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无刷电机

小型多旋翼常使用外转子无刷直流电机(BLDC,Brushless Direct Current Motor)。定子线圈固定在机臂上,带永磁体的外转子、轴和螺旋桨一起旋转。

无刷电机实物

外观示例:小型外转子无刷电机。图片来源:BETAFPV 2204无刷电机。用于识别部件,不构成型号推荐。

无刷电机结构与三相驱动

电调如何驱动电机

电调按顺序切换三相功率桥,使A、B、C三相绕组形成旋转磁场。转子永磁体跟随磁场旋转并产生转矩。

电机的三根相线没有固定的电源正负极。交换任意两根相线通常可以改变旋转方向;现代电调也可能通过固件配置方向。

不要把动力电池直接接到电机三相线。

电机型号中的定子尺寸

四位型号常用于表示定子直径和高度。例如2207通常表示:

  • 定子直径约22毫米;
  • 定子高度约7毫米。

这不是整个电机外形尺寸,也不能替代厂商尺寸图。不同厂商的命名口径可能存在差异。

定子尺寸会影响可产生的转矩、热容量、重量和适配桨叶范围,但不能单独决定性能。

速度常数Kv

速度常数(Kv,Motor Velocity Constant)表示理想空载条件下,每增加1伏电压对应的理论转速增量:

理论空载转速 ≈ Kv × 电压

Kv不是千伏kV,也不是“质量越高越有力”的等级。

实际带桨转速会受到:

  • 螺旋桨负载;
  • 电池压降;
  • 电调控制;
  • 绕组电阻;
  • 铁损和机械损耗;
  • 气流;
  • 温度。

相同尺寸的高Kv电机在同一电压和螺旋桨下通常会要求更高转速和更大电流,但实际结果必须由测试数据确认。

电压不能与Kv分开选择

电机不能简单标记为“4S电机”或“6S电机”后就忽略螺旋桨。

同一电机:

  • 提高电压会提高可用转速;
  • 增大螺旋桨会增加负载;
  • 增大螺距或叶片数量也可能增加负载;
  • 电流和温升可能快速上升。

必须查找目标电压和目标螺旋桨组合下的推力、电流、效率和温升数据。

如何阅读动力测试表

测试表通常包含:

项目 含义
电池电压 测试时的供电条件
螺旋桨型号 直径、螺距、叶片和材料
油门或命令 测试工作点
转速 电机或螺旋桨转速
推力 静态台架测得的轴向力
电流 该工作点输入电流
功率 电压与电流的乘积
效率 常见为单位功率对应推力
温度 电机和电调的热状态

比较不同测试表时,需要确认测试电压、桨叶、环境和测量方法一致。

静态推力不等于飞行中的动态推力。来流、机架遮挡、相邻桨和电池压降都会改变实际结果。

推重比只是一项约束

整机最大静态推重比可以近似为:

最大静态推重比 =
四个电机最大静态推力总和 ÷ 飞行器重力

推重比不能直接说明:

  • 悬停效率;
  • 飞行时间;
  • 响应速度;
  • 电机温度;
  • 噪声;
  • 控制品质。

过大的动力余量会增加电流、重量和风险,不应脱离任务追求单一数字。

机械参数

安装孔距和螺钉

核对:

  • 安装孔数量和间距;
  • 螺纹规格;
  • 机臂孔位;
  • 螺钉长度。

螺钉伸入过深可能接触定子绕组并造成短路。必须按电机底座厚度和机臂厚度计算。

轴和桨叶固定

核对:

  • 轴径;
  • 螺纹方向;
  • 锁紧螺母;
  • T形安装或中心螺钉;
  • 桨毂孔径;
  • 适配垫片。

“适合5英寸”不能证明桨毂和轴能直接安装。

轴承和间隙

新电机也应检查:

  • 转动是否顺畅;
  • 是否存在明显轴向或径向间隙;
  • 外转子是否擦碰定子;
  • 轴是否弯曲;
  • 磁体是否松动;
  • 相线是否磨损。

磁极数量

电机磁极数量会影响电子转速与机械转速的换算,也会影响双向DShot转速遥测和转速滤波设置。

不能根据外观或常见经验直接填写磁极数量,应查产品规格或实际确认。

导线和连接方式

核对:

  • 相线长度;
  • 线径;
  • 绝缘;
  • 焊接空间;
  • 是否需要连接器;
  • 机臂折弯处的应力保护。

导线不能进入螺旋桨运动范围,也不能被碳纤维锐边持续摩擦。

电机之间的一致性

四个电机应使用相同型号和规格。混用不同Kv、不同定子尺寸或不同内部版本,会增加动力不一致和控制负担。

更换单个电机后应检查:

  • 型号和Kv;
  • 轴高;
  • 安装孔;
  • 旋转方向;
  • 空载电流;
  • 振动;
  • 温升。

采购前检查

  • 定子尺寸和电机重量适合质量预算;
  • 目标电压与目标螺旋桨存在可追溯测试数据;
  • 最大持续电流不超过电调能力;
  • 推力、效率和温升满足任务;
  • 安装孔、螺钉和机臂匹配;
  • 轴、螺纹和桨毂匹配;
  • 相线长度和线径合适;
  • 磁极数量和固件设置可确认;
  • 有相同型号备件。

检查理解

  1. 电机型号2207通常描述什么?
  2. Kv为什么不能单独决定选哪片桨?
  3. 为什么要使用同电压、同螺旋桨的测试表?
  4. 电机螺钉过长有什么风险?
  5. 磁极数量为什么会影响转速遥测?

主要参考