

许多因素可以优化电池的能耗。其中一个因素就是电机的效率。更高的效率有助于提高重量/能量比，从而让电机和无人机本身获得更高的性能。 测试电机对于了解制造商规格与电机实际质量之间的差异至关重要。为了展示这一观点，我们展示了两款价格区间不同的相似 BLDC 电机的对比。

为了比较电机的性能，我们使用了 RCbenchmark Series 1580 推力测试台。它能够测量推力、扭矩、电压、电流、RPM 和效率。数据采集使用 RCbenchmark 软件完成。测试的两款电机分别是 1500 Kv 和 2300 Kv 的 T2407s。两款电机都旋转相同的 7 英寸、螺距为 4 的螺旋桨。

图 7 中的第一张图表显示了两款电机效率与油门的对比。第二张图表显示了特定转速下的效率。显然，较小的 1500 Kv 电机需要更大的油门才能高效运行。在这种配置下，搭配相同的螺旋桨，它无法达到 2300 Kv 电机的效率。2300 Kv 电机的效率范围也更好，这意味着该电机在低速和最高转速下都能保持高效率。

另一方面，较小的电机可以在更高转速下运行，并且可能在搭配较小的螺旋桨时效率更高。用于运输的无人机会使用较小的电机，以便在低速下保持空闲和稳定。

为了获得全面的对比，我们需要了解无人机的用途以及它将运行的 RPM。1500 Kv 电机可能在适合不同功能的其他螺旋桨上效率更高。只有通过测试才能发现。

4. 选择电机 

最后，我们来谈谈选择电机时应该注意什么。最重要的特性是电机 Kv，它描述了电机在给定输入功率下所获得的旋转速度。一个 2000 Kv 的电机，每向电机输送一伏电压，将以每分钟 2000 转的转速旋转。

尺寸与 Kv 密切相关。宽大且大的电机通常会有更高的扭矩，但 Kv 较低，并使用更大的螺旋桨；而细长但较长的电机则会有高 Kv、低扭矩，最适合搭配小螺旋桨。当你考虑到更大的电机在较低的 RPM 下运行，而小电机在相对较高的 RPM 下运行时，这一点就很合理了。

电机的最大功率也是需要考虑的因素。超过电机的功率限制会导致电机发热，从而大幅降低其效率，甚至造成损坏。品牌也会影响电机的性能。对于相同的 Kv 值，一个品牌的电机可能比其他品牌表现更好。这就是为什么您应该在围绕它制造无人机之前测试您的电机。

延伸阅读：如何计算无刷电机 Kv 和电机极数

一般来说，明智的做法是使用尽可能小的（最轻的）电机，同时避免因过载和过热而使其损坏。这样做是为了减少由于电机大于所需而产生的多余重量。我们整理了一份大型电机制造商列表，其产品适用于重载和载人无人机作业。

结论