由浅入深话电机1

蝉鸣在夏天

电动机，简称电机，是一种通过电磁相互作用，将电能转换为机械能的装置。电机种类丰富、用途广泛，在航模领域，从电动航模的动力电机、舵机的驱动电机，到地面的启动器、电动油泵等航模工具，都会用到电机。
　　本文将从电机的基本原理开始，由浅入深地介绍电机的原理、构成，以及不同分类及其性能特点，然后对航模活动中接触较多的电机类型进行详细讲解，和各位模友交流。首先介绍电机的基本原理和不同类型电机的分类方法及其性能特点（图1）。
　　电机基本原理
　　电机运转的基本原理很简单，以两极直流电机为例（图2）：旋转的部分称为转子，不旋转的称为定子。通常永磁体定子在外，用线圈制作的转子在内。线圈通电时产生的磁场会与定子的永磁体磁场相互作用，产生转动力矩驱动轴转动，输出功率。
　　电机要能稳定高效持续地输出功率，需要解决两个关键问题：磁场足够强；磁场能随着旋转而及时准确地切换极性。围绕这两个问题，不同用途的电机有不同的解决方案，于是便产生了不同种类的电机。但从电机的结构来看无外乎两种，定子和转子总有一方是线圈，另一方可以是铁氧体磁铁或磁钢制成的永磁体（如普通的小型直流电机，图3），也可以是铝制框架感应电流产生的磁场（如三相异步电机，也称“鼠笼”电机，图4），或者是同样的通电线圈产生的磁场（工业上称为励磁绕组）。从切换磁场极性的方法看，有的电机是通过换向器进行机械切换（直流有刷电机），有的是直接利用交流电的频率来切换（大部分交流电机）。本文将逐一对这些不同工作方式所对应的不同种类的电机作介绍。
　　电机的分类及其性能特点
　　生活中能见到很多电机，如单相电机、三相电机、同步电机、异步电机……而航模中用到的电机也分有刷、无刷、内转子、外转子……这些不同叫法的电机是如何归类的？航模电机与平时生活中见到的电机一样吗，还是只是叫法不同？为什么有的“老鸟”将报废的光驱电机改装后也能装到模型飞机上飞行（图5）？看完下面的介绍这些问题就容易解释了。
　　按电源类型分类：
　　直流电机与交流电机
　　电源类型有直流、交流两种，电机按使用电源的不同也分为直流电机和交流电机两种。其中交流电机还分为单相电机和三相电机，前者使用普通的交流电，后者使用三相交流电（图6）。以目前能接触到的一般情况为例，便携或移动设备中，由于不方便获得交流电，一般使用直流电机；工厂等需要大功率设备的场合，一般配有三相交流电，因此大型设备都使用三相交流电机；家庭使用的场合，因为一般只有单相的照明用电，电机的功率也较小，所以家用电器大都使用单相交流电机。因此，三相电被称为“动力电源”，而单相电被称为“照明电源”或“市电”。航模设备根据不同情况，既使用直流电机也使用交流电机。
　　当然，对某些电机而言，直流、交流的界限是模糊的，比如像硬盘和光驱的主轴电机、散热风扇的电机、航模上用的动力电机。从电机本身看，它们属于交流电机，但使用的却是直流电，这主要归功于驱动电路的帮助，因此有些场合将这类电机称为直流电机也没错（图7、图8）。
　　从性能上看，直流电机的启动性能和瞬间改变转动方向的能力较好，而交流电机在高速运行时效率较高。另外，直流电机的转速控制较为简单，只要调整供电电压，就可以实现直流电机的无级、平滑变速；相比之下，交流电机需要通过相位监控，对电压和频率同时调整才能实现无级变速。
　　随着电力电子技术，尤其是大功率半导体的发展，现在电源的类型对电机的性能影响已经淡化了，所以不能单从类型判断电机的性能，与性能密切相关的更重要因素是电机的构型。
　　按运行时的磁场关系分类：
　　同步电机和异步电机
　　前面已经提到，电机是靠定子和转子之间的磁场相互作用运转并输出扭矩的，这就产生了两种电机类型，一种是转子的转速和磁场的变化速度同步，称为同步电机；另一种是转子的转速与磁场变化不同步，称为异步电机。一般来讲，直流电机、永磁体或励磁线圈提供磁场的交流电机都属于同步电机（图9）；而转子靠铝制框架“鼠笼”或闭合绕组的感应电流来产生磁场的交流电机一般都属于异步电机。这是因为这种类型的电机，转子和磁场必须有转速差，才能在转子的“鼠笼”或绕组上感应出电流形成磁场。
　　以三相交流电机为例。同步电机工作时，转子的永磁体产生磁场，或者是电机转子的绕组通入直流电，产生类似永磁体的磁场；定子上通入三相交流电后，会随磁场变化同步旋转，转速n＝60f/p。这里f是电源频率，p是电机的极对数（图10）。
　　而异步电机工作时，只有定子通电（三相交流电），转子受到感应电流产生磁场（原理同变压器）。因为是感应电流，所以转子产生磁场旋转的速度要滞后于定子磁场，相当于定子磁场拖动转子旋转，其转速低于同步转速，而且负载越重，滞后越多。
　　同步电机的转速准确，不随负载变化，易于精确控制，常用于需要精确运作的机械，例如数控机床上的步进电机，就是同步电机的一种特例（图11）。而异步电机的特点在于转子结构简单，生产成本低廉，在要求不高的场合作为高性价比的动力源，被大量使用（图12）。
　　按有无电刷分类：
　　有刷电机和无刷电机
　　电机的连续运转需要靠线圈产生变化的磁场实现。而在很多情况下，电机通过电刷在转子旋转过程中接触换向器上的不同电极来实现这一目的。因此根据有无电刷，电机又分为“有刷电机”和“无刷电机”。
　　顾名思义，有电刷的电机称为有刷电机，无电刷的自然为无刷电机了。很多模友都很清楚：直流电机都是有刷电机，交流电机都是无刷电机。但这个概念只在大部分情况下正确。在有些场合，直流电机内置了转换和控制电路，可以不需要电刷，比如散热风扇的电机（图13）：虽属于直流电机，但实际上没有电刷。另一方面，如果需要交流电机产生很大扭矩和转速，那么转子和定子都不使用永磁铁，而是通过电刷给转子上的线圈供电产生强磁场。这时虽然是交流电机，但也需要使用电刷，属于有刷电机，比如手电钻里的电机（图14）。因此，本文把直流/交流电机、有刷/无刷电机按两种分类方法来讨论。不过，一般可以认为，有刷电机的转子上有线圈绕组，而无刷电机的转子上没有通电的线圈绕组。
　　从性能上看，有无电刷对电机影响较大。首先是效率，固定的电刷要与旋转的转子接触，必然会有摩擦，产生阻力，发出热量，在同样的生产工艺水平下（即电机的铜线圈、硅钢片定子、磁钢、轴承等部件的质量和加工精度相同），有刷电机的效率一般比无刷电机低。
　　其次是寿命。电刷为保持良好的导电性，不能使用油脂等润滑方法手段，因此它和换向器往往成为有刷电机中因摩擦磨损最先“到寿”的部件。较大的电机需要大修，更换磨损件；而对于小电机，一般就结束它的使命了（图15）。
最后是制造成本。电刷和与之接触的换向器，都要使用高导电性、高耐磨性材料制造。电机内部需设计专门空间以安装，大功率电机还要考虑散热和防尘问题。同时，有刷电机的转子，线圈一般都用铜质漆包线制作，无论是人工还是机器加工都难以保证绕组的一致性。由于不一致的转子线圈会在高速运转中产生剧烈震动，因此转子绕组制作完成后需要做动平衡，进一步增加了成本。而无刷电机转子一般是铝制“鼠笼”或磁钢，比较容易保持一致，大部分情况都能满足要求，只有在极高速的场合才需进一步做动平衡。这一系列原因使得大功率有刷电机的生产工艺繁琐、转子结构较为复杂、成本相比无刷电机更高（这里只是在同级别、同档次的情况下单纯比较电机本身的成本，不包括直流无刷电机的控制电路等，图16、图17）。当然，尽管有刷电机存在一些不足，使其应用受到限制，但很多情况下，有刷电机的独特之处又使它变得不可替代。

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首先是体积优势。直流有刷电机技术成熟，直流电不需要转换电路即可直接驱动，便于实现小体积。在很多小型设备上，其成本反而比使用无刷电机低；同时简单的电路结构也带来较高的可靠性，比如电脑光驱开关舱门的电机、手机的震动电机等（图18）。
　　其次是扭矩大，尤其是启动扭矩大。有刷电机由于直接将电源供给线圈，不需要转换电路的切换，也不需要通过旋转来感应磁场（相对三相异步电机而言），因此可以实现很大的启动扭矩。在启动发动机这类场合，大部分还是用有刷电机。车模中使用有刷电机也是这个原因。
　　另外，由于启动扭矩大，有刷电机可以快速换向，因此在需要快速换向的场合，如航模舵机，有刷电机可用简单的电路实现快速反应。相比之下，同样级别的、采用无刷空心杯电机的舵机，电路就复杂很多。
　　按定子、转子布置形式分类：
　　内转子电机和外转子电机
　　大部分的电机，无论直流/交流，有刷/无刷，电机都是按照定子在外、转子在内的形式布置的，称为内转子电机。而航模爱好者都熟知，大部分航模动力电机却是定子在内、转子在外布置的，称之为外转子电机。为什么要这样设计，这与传统设计有什么区别呢？
　　内转子电机是最常见的电机形式。几乎所有的直流电机和绝大部分交流电机，都是内转子布局的，这是因为内转子形式的电机有以下几项优点：
　　结构强度和刚度易于保证。内转子电机的外壳和定子可以一体设计，能保证较好的强度和刚度，而两端的端盖又恰好作为轴承座，支撑转子，结构较为简单。对于绕组在定子上的交流电机而言，紧贴外壳的绕组也易于散热（图19）。
　　较易实现整体封闭，易于隔离异物，保证运行安全。内转子电机，转子能很容易完地完全包裹在内部，可有效防止异物进入与运动部件发生刮蹭，易于保证安全。因此，几乎所有在狭窄空间，以及水下、扬尘等恶劣条件下运行的电机都是内转子形式的。
　　便于安装。内转子电机的壳体没有运动部件，能以各种角度方便地安装在各种应用场合（图20）。
　　对于有刷电机，转子上需要制作线圈，安装换向器，还要与电刷接触，内转子几乎理所当然成了唯一的选择。
　　但是，随着无刷电机的出现，内转子电机的某些缺 陷使得外转子电机开始广泛应用。
　　容易想象，在相同的直径、线圈匝数条件下，内转子电机的转子，也就是磁钢的体积和磁极数量，都受到很大限制；同时由于转子半径所限，磁钢与线圈间隙的距离，即驱动力的作用力臂很小，这直接导致内转子电机的驱动扭矩受限。相比之下，同样直径的外转子电机，可以充分利用较大的定子尺寸布置足够的线圈，而且外部的转子半径较大，能布置较多的磁极。因此，同样大小的磁力产生的力矩比内转子大（图21）。
　　正是因为这些原因，现在绝大部分硬盘和光驱的主轴电机都使用了外转子电机。而越来越多的电动航模也使用外转子电机直接驱动螺旋桨，取代了早期需要加减速器才能驱动螺旋桨的内转子电机。当然，由于线圈在内部，因此大功率外转子电机的散热较为麻烦的，很多模友都有过烧电机的经历。现在我们用到的外转子航模电机大多采用前后开散热口的方式来加强散热。不过这对制作材料的强度提出了更高的要求，多数电机厂商不得不提高成本，使用硬质铝材制作电机壳体，并采用数控加工的方法提高精度，满足装配和动平衡的要求。
　　为了避免外转子电机转动时刮蹭外物、吸入异物，目前出现了一种“外转子内置”的电机，就是在外转子电机的基础上，增加一个固定外罩，形成封闭结构，可以保护电机更好地运转（图22、图23）。
　　介绍了这么多分类方法，大家可能有点晕，附表列出了不同分类方法之间的关系，便于参考。
　　下期，将详细介绍在航模运动中广泛应用的各类电机。（未完待续）

yljon

LZ請幫忙告知從圖片在哪裡?

Himalaya

其实吧，一个简单的链接，比辛苦的粘贴效果更好。:em00:

phl9516

楼主辛苦了

zds0225

太好了，虽然很多电机知识都已经学习过，但是回顾一下仍然很有必要，特别是对于新人是很好的资料。谢谢楼主！

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上期讲述了电机的基本原理和不同类型电机的特点，希望能帮助广大模友更透彻地理解常用的电机。接下来将回归到航模运动本身，介绍在航模中使用的电机。
　　常见的航模电机
　　在航模活动中，除了启动器、油泵等地面工具以及舵机等成品设备中使用的电机外，模友关注最多的还是动力电机。航模动力电机一般要求重量轻、功率大、结构简单，在电机大家庭中，它们只占其中的一小部分。航模用动力电机主要包括三种：
　　(1)直流永磁体有刷电机
　　该类电机特点是廉价、易于控制。在大功率、小型化的无刷电机控制技术尚不发达的很长一段时间里，这种电机几乎是电动模型的唯一选择。直流永磁电机通电即能工作，即使需要控制转速，其电路也十分简单。由于技术成熟、使用广泛，各个级别都有大量的成品可供选择，在入门级别的航模产品里，甚至不需要专门开发特定的型号。
　　在直流电机的鼎盛时期，竞赛级别的航模电机也是技术含量高的产品。用高质量硅钢片和无氧铜漆包线制作的转子，用钕铁硼磁钢甚至昂贵的钐钴磁钢代替铁氧体制作的定子磁铁，以及高耐磨、可更换、可调节压紧力和进角的电刷等技术使直流电机达到很高的性能水平，即使在无刷电机横行航模领域的今天，该类电机仍有应用（图1）。
　　(2)交流内转子无刷电机
　　无刷电机的出现全面提升了电动模型的动力水平。由于取消了电刷，运转时的摩擦发热大大减小；没有了绕组，又使永磁体转子的动平衡得以改善，从而减小了震动，电机的效率得到很大提高。但是，正如上期文章提到的，由于受内转子的线圈和磁钢的半径所限，虽然转速可以很高，扭矩却不足以驱动较大的螺旋桨，电机轴输出的动力需要经过减速器提高扭矩后才能带动螺旋桨。内转子电机的定子绕组制作需要在电机壳体内部进行，工艺较为复杂。很多内转子电机为了方便布置更多匝数的线圈，采用了无铁芯的“空心杯”结构定子（图2）。这些局限使内转子无刷电机的应用相对较少，更多的航模采用的是外转子电机（图3）。


　　(3)交流外转子无刷电机
　　交流外转子无刷电机更适合普通航模。因为在同样的整体半径下，外转子电机的转子半径较大，可以布置更多的磁极数以获得较低转速；同时由于磁力作用半径大，扭矩也较大。另外，开放结构的定子易于绕组的制作，可以采用较大体积的硅钢片来提高磁通量。这使得无刷电机能配合锂聚合物电池，在较大的扭矩下达到足够的转速直接驱动螺旋桨，为模型飞机提供动力（图4）。
　　航模电机的重要参数
　　电机的设计涉及到很多参数，其中大部分与使用无关，而航模用电机一般结构都较为简单，所涉及的参数就更少。尽管如此，与航模性能紧密相关的几个关键参数还是很有必要了解其含义的，这对我们设计模型飞机和选配器材都有帮助。


　　(1)最大额定电压和电流
　　众所周知，功率是电压和电流的乘积。因为电机的效率不可能达到100%，所以必然有一部分功率以热量的形式耗散掉，这就是电机运行时发热的原因。发热过大会导致恶性循环：电机温度上升，线圈电阻变大，磁钢磁性变弱，硅钢片的导磁率降低，电机效率下降，进一步增加发热量。过高的温度，轻则造成磁钢永久性退磁，重则导致线圈绝缘层破坏、电机烧毁。
　　因此，为了保证电机的安全使用，正规的电机厂商在电机定型生产之前就会对其进行极限测试，标定出该电机能承受的最大电压和电流，以便模友在选择和使用时参考。
　　由于一般航模电机都搭配锂聚合物电池使用，故为了方便，有的厂商在标定电压时，不是使用电压单位伏特（V），而是使用电池的串数（S）。例如某电机表明最大允许电压是3S，就是说最高允许使用3节串联的锂聚合物电池。锂聚合物电池单节最高电压是4.2V，那么该电机最高承受电压是4.2V×3=12.6V。如果使用其他类型电池，就必须参考该电压。
　　最高电流使用安培（A）作为单位，一般都是以电调的输入电流，即电池的输出端电流为准。该电流一般都在10A以上。因电流表的内阻容易产生读数误差，而且普通万用表的表笔线芯很细，导线线皮不耐高温，承受不了大电流，所以模友在测试时可以使用直流电流卡钳，进行非接触测量（图5～8）。




　　很多模友都注意到，不同型号、同样功率的电机，在同样的电压下带相同的桨，达到的最高转速和电流却可能不一样。为什么呢？这就需要引出下一个重要参数。
　　(2)KV值
　　KV值是指电机在空载状态下，提高单位电压所提高的电机转速，或者简单理解为空载下转速和电压的比值。别看KV值的定义很简单，但牵涉和影响到的参数很多，对航模性能的影响也较大（图9）。


　　首先应注意到，KV值反映的是“空载状态”。此时电机没有负载，转速是最高值，而实际使用中转速要低于KV值计算出来的转速。电机负载越大，转速下降越多，工作电流越大。通常需要通过搭配合适的负载，使实际最大工作转速被控制在理论最大转速的60%～80%之间。
　　同时，KV值反映了电机阻抗、感抗的大小，表现在性能上即反映了扭矩的大小。同样的电压下，空载时，高KV值电机转速高；低KV值电机转速低。同样的输出功率时，低KV值电机扭矩大、转速低；高KV值电机扭矩小、转速高。即：高KV值电机适合在低电压下、带小桨、高转速工作；低KV值电机适合在高电压下、带大桨、低转速工作。例如，在小模型飞机上常常用2串的锂电配KV值2000以上的电机，可把5～6英寸直径的小桨转到10000转/分以上；而在大模型飞机上，用6串锂电配KV值500、甚至更低的电机，可把直径12英寸左右的桨转到7000转/分左右。
　　电机的KV值受很多因素共同影响，一般没有固定的计算公式，厂家一般会根据长期的实验和积累的大量数据，制作数表或经验公式，制作前虽可进行预估，但准确的数据一定要制作完成后进行实验才能获得。大家只需大致了解几个主要因素对电机KV值的影响规律即可，这些参数包括：
　　电机尺寸、电机极对数/定子极数、磁极数、绕组线径/匝数、绕组连接方式等。一般情况下，如果其他因素一致，电机尺寸越大、定子/磁极极数越多、线径越小/匝数越多、绕组串联越多，KV值就越低。
　　由于KV值对电机性能的重要表征作用，因此常根据该值选配螺旋桨和电池。常听到“老鸟”们说：这样选效率高，那样选效率低……那么，电机的效率是指什么？它与哪些因素有关呢？

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(3)电机效率
　　严格地讲，电机效率是指电机输出轴功率（扭矩×转速）与电池的输入电功率（电流×电压）的比值。由于模型飞机使用电机的主要目的是使其驱动螺旋桨推动模型向前飞行，因此也可宽泛地认为，电机效率是指电机推进模型的功率和消耗电功率的比值。
　　从狭义定义上看，电机输出轴功率与电机输入电功率的比值是电机本身的属性，一般无法改变，但却需要了解其影响因素。
　　电机输入电功率主要包括4个去向——即机械能、“铁损”、“铜损”和摩擦损失。首先是转换成机械能，以轴功率的形式输出，其数值最大、也是航模需要的一部分。该部分占总功率的比值就是电机的效率。目前最好的电机可将效率保持在95%以上，一般的也能达到80～90%；其次是由于磁场在铁芯中周期性变化，会使铁芯本身产生感应电流（“涡流”），最终以热量的形式损耗，这部分损耗称为“铁损”（电磁炉的工作原理就是利用这种发热形式）；第三是由于绕组本身存在电阻，电流流经绕组时会发热，这一部分损耗称为“铜损”；第四是转子轴的摩擦损失。由于航模无刷电机取消了电刷，且采用了滚珠轴承支撑转子（较小的电机可能采用滑动轴承或油悬浮轴承），因此该项损耗已经相当小。

　　从上面的分析中可以发现，提高电机效率的主要途径就是减小“铁损”和“铜损”。现在大部分电机都采用层叠硅钢片制作定子铁芯，其目的就是降低“铁损”（图10）。硅钢片的导磁率高、电阻率高、感应涡流发热小。更重要的是，层叠的硅钢片之间互相绝缘，感应涡流被限制在每一层中，相比整体铁芯，“铁损”大大降低（出于同样目的，传统变压器的铁芯也由层叠硅钢片制成）。硅钢片越薄，效果越好。一般电机都采用0.35mm厚的硅钢片，优质的电机则采用0.20mm甚至0.15mm厚的。很多厂商的电机转子的外圈也采用了类似的设计，以进一步降低转子的“铁损”（图11）。
　　降低“铜损”的方法主要是降低绕组电阻，增加漆包线的截面积可以达到这一目的，但一般不采用增加线径的方法。因为导线变粗会降低定子线槽的窗口面积利用率（图12）。通常采用很细的漆包线，多股并绕来增加截面积（对于同样的铁芯而言，绕线的截面积增加，必然要减小匝数，这会改变电机的KV值）。当然，采用价格较高的无氧铜漆包线也能降低电阻。此外，减小定子和转子之间的间隙、使用磁场强及温度特性好的优质磁钢、加强散热、进行绕组浸漆固化处理（防止线圈在高频电流下震动、加强导热）等措施都可以间接减小损耗，提高电机效率。
　　至于广义的效率定义，就与航模电机的选配密切相关了。对于一个已经确定KV值和最大功率的电机，若选配合适的电池、电调、螺旋桨，可以使其发挥最大的功率和效率。但如果需要在航模飞机上稳定运行，若选配不当的话，可能会出现一些严重后果，例如：电压过高、螺旋桨过大，都可能在转速很低的情况下导致电机烧毁；而过小的螺旋桨，可能在转速到达极限后也不能产生足够的拉力。关于电池、电调、螺旋桨的选配，已有很多文章做了详细介绍，这里不再赘述。模友们只要明确电机的最大电压限制，根据KV值选择螺旋桨，使电机工作在最大空载转速的60%～80%，同时不超过最大电流就可以了。而且，也可以根据温度来判断：一般模型飞机着陆后，如果电机发热到无法直接用手触摸的程度，就说明负载过大，需要适当减小螺旋桨或减少电池节数，并加强电机散热；如果飞行中发现螺旋桨转速很高、声音很尖，而测试电流却很小，飞行感觉没有足够拉力，则说明螺旋桨的直径和扭矩过小。
　　(4)进角
　　“进角”最早是直流有刷电机中的概念。现在的无刷电机一般由电子调速器中运行的程序来控制进角，只有一些高档电调中还有关于进角的设置。虽然应用不多，但作为电机运行中一个比较重要的参数，还是向模友们简单介绍一下。
　　上篇文章中已经提到，无论是有刷还是无刷，直流还是交流电机，绕组中的电流都是周期性变化的，以便产生变化的磁场与固定磁场相互作用。从理论上讲，磁场变化的切换位置应该是转子磁极越过定子磁场相互作用的平衡位置。但实际上，电机的磁场需要提前切换，因为无论是有刷电机的换向器，还是无刷电机电调的MOS管，切换的都是电压方向。这是由于电机绕组存在电感，而感抗的作用使电流的变化滞后于电压，因此电流的大小才最终决定所产生磁场的强度。于是在实际工作中出现这样的情况，如果在转子越过平衡点时切换电压方向，因为电流的滞后，磁场并没有及时切换，等切换完成后，已接近下一个平衡点了。在高转速时，这会限制电机转速的提升和效率的发挥。为此，电机在设计上有一个提前角，在转子接近平衡点时，提前切换电压方向，这样当到达平衡点时，磁场达到最强，恰好继续推动转子向下一个平衡点旋转。这个提前角就是我们常说的“进角”。
　　工业领域中大型电机也存在这个问题，电压和电流的变化是不同步的，一般用“功率因数”的概念来描述电压和电流的相位关系，这里不再详述。
　　在早期的有刷直流电机中，进角是通过调整电刷在机匣上的相对位置来调整的。对有刷直流电机而言，如果通过改变电刷位置设置了进角，那么转速、加速性和效率可能会有提高，但这只表现在旋转方向不变的情况下；当旋转方向改变时，由于进角变为滞后角，效率反而会降低，甚至根本不能启动加速。因此，有进角设置的有刷直流电机一般只适合空模、竞速车模等单向运转的情况；双向运转的电机，比如舵机电机，一般是没有进角的，或称进角为“0”。现在的无刷电机一般通过电调的程序来实现进角设置。其中，高端电调可通过改变电调的程序来任意设置进角；而有些低端电调则根据其适应的电机类型，在程序中已设计了固定的进角，用户一般不能改变。
　　(5)定子槽数和转子极数
　　很多模友都发现，电调说明书里对不同磁极极数电机的最高支持转速不一样，但这一概念是指定子磁极还是指转子磁极呢？（很多电机的定子和转子极数不同，图13）。
　　电机的定子和转子是靠磁场的相互作用产生旋转力矩并输出功率的，在上篇文章中所提到的最简单的电机就是一个线圈和一对磁极组成的。但在实际应用中，为了产生足够的力矩，并使电机稳定运转，大多数电机都设计有较多的磁极和绕组线圈。于是，在研究电机的性能时，就出现了定子槽数和转子的极数这一概念。
　　定子槽数，也称定子极数，是电机定子硅钢片的极数，它反映了定子所能布置的绕组数量。例如，电机定子槽数为12槽，说明这个定子有12极，最多可以布置12个绕组。对于航模无刷电机，因此电调输出三相交流电，所以绕组是3的倍数，定子槽数一般也应为3的倍数。
　　转子极数，是指电机转子磁钢的极数。为了使电机能够柔和地启动和加速，转子极数和定子极数一般不同。这样设计的目的是为了保证在任一时刻，总有一部分转子磁极不在平衡位置上（正对定子磁极的位置）。这样当电机绕组通电时，不在平衡位置的磁极就能产生驱动力，使电机能稳定地启动、加速，运转中的抖动也较小。

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如何选用航模电机/常见规格
　　如何正确合理地选择航模电机，是广大模友遇到的最实际的问题。
　　在选择电机时，首先应根据所需装配的模型飞机特点来确定电机的基本类型。如果模型很小，动力要求不高，重量和空间也不足以容纳复杂的无刷电调，可以考虑采用直流有刷电机，如很多小巧的共轴双旋翼模型直升机（图14）。采用直流有刷电机在更多的情况下或许是出于航模制作成本的考虑，例如无控制的自由飞电动模型飞机，容易丢失；入门级的电动线操纵空战模型飞机（图15），体积小且容易损坏。不需要复杂控制且价格便宜的直流有刷电机在这些场合就有较高的性价比。




　　如果模型飞机不太大但需要较高的飞行速度，并需要短时间内爆*强劲的动力，或者由于外形尺寸的限制而不能配备较大的螺旋桨，则可以考虑采用无刷内转子电机，前面已经提到由于内转子电机一般KV值较高，所以转速高，使其能驱动小直径、大螺距的螺旋桨，以极高的转速运行，而小直径螺旋桨的迎风阻力小，对于高速模型很有意义。对于某些像真模型，由于要模仿真机的喷气发动机（图16），采用内转子无刷电机来驱动涵道风扇是很好的选择，数万转的涵道风扇动力同样惊人。另一方面，内转子的加速性能很好，效率也很高，搭配行星减速器，某些滑翔机可以在数秒内爬升上百米。


　　图16 使用内转子无刷涵道风扇的模型飞机可以保持较高的像真度
　　对于绝大多数模型飞机，速度没有特殊要求，体积和重量也比较适中，采用外转子无刷电机是最常见的方案，这种电机也是目前应用最广的航模电机。
　　至于规格的选择，上一期已经对外转子和内转子不同构型的特点进行了很详细的分析讲解，这里主要介绍外转子电机的常见规格，以方便广大模友选择。
　　说到规格，首先不得不提的是电机型号的标定方法。不同厂家对电机型号有不同的标定方法，常见的一般有两种：电机定子尺寸和电机外形尺寸。例如：一台AXI电机的型号是：C28-26-08，因AXI一般以电机定子尺寸为标准，故此型号说明该电机定子直径为28mm，定子长度26mm，每极绕组的匝数是8匝。笔者认为这样的标定方法较为合理，通过型号，用户可以大致了解该电机的绕组情况，进而估计出该电机大致的KV值、功率等范围。又如同系列的另一台C28-26-12，和前者相比，定子一样，功率是接近的，绕组匝数多说明其KV值更低，可以配备更大的桨叶。第二种标定方法是以电机的外形尺寸为参考，多见于国内的一些厂家，比如3530，电机外径是35mm，长度30mm。这种标法虽使用户容易了解电机的尺寸，但不利于用户在不同厂家的产品之间选择，例如3530和3628，其电机的定子可能是完全一样的28-20系列。
　　电机的种类和规格很多，但很多是从工业电机发展而来，因此有一定的尺寸系列。这里，笔者仅凭经验做一简单概括，供模友参考：
　　直径18mm的定子，9槽或12槽，一般制成外径22mm或24mm的电机（取决以磁钢厚度），常见定子长度有8mm、12mm，KV值在1000～2500之间，带6～10寸的桨叶，能产生的拉力范围在600～1200g不等；
　　直径22mm的定子，常为12槽，制成电机外径28mm居多，常见长度为15mm、20mm、26mm等，KV值范围较大，为800～2500，能产生1000～2000g拉力；
　　直径28mm的定子，12槽，制成电机外径多为35mm、36mm，长度20mm、25mm、30mm等尺寸，KV值500～1500居多，拉力范围1500～2500g；
　　直径35mm定子，电机外径41～45mm不等，KV值更低，常在1000以内，拉力多数可到2000g以上；
　　直径41mm定子，电机外径54mm左右，KV值只有500上下，拉力可到3kg以上。
　　更大的电机一般使用较少，仅为高档模型采用，需要专门开发设计，因此没有明确的尺寸系列，且价格都较为昂贵。
　　以上都是笔者个人在航模活动中的了解，多为经验总结，希望能对广大模友了解航模电机有所帮助。下期将继续对常用的航模外转子电机进行结构详解，并针对常见故障的维修和电机改装进行介绍，敬请模友们继续关注。（未完待续）

蝉鸣在夏天

前两期，笔者结合电机原理先后介绍了电机分类方法和特点，以及不同因素对电机各参数的影响。
　　外转子交流无刷电机是目前航模动力中应用最多的类型。通过之前的介绍，大家对其原理和性能特点已有了大致的了解，下面将从此类电机的结构开始，介绍一些使用中维修和改造的小技巧。
　　电机的主要组成部分
　　无论维修还是改造，都需要了解无刷外转子电机的详细结构，才能顺利、轻松地将其拆开而不损坏任何零部件。为了更好的展示无刷外转子电机的构造，笔者用CATIA软件草绘了一组三维图，下面结合实物照片介绍电机的详细结构。
　　一般来说，航模上使用的无刷外转子电机，不论规格大小，都由以下几个部分构成：电机定子支座、定子骨架、定子绕组、轴承、主轴、转子支架、转子外壳、转子磁钢。另外，还有一些顶丝、弹簧卡圈等小零件（图1）。
　　定子支座一般由硬质铝合金材料制造，例如LC4、7075等，配合时效处理、表面阳极氧化后，强度高、重量轻且美观。定子支座的作用很重要，其法兰盘结构负责整个电机与模型飞机结构的安装连接，并且传递螺旋桨拉力和震动；内部的阶梯孔，用于安装轴承，承载主轴高速旋转；外圆则用于安装定子骨架和绕组。由于配合较多，因此该部分结构对加工精度要求较高，一般采用数控设备加工，比如数控车、铣、加工中心等（图2）。
　　定子骨架用于支撑绕组，同时传递绕组产生的磁场及热量。如前文所述，这部分使用导磁良好、电阻率大的硅钢薄片层叠而成，以便减小“铁损”。这些硅钢薄片一般采用冲压的方法制造。在最两端的两片硅钢片外侧，通常会增加一个尼龙骨架或涂一层绝缘漆，防止钢片的边缘磨坏绕组线圈，造成短路。定子骨架和定子支座配合较紧，同时用胶粘或细螺丝定位（图3～图4）。
　　绕组也叫线圈，是将电流转化为磁场的核心部件，大都用高强度无氧铜树脂漆包线绕制。其线径、并绕股数、匝数都与电机性能有密切关系。正规的电机厂商会在绕组制作完成后，通过浸漆工艺，使线圈固化成整体，既可加强散热，又能防止线圈在高频电流下震动磨损。
　　轴承通常都是标准件。采用密封轴承，不需要进行额外的润滑保养，只要尺寸合适、额定转速和承载满足要求即可。
　　主轴用于连接转子和定子，同时通过桨夹驱动螺旋桨，传递拉力和扭矩。主轴一般采用碳钢或合金钢制造，通过合理选材和热处理，使之“外硬内韧”。外硬，即要求表面有足够硬度，不容易磨损和划伤，尤其是需要与顶丝、桨夹等安装件接触的部分。内韧，则要求轴既要有足够的破坏强度，不容易因“太脆”而断裂；又要有足够的屈服强度，不会因“太软”而弯曲。主轴一般用精车、磨床来加工。
　　转子支架用于连接主轴和转子外壳等旋转部件。其内孔与主轴连接，用顶丝定位；外圆与转子外壳过盈配合，且装有定位磁钢的卡槽。有的电机主轴在转子支架一侧不伸出，而是在支架上留有螺纹孔，用于安装螺旋桨座（图5）。与定子支座的材料和工艺类似，转子支架也采用硬铝合金制造，通常还开有较大的孔洞，以利于散热和减重（图6）。
　　转子外壳的主要功用是和转子支架上的定位卡槽一起固定磁钢，同时还具有导磁的作用。前面介绍过，采用层叠硅钢片的转子外壳比钢制整体外壳导磁效果要好，但成本和工艺要求较高。
　　磁钢的磁场强度和温度特性直接影响电机的性能和寿命。大多数电机磁钢都采用了“钕铁硼磁钢”——目前性能最好的磁钢之一。更昂贵的钐钴磁钢虽具有非常优异的温度特性，但较为少见。需要注意的是由于钕铁硼磁钢受制造方法所限，质地很脆，几乎没有机械加工性能，且抗氧化能力也差，因此只能采用线切割的方式进行分割，并通过表面镀镍或镀锌来防止氧化。在拆卸和更换过程中一定要注意防止刮蹭损伤磁钢表面镀层，而且尽量避免撞击。因为磁钢磁场很强，一旦互相吸引撞击都可能会导致其碎裂（图7）。
　　顶丝、卡簧等小零件更多的场合是起关键的固定作用，千万不要小看了它们。安装时既不能太松甚至省略，但也不能太紧。例如在较薄的铝质零件上安装顶丝，过分拧紧可能会导致铝材滑扣而报废。另外，切忌使用质量太差的顶丝，因为一旦内六角的顶丝在深孔内拧坏，是很难取出的。这里推荐使用黑色碳钢材质、屈强比12.9的顶丝（屈强比：螺钉、顶丝等的强度指标，一般有5.6、8.8、12.9等类型，数字越大强度越高，大号螺钉上一般都有标注）。
　　从原理、性能一直讲到这里，想必大家对无刷外转子电机的理解已更加深刻，以下开始讲解无刷电机的维修和改造。
　　航模用外转子无刷电机的维修
　　航模爱好者大都充满DIY精神。当爱机的动力电机因坠机发生损坏，或因负载电流太大烧毁时，懊恼之余更多的模友想到的是如何自己修复它，使爱机重返蓝天。
　　下面笔者就以修复一台4120电机为例，讲解电机维修的全过程。
　　（1）拆解电机
　　无论是电机因飞机坠毁损坏，还是因电流过载烧毁，首先要做的是将它拆解，并仔细检查每个零部件是否完好，以便确定修复方案。
　　对于损坏很严重的电机，维修之前也应该注意保护，这样会给之后的修复工作带来方便。每一个零件（如果有零件脱落的话）都要保存好，切勿强制转动已经发生卡滞的电机，以防变形的电机外壳或进入内部的沙石划伤转子磁钢。而对于烧坏的电机，哪怕只是轻微的冒烟、散发糊味，也不能因急于测试而再次通电，这样只会使电机烧糊得更厉害。
　　拆解时，首先松开轴挡上的顶丝，拆下轴挡，然后用专用的卡钳或镊子撑开卡在主轴定位槽内的弹簧卡圈，然后才能抽出转子（图8、图9）。注意，在抽出时应一手抓紧定子支座，一手握紧转子外壳。如果定子支座不便抓握，应该装上十字安装架。因为抽出时需要克服定子铁芯骨架和转子磁钢之间的吸引力，所以一定要握紧且放慢动作。完全抽出前，千万不要将手指伸到定子与转子的缝隙中，以免转子突然从手中滑脱后快速吸回夹伤手指（图10、图11）。
　　（2）初步检查
　　抽出转子后，就能看到电机的大部分结构了。
　　首先应该检查电机的线圈有无机械损伤。坠机时，电机受到剧烈撞击，仍在旋转的转子常常会挤压定子、刮伤线圈，外界的碎片也可能进入电机刺伤线圈（图12）。
　　然后检查引出线。某些电机是用漆包线直接引出，某些则是焊接了硅胶线再引出的。如果坠机时电机引出线连同电调受到拉拽，可能损伤接点。而用胶粘方式定位线圈铁芯的骨架，还可能产生松动和旋转，甚至拉断接点。因此如果线圈无外伤而用电表量为断路，则应切开焊接点的热缩套管，检查焊接点是否脱落。
　　对于过载烧毁的电机，严重时线圈有明显烧焦现象，一般情况下线圈树脂层会起泡、变色，而焊接点也可能因高温而融化脱落。如果只是接点脱落，重新焊接、做好绝缘和固定即可。但很多情况下，拆开电机发现线圈严重受损或烧毁，就只能重新绕制了。

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（3）重绕线圈
　　确定线圈损坏后，先松开线圈骨架的定位螺丝，拆下线圈及其骨架，以方便拆线和绕线（图13）。但如果是胶粘固定的铁芯则不太容易拆卸，如果空间足够进行绕线操作，可不必再拆。
　　拆除旧线圈重绕之前，还有一些工作要做：确定绕线方案，即线圈要用多粗的线、几根并绕、绕几匝、绕组之间如何连接？一般可通过电机附带的说明书获得，也可直接在拆卸时数清股数和匝数。测量绕线线径时可抽取几根漆包线，用游标卡尺或更精确的螺旋测微器（俗称“千分尺”）测量，多测量几次取平均值。由于漆包线都是以铜线外径作为标注，因此测量时应该用打火机烧去绝缘的树脂层后再测，并按测量值购买。不建议用刀刮或砂纸磨，这样做误差较大。如果手头有漆包线，不去皮直接比对外径也可（图14、图15）。

拆除旧线圈后，要仔细检查铁芯骨架表面的绝缘有无损伤。因为裸露的铁芯可能会磨破漆包线的绝缘树脂，导致匝间短路。若有破损，可直接涂树脂胶进行修补（图16）。
　　三个线圈一般是以△形连接，Y形连接的较少。至于绕组间的连接方案，不同的定子槽数和转子磁钢极数都对应不同的绕制方案，甚至相同的铁芯和转子也会因KV值不同而有不同的绕制方案。
　　如果仅仅是复原修复，按拆线时记下的绕法重绕即可；如果是改装，既可只更改线径、股数、匝数，也可更改绕组方案。在此提供一些常见的方案（图17），至于更多的型号所对应的绕组方案，读者可利用网络和相关书籍获得。
　　新线圈绕好后，可模仿生产厂家的工艺，浸漆或浸胶处理来固定线圈，以增强导热和避震性能。对于大个的电机，线圈较多，笔者的习惯是浸漆前用棉线捆扎，防止其松动。对更改线圈参数或对绕法没有把握的模友，应当先组装调试，确定能够稳定运转且KV值满足要求之后再拆开重新浸漆。当然，用502渗透固定或用稀释的树脂胶，都能达到类似效果。
　　（4）更换校正
　　对烧毁的电机来说，主要修理任务是修复线圈，而对坠机损坏的电机来说，往往还要修复其严重的机械损伤。
　　机械损伤最常见的是断轴。因为模型坠落时螺旋桨往往最先受到冲击，导致主轴断裂或弯曲。由于主轴即使有轻微弯曲也会影响动平衡，因此不建议用敲打的方式来校正。弯曲和断裂的主轴都应该及时更换。
　　更换前应先拆下原来弯曲、断裂的主轴。拧松转子支架上的顶丝，然后将主轴从转子支架的内孔敲出。拆卸过盈配合的主轴时最好使用“拉马”工具（图18）。如果没有，也可用直径略小的细棒敲出。这里有些技巧需要注意：电机转子不能直接夹在台钳上，也不能放在坚硬的物体表面。因为转子外壳很薄，尤其是层叠硅钢片外壳很容易被挤压变形，磁钢也容易碎裂，所以应垫在软木板上或用软布包裹后轻轻夹在台钳上。敲击所用细棒的材料不能用钢，必须是软铝或铜（图19）。因为转子支架由硬铝合金制造，其表面强度不如钢材，用钢棒会使内孔变形，导致安装的新轴偏心。敲击时力度应由小渐大，看到轴开始退出时保持力度，使之慢慢退出。待轴快退出时应减小敲击力度，以免其突然退出而敲击在转子上。切忌急于求成而大力敲打。
　　现在通过网络购物能很方便地购得各种电机的主轴。如果不想购买，笔者推荐几种代用品，可自己制作主轴。一种是废旧光驱里激光头滑动用的导轨，直径通常为3mm，表面镀镍抛光，直径尺寸非常精确，表面处理和强度都很好，可以直接用来制作电机主轴。少数欧版的光驱使用英制单位设计，滑轨直径是1/8英寸，即3.175mm，只能用来替换直径3.17mm的电机主轴，一定不能搞错（图20）。
　　另一种是直线轴承的光轴导轨，从3mm、4mm、直到12mm直径的都有成品件可供购买，价格也不贵（例如6mm直径的大约80元/米）。一根导轨可以制作多根轴，很适合自己DIY电机主轴（图21）。
　　轴承一般正常使用不易损坏，但受到剧烈撞击之后最好仔细检查。可通过用手转动时的感觉来初步判断好坏，完好的轴承应该转动均匀流畅，无明显阻尼和卡滞感。如果发现转动中有细微的颗粒感，说明轴承有滚珠损伤碎裂或保持架变形。对于损坏的轴承，更换同型号的即可。
　　另一种常见的损伤是电机的定子支座或转子支架变形。由于这两部分是铝材制造，因此厂家若使用了LY12等硬度稍低的材料，或减轻孔开得太大，抑或是坠机冲击太剧烈等，都可能导致定子支座和转子支架变形，尤其是转子支架变形。这会导致轴偏心、磁钢刮蹭定子。这种情况下，更换相应部件是明智的选择。虽然也可把转子主轴夹在车床或台钻上，一点点敲击校正（消除刮蹭），但校正后的动平衡很难保证，只能作为权宜之计用于紧急修复尺寸较大、转速较低的电机。高转速电机对动平衡要求高，校正后依然会有较大震动。
　　（5）安装调试
　　重绕线圈、更换断轴、校正了有变形的部件后，就可将电机装回调试了。组装时，尽量按照原位置恢复，以确保动平衡。安装轴承、主轴、线圈铁芯骨架等需要过盈配合的部件时，如前文所述，要使用软金属来敲击。
　　在电机即将完成修复时，要保持冷静。和前面拆开电机一样，在最后组合定子、转子时，磁钢的强大吸力会将两者迅速地吸合，所以一定要握紧、慢慢放手，避免手指夹在缝隙中而受伤。同时，不要忘记将弹簧卡圈装回原位。如果弹簧卡圈失去弹性而变形，应该更换。大尺寸电机还有定位轴挡，要确保其固定牢靠，以防转子轴向运动。
　　最后将电机安装好，并连接电调、电池、接收机（或信号发生器），在确认电机运转不会与周围物体、导线发生干涉后，就可通电进行空载测试了。注意，修复的电机必须先空载测试（图22）！首先低速运转，检查是否能顺利启动、运转是否平稳，确认电机能顺利启动，无缺相产生的抖动，说明绕组是正确的。接着检查有无异常噪音和震动，如果没有，说明没有刮蹭、动平衡没问题，轴承正常。最后就可以加速了，注意电流有无异常增加，有无异响、异味……最高速时应该没有异常的震动，此时读取转速和电压，可以算出“新”电机的大致KV值，并与期望值进行比较。然后关闭电源，用手摸摸电机温度是否正常。一般来说，空载电流最大只有几安培，停机后不应该有明显发热。上述测试都完成后，就可将其装上螺旋桨测拉力了。改造线圈的电机，螺旋桨应该根据新的KV值来选配。初期测试应从较小的桨开始，推油门时要同时监测电流，防止电流过大烧毁电机，再根据电流和转速大小做适当调整。
　　如果上述这些检查都没有问题，恭喜，电机的修复、改造成功完成！
　　用光驱主轴电机改制
　　航模电机的小技巧
　　很多模友都用光驱，甚至硬盘上的无刷电机改造过航模电机，用来配备较小的模型飞机，或作为电动模型直升机的尾桨电机。
　　因为不同光驱的电机尺寸、构造、安装形式各有特点，模友手里拥有的材料也五花八门，所以具体的改造过程也不尽相同。没有经验的模友，可参考网络论坛上丰富的实例，结合自己掌握的资源，发挥丰富的想象力，制定独特的改造方案。
　　鉴于这种改造方案和电机的维修有共同之处，笔者结合本文上述的维修过程，归纳了一些改造中通用的小技巧。
　　（1）关于安装形式。大部分光驱电机都是结合电路板进行安装。这是因为光驱采用的是有感驱动方式（即有霍尔传感器反馈磁场相位，图23），因此安装在电路板上便于布置霍尔传感器。可利用这块板作为安装座，也可安装新的。常用的做法是增加直角金属片或直管作为安装座。
　　（2）关于线圈。光驱电机主要任务是驱动光盘旋转，功率并不大，所以改造的重点便是线圈，需要拆掉原线圈，增大线径、减小匝数（图24）。
　　（3）关于转子。光驱电机的转子磁钢都为铁氧体。其磁场均匀，运行平稳，但不是很强。可购买厚度1mm、5mm×5mm的方片汝铁硼磁钢来替换，效果很好。
　　（4）关于轴承。大部分光驱的主轴电机都采用铜套做滑动轴承，采用滚珠轴承的较少。因为改造的电机只用在小模型上做动力，不要求有很高的寿命，而且电机原有的滑动轴承效果也不差，重量还轻，所以大可不必改成滚珠轴承。
　　图25～图29为模友改造的几种光驱电机，供大家参考。
　　至此，这篇有关电机的专题就介绍完了，希望能对广大模友有所帮助。其中大部分内容为个人总结，欠妥之处欢迎大家批评指正。

TAN888888q

:em01: 不错！

蝉鸣在夏天

大侠对不住，我简单说一下。我是前几天从龙源期刊网上一本叫航空模型（好像是）的杂志上看到的，是三期连载，看书需要付费，我只看了关于电机的这几篇（几毛钱哈哈），然后顺手复制下来整理成文档:em15: ，图片在杂志上是另附的，不知道怎么弄下来，是那种10多张在一起翻页看的:em23:

蝉鸣在夏天

呵呵，我这是从龙源付费看的（几毛钱的），顺便复制下来整理成了文档:em14:

没米人

帮顶

jameshoda

一定要顶，精华

jinshao

濂藉笘鍟婏紝鎳備簡涓嶅皯

VTOL

:em24:谢谢分享！:em26: 可惜缺图片了，不然对初学者来说更加有效。:em21:

[ 本帖最后由 VTOL 于 2012-3-23 16:08 编辑 ]

3344877133

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dzrpj

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