X-TEAM 谈 航模电机之下

上期以磁铁为切入点，介绍了二极有刷电机的原理、结构和运行特点（图1）。三极有刷电机的运行原理与二极有刷电机类似（图2）。如图所示，当三极电机的某个换向器转到三角形的顶点（与左右固定的永久磁铁平行）时，与之连接的线圈必须保持N极朝上。由于异极相吸、同极相斥，因此线圈受到1个顺时针方向的合力矩，驱使电机转子继续转动（图3、图4）。 
　　也就是说，电机靠永久磁铁和电磁铁之间的相互作用维持运转。正因如此，不少人认为只要电磁铁的磁力越大，或者电磁铁上缠绕的螺旋线圈匝数越多，电机的功率就越大。其实不然，电机的转子尺寸确定后，电磁铁上能缠绕的线圈数量也就固定了。如果要增加线圈匝数，就得选用更细的电线。而电线越细，其上通过电流的能力越差，电流量的减小会抵消线圈匝数增加带来的电磁铁磁力增强的效果。根据笔者的经验，电机中用到的电线越粗，所绕线圈匝数越少；电线越细，所绕线圈匝数越多。前者属于大电流高转速型电机，后者属于电流阻力较大的扭力型电机，如何取舍还得根据具体的需求确定。 
　　随着技术的革新，有刷电机逐渐被无刷电机代替。电机和锂电池的搭配所能提供的动力输出，丝毫不亚于内燃机发动机（图5）。顾名思义，无刷电机中既无电刷，也无电刷装置。无刷电机的工作原理与有刷电机类似，同样利用的是永久磁铁与电磁铁之间的相互作用力带动电机持续运转。 
　　有刷电机通过换向器让转子每转动半圈就切换一次电源的正负极，从而不断改变电磁铁的N极和S极，无刷电机则由电调控制电磁铁的极性按一定规律变化。 
　　无刷电机既没有电刷，也没有换向器，构造较为简单。以内转子�o刷电机为例，电机的中心区域是永久磁铁，作为转子运转。沿其周围均匀布置了6个电磁铁（固定不动）；两两相对的电磁铁电流互相连通，在转子的圆周上产生正好相反的磁极方向。将6个电磁铁分为3组，标记为A-A'、B-B'、C-C'。 
　　3组电磁铁线圈的输入电源为三相交流电，由专门的装置对电源进行转换控制。线圈中不仅电流、电压会随着时间的推移产生变化，电源的正负极也会随着时间的变化而不断变化。因此随着时间推移，电磁铁的磁性也会发生变化，宛如不停旋转的永久磁铁。 
　　如图6-图9所示，永久磁铁周围的A-A'、B-B'、C-C'表示固定的3组电磁铁线圈，，右侧的正弦曲线图代表A线圈中电压随时间的变化规律。①状态中A和C'两处是N极；②状态中A线圈的电压由峰值回到①状态时的水平，不过N极却变到了A和B两处；③状态中A线圈的电压为零、无电流通过，N极变为B和C两处；④状态中A线圈的电压值与①状态时的相同，但电源正负极相反，N极是C和A'两处。电磁铁与转子中永久磁铁之间的相互作用力，驱动着电机轴持续运转并输出动力。 
　　外转子无刷电机有着与图示正好相反的结构，其中心区域为电磁铁线圈，周围均匀分布永久磁铁。不管是内转子还是外转子方式，无刷电机的工作原理是一样的。 
　　无刷电机的机械结构相对简单，又不存在电刷损耗问题，为其高效运行提供了可能性。而且由于电子调速器替代了传统的机械装置，因此提高了控制的准确度。目前无刷电机已经占据了电机市场的主导地位，但稍微有些遗憾的是，质量较好的电子调速器价格比较昂贵，尤其是国外品牌。 
　　很多模友以为无刷电机是近10年的产物，实际早在20世纪70年代中期就已被普遍用于录音机中。以前流行的随身听（Walkman）就装有无刷电机。国内爱好者接触无刷电机，应该是从DIY光驱电机开始的。当时国内模型厂商还没有大批量生产无刷电机，爱好者便从废弃的电脑光驱中拆出无刷电机进行改造，并用在航模上。笔者也曾做过不少（图10），发现如果精心绕制线圈组，电机的使用效果还不错，配上GWS出品的5寸螺旋桨尤为出彩。 
　　刚入门的爱好者在选购无刷电机时，经常会被问到所需的电机参数――KV值。有人认为电机的KV值越大，功率越大，其实并非如此。KV值是表征电机运转特性的一个指标，可理解为当电机被供给1V电压时，其在1分钟内的运转圈数。如KV值为1 500和500的电机，相比而言，前者是高转速电机，用在航模上需配备小螺距、小桨径的高速桨；后者是低转速电机，可搭配大螺距、大桨径的螺旋桨。只有这样搭配，电机工作起来才会高效。至于具体的螺旋桨尺寸选择，建议模友们查阅电机的使用说明书，其中一般会有模型厂家的推荐配置表，标注了电机的电流、拉力、可搭配的螺旋桨尺寸等信息。 
　　如果已知需求（规定了模型上用到的电机转速），在挑选一款合理KV值的电机时有一个简单的计算方法。假定想购买转速6 000r/min左右的电机，搭配3S锂电池，那么由已知得出电机的供电电压为11.1V，利用算式 6 000÷11.1=540，得出合理的电机KV值为540。不过所算出的数值只是理论值，还要参照模型飞机的起飞重量、飞行方式、模型种类，综合考虑选择合适的电机。 
　　种类繁多的无刷电机，究竟选择哪一款才好，常常困扰着爱好者。即使KV值相同，各类电机的结构、形状也可能不同。一般来说，小直径、长条形的是高转速电机，大直径、扁薄款的是大扭力电机（图11-图13）。