新手学堂之有刷/无刷动力电调与马达知识

2019-04-13 12:58发布

新手学堂之有刷-无刷动力知识

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模型车需要行驶,就跟真车一样,需要一套动力单元,也有分电动和油动,至于混合动力这个估计就不需要奢望了,对于车模这么小的空间来说是不现实的,而且模型车也不需要考虑燃油经济性的问题。

本文则重点介绍电动模型的动力单元。

电动模型的动力,主要是指2个元件:

第一就是带动车架行驶的电机(Motor),也称马达/摩打等。
第二就是控制电机转速的调速器(Speed Controller),很久之前早期的调速器是使用舵机控制可调电阻拨片来实现,此类称为机械调速器,现已退出历史舞台,仅能在一些复刻车架包装盒或者说明书上看到其照片。
现在我们说调速器,都是指电子调速器,简称电调,英文Electronic Speed Controller,缩写ESC

按大类来分,可分为有刷动力和无刷动力。即有刷电调搭配有刷电机,以及无刷电调搭配无刷电机。

有刷电机与无刷电机
    车模用的电机,全部都是内转子电机,也就是电机外壳是固定的,靠里面圆形转子转动。外转子的这里不予讨论,想要了解外转子与内转子的,可以自行百度了解。

有刷电机:早期的电机,是将磁铁固定在电机外壳或者底座,成为定子。然后将线圈绕组,成为转子,模型车用有刷电机常见都是3组绕线,下图就是典型的有刷电机构造。
有刷电机典型构造.jpg

通过图片可见有刷电机最基本的组成部分除了定子,转子,还有碳刷,有刷电机因此也叫碳刷电机,或者有碳刷电机。
碳刷通过与绕组上的铜头接触,让电机得以转动。但是由于由于高速转动时,会带来碳刷的磨损,因此有刷电机需要在碳刷用完之后,更换碳刷。
而铜头也会磨损,因此在有碳刷时代的竞赛电机,除了更换碳刷,还需要打磨铜头,让铜头保持光滑。更换碳刷后还需要磨合,让碳刷与铜头的接触面积最大化,以实现最大电流来提高电机的转速/扭矩。

下图是田宫一款有刷电机:SUPER STOCK RZ,略有年份,现在估计找不到新的了
田宫有刷电机.jpg

无刷电机:既然有刷有以上的弊端,于是无刷便应运而生。

    无刷是把线圈绕在定子上,然后把磁铁做成转子,转动的是磁铁,而不是线圈,因此就没有了碳刷这个消耗品。
    既然线圈固定了,那么如何让线圈产生变化的磁场呢?这就是为什么无刷需要3根线的原因了。利用无刷电调,给线圈组对应地供电以产生相应的磁场,就可以实现不停地驱动磁铁转子保持转动。

    下图就是无刷电机的最基本原理,动画图十分简单易懂,就是我们现在主流的2极电机的驱动原理。
无刷电机构造与驱动原理.gif

        下图是好盈酷跑无刷电机
好盈酷跑3656-3800KV.jpg



总结:无论有刷电机还是无数电机,基本原理都是通过线圈产生磁场,然后搭配永磁铁来驱动转子转动。有刷是把永磁铁做成定子,线圈做成转子。而无刷则是把线圈做成定子,永磁铁做成圆形的转子。

    电机使用小提示:玩家面向马达输出轴,马达以逆时针转动时,车架是前进方向,则是标准的车架设计。如果某些车架使用非标设计,那么就会变成马达逆时针转动时,车子反而后退。当然也有可能是一些轴车玩家安装过程出错,将差速的左右装反了,也会出现反向的错误。

有刷电调与无刷电调


有刷电调,说完有刷电机,自然要提及到有刷电调,有刷电调就是用来控制有刷电机转速的设备了。
    有刷电调往往只有4根线,2根是输入电源端,接到正负极。另外2根则是控制电机转速的输出端,接到电机的2个电极上。通过改变电流/电压以及传导方向就可以实现对转速以及正反的控制。
    图中是好盈酷跑60A防水型有刷电调    
好盈酷跑60A有刷防水电调.jpg

    以前的顶级竞赛级有刷电调是不带倒车的,因此只有3根线柱,接到电机正极的线和电池正极是同一根线柱。
    图中是田宫曾经的顶级有刷电调
tamiya volac ms C3.jpg

无刷电调,和有刷一样道理,无刷电机需要工作,就必然需要一个无刷电调。
    无刷电调输入端一样是2根线,正负极电源。但是无刷输出则需要3根线。原理上面我们介绍无刷电机的时候说过了,就是靠3根线不停地改变磁场以驱动转子转动。
    下图是目前好盈顶级V3.1版120A电调
好盈V3.1-120A.jpg

说完原理,我们就知道,无刷电机必须使用无刷电调才可以。而有刷电机则需要使用有刷电调才行。
但是部分无刷电调可以通过改写内置程序,让输出的3根线桥搭成2根,用以驱动有刷电机。好盈科技之前就曾经推出过此类产品,不过早已停产因为无刷已经成为主流。


说完基本原理,下面来说一些电机的基本参数及其意义

电机常见参数:T数,转速,无刷电机KV值,尺寸,轴径,2极/4极是什么,有感和无感是什么?

电机T数:
    T,英文Turn,线圈绕了多少圈的意思,例如线圈绕了21圈,则称为21T。某些品牌也称为R,Round的缩写,相同的意思,都是绕线圈数。
    有刷电机因为绕线都是从铜头开始,然后也在铜头处结束,因此有刷都是整数圈,例如20T,30T等等。
    无刷电机因为结构限制,常见都是从输入端开始,结束于另外一侧,因此常见都是多半圈,于是大多数都是4.5,8.5,21.5T这样的。也有一些结构比较特殊的是整数圈,例如4T。这种整数圈的相对很少。

    不管有刷还是无刷,同系列相同尺寸的情况下,都是线圈是越小,则电机的转速与扭矩越大,耗电与发热越高,能提供更强劲的动力输出。
        此前我们都有留意到网上不少流传,说T数高的电机,扭力比T数低的要大。这个是完完全全的误区。电机的T数类似于真车的排量,T数越小则相当于排量越高,能提供越大的功率和扭矩。选择什么T数,则是根据需要搭配的问题,还要牵涉到齿轮比的搭配,这个我们FunRC Studio其他文章有详细解释。

    无刷电机和有刷电机之间的T数对应关系:往往我们认为无刷电机的T数,乘以2~2.5之间,得出的数值,这个数值T数的有刷,就与这个无刷T数的功率与扭矩比较接近。例如一个8.5T的无刷,大约就是17~21T之间的有刷接近;再例如一个21.5T的无刷,跟一个43~55T之间的有刷接近。


转速/KV值:
    有刷电机有些会标出转速,例如30000rpm @ 7.2V,意思则是7.2V时电机可以实现三万转每分钟的空载转速。
    无刷电机则常见是标KV值,无刷的KV值是无刷特有,是指电压每增加1V,电机的转速增加多少RPM,例如3000KV意思则为每提高1V的电压能让电机转速增加3000RPM,因此我们可以换算得到这个电机在8.4V满电的锂电下,转速是8.4*3000=25200RPM
        无刷电机一但做好,其T数和KV值则是固定的,例如某品牌某型号的8.5T是4000KV,10.5T是3300KV这样。于是无刷电机在销售时有些会只标T数,或者只标KV值,并非所有型号都会标上T数和KV值,但是在规格参数中这2项基本都不会缺席。
            标T数的,主要是3650的电机,而其他类型的则主要标KV值。这个是国际惯例有关的问题。

输出轴径:
    电机需要带动车子转动,要输出动力,自然是需要靠输出的那根轴来安装马达齿或者传动轴,于是这根输出轴的尺寸就成了必须要考虑的因素。
    常见轴径有:2mm,3.175mm,5mm,8mm
        2MM,常见于1/16或1/18车型;
        3.175MM,常见于各类1/10车型;
        5MM轴径,常见于各类1/8车型;
        8mm轴径,常见于1/5的大型车子

尺寸:
    在有刷时代,我们会说380,540,550,775之类,是我们口头叫法,一般加上"RS-"前缀比较严谨,例如RS-540。这些都是规格的代名词,380约等于无刷的2838,540约等于无刷的3650,550约等于3656,775约等于4268

    到了无刷时代,或者是无核心有刷电机时代,就已经开始使用尺寸表示法来直观地表示电机尺寸。例如3650意思为电机外壳直径36mm,长度50mm;而3656就是直径36mm,长度56mm;4268为直径42mm,长度68mm
        于是电机的型号,常见有:2030/2838/3650/3656/3660/3674/4068/4074/4268/4274/5874等等,不同尺寸的电机应用于不同比例不同车型。

    2030/2838(380):1/16或者1/18的各类平跑,越野,大脚等等
    3650(540):1/10电房(平跑/漂移),1/10电越。也有一些厂家用于搭配1/10短卡或者大脚,虽然可以使用,但是由于1/10短卡/大脚之类的实际体积相对庞大,因此用3650的话电机的发热会相对十分大,因此建议玩家实际使用中,应选择大一号的3656或者3660或者更大的电机以提供更强劲的动力,减少电机发热可能带来的损失。
    3656(550)/3660/3674:1/10短卡,1/10大脚等。喜欢暴力玩平跑的玩家,也可以使用这个尺寸电机,只要车架的马达座空间允许就可以了。不过需要注意轴径的问题,因为1/10平跑多数是3.175MM轴径马达齿,而3656/3660/3674这些电机则很多5MM轴径的型号
    4068/4074/4268(775)/4274:1/8的各类车型,基本都是使用这几个常见的型号,具体的选择是根据车架马达座空间设计去选用,例如某品牌的1/8电越车架只能装4068的电机,直径或者长度大了就会造成装不进去的后果
    5874或更大:1/5大车型

        下图是一个4068电机的尺寸参数,上面还标示了电机固定螺丝的孔距,主流是25MM对角螺丝中心距
5 副本.jpg

    无刷电机同尺寸同极数时,KV越大,T数越低的电机,功率和扭矩都会越大。而尺寸越大的电机,往往可以提供更大的功率和扭矩。因此如果想要增加车子的暴力程度,只需要在车架马达座空间允许的情况下,更换更大尺寸的电机,或者更换更高KV值(更低T数)的电机,搭配好齿比就可以实现。

    尺寸越小的无刷电机,由于转子和线圈都更小,往往KV值都很高。例如一个2030的无刷电机,KV值常在6000以上,而4274的电机,KV值则往往只有2000左右。因此KV值的高低不能决定一个电机的功率以及扭矩。尺寸才是主要决定功率与扭矩的重要因素。所以大尺寸的车架,都是用大尺寸的电机,搭配更高的电压。



无刷电机极数的问题:
    磁极,pole,这个跟绕线方式以及转子有密切关系。典型的无刷电机是2磁极,简称2极电机,也就是转子只有1个S南极和1个N北极(1S1N),对称地分布在转子的2侧,相应地使用3组绕线(3槽),就可以驱动。
        而多磁极侧都是2磁极的倍数关系,例如4磁极(2S2N),6磁极(3S3N),8磁极(4S4N)等等,这些是把转子平均地分割成多个磁极区间。相应地,绕组也需要是3组的倍数关系,例如4磁极需要6组绕线(6槽),6磁极需要9组绕线(9槽),8磁极则需要12组绕线(12槽)。
            涉及到效率等因素影响,一般4极或者6极电机的绕线组还会翻倍,例如4极用12组绕线(12槽),6极用18组绕线(18槽)
            4磁极甚至6磁极工艺要求更高,但是带来的效率也更高,发热更低,是以后的发展方向。模型上目前1/16,1/18,1/10动力则使用2极电机为主,而1/8动力则是4极为主,也有一些是6极的。
            截止本文发布时,由于技术限制,4极或者更高的型号,在有感状态下,经常会出现感应器干扰问题,容易造成有感状态失灵。这个问题相信不久的将来将会在工程师的努力下迎刃而解。

            下面的图片是一个典型3650 2极电机的构造,可以看到是3组绕线
2极3槽3650电机构造.jpg

            下面的图片则是4极12槽的解剖图,转子上这个图清晰可见4个磁极,2个S以及2个N,实际很多转子都是纯圆,我们肉眼是看不到磁极位置
4极12槽电机构造.jpg

无刷电机的有感与无感问题:
    有刷电机由于只需要向碳刷提供固定的电流就可以让转子自动转动,而不需要像无刷电调那样持续地变换电流以及电流的方向来提供变化的磁场以驱动转子,因此有刷电机不存在有感还是无感的问题。
    而无刷,如上述,需要时刻改变电流以及方向,因此如果能随时都知道转子的位置,对于电调来说,就方便很多了。
        无感电机,在启动时由于不知道转子磁极位置,只能随机变换电流,类似于“蒙”,总有一个时候转子会转动起来,而转子转动起来之后,就能靠线圈上的电流变化来计算转子的位置,从而控制电流与方向。这就是为什么无感无刷在起步时,总是有咔咔咔的症状。
        而有感则不同,有了感应器,电调从一开始就知道转子磁极位置,直接就能给对应的线圈提供对应的电流,以驱动转子。但是电流很小时,电机就会发出持续的吱吱吱的声音。这就是为什么有感电机在低速时会听到连续的类似吱吱吱的声音,而无感则不会。
            因此有感电机,都会有一根专用的感应线,从电机连接到电调上。必须同时接好电调与电机上的感应线,才能让电机工作在有感模式。

        无感电机的优势:没有感应器,成本更低,而且可以直接泡水;缺点是线性不如有感电机。
        有感电机的优势:电机的线性更佳,手感更棒;缺点是造价高,且不容易做防水。

说到这里,再牵涉到无刷电机的接线问题:
    无刷电机都有3根线,标号为ABC,国际标准颜 {MOD}对应为:A蓝 {MOD},B黄 {MOD},C橙 {MOD}。
    对于无感电机,ABC是可以随便对接,都不要紧,一旦发生电机转动方向为反向时,只需要任意对换2根线就可以解决。
    但是对于有感电机,由于电调是随时知道磁极位置,会准确地控制信号,因此有感状态下,是严禁接错ABC的顺序。
        有感接错ABC的后果是:小电流时电机无法启动,会有明显抖动,强行大电流时,会导致线材严重发热,电机线圈过热,最后有可能电机与电调都烧毁。
        因此敬告各位玩家,在使用有感时,切记一定要对准ABC,决不可接错。在第一次通电时,注意小电流看电机的反应,错了及时改过来基本都没事。但是强制大油门则可能造成报废。

        下图是一颗好盈120A电调上面的ABC与正负极标记:红 {MOD}正极,黑 {MOD}负极,橙 {MOD}C,黄 {MOD}B,蓝 {MOD}A
120A.jpg

玩水的额外小提示:虽然无感无刷电机和有刷电机都可以直接防水,泡在水里玩不是问题,但是玩水之后,都要及时清理干净电机和电调上的水份,防止插头氧化,并添加轴承油以防止电机轴承干涉/锈蚀等问题。电调如果带风扇的,泡水时一定要把风扇拔掉,否则风扇会因为在水中无法工作而烧掉。

下面来说一些电调的常见规格参数:


以好盈最新款EzRun MAX8电调的参数为例:
MAX8-2.jpg

型号: EZRUN‐MAX8‐V3
持续/峰值电流: 150A/950A
支持电机类型: 无感无刷电机、有感无刷电机
主要适用车型: 1/8 电房/电越/卡车/大脚车
适用马达KV:
    使用4S 锂电时或12 节镍氢时:4274 或更小尺寸电机,KV≤3000;
    使用6S 锂电时或18 节镍氢时:4274 或更小尺寸电机,KV≤2400;
电池节数: 9-18 Cells NiMH,3-6S Lipo
BEC 输出: 6V/7.2V 可调,持续电流6A (开关稳压方式)
风扇取电方式: 从内置BEC 取得稳定的6V 或7.2V
尺寸/含线重量: 59.8(长)*48(宽)*36.8(高)/ 173.5g
参数设定接口: 和风扇接口共用



持续/峰值电流: 150A/950A
    这个不难理解,意思就是电调能持续地输出150A的电流而不出现问题,瞬间爆发电流高达950A

    关于电流的选择,对于一些电机,可能60A的电流就可以驱动了,那么如果改用90A,120A这些,又会有什么影响呢?

        电调的电流数值越大,表示电调可以驱动对电流要求更高的电机。拿一个1/10漂移用的3650的10.5T电机来说,有45A都可以驱动了,那么如果换了更大电流的有没有必要呢?答案是没有必要的。但是如果换为更大电流带来的是什么提升呢?
            更大电流,意味着电调本身的发热会更小:假设45A的电调需要使用风扇辅助散热,换了120A,可能风扇直接拆掉都不会有问题。由此也有可能因为电调损耗降低而带来稍微长一点的使用时间。(此为理论值,实际因为时间上差异不太大而可能没感觉)
            更大电流,可以带来更暴力的瞬间加速度:由于更大电流电调的内阻更小,其持续电流以及瞬间电流的增大,都可以瞬间提供给电机更大的电流,增加电机的爆发力。但是对于尾速的增加就不明显。
            更大电流的型号,可以驱动更加强劲的电机,日后更换其他更暴力的电机也方便,省去了重复购买大电流型号的资金浪费。
                对于1/10竞赛或者漂移来说,更大电流的型号,往往是可以支持TURBO程序,可以持续增强电机的转速以及扭矩。针对1/10电房的TURBO程序,FunRC Studio也有专门的教程贴,这里不赘述。


支持电机类型: 无感无刷电机、有感无刷电机
    表示这个电调适用于那种无刷电机,但是需要注意这个例子中的MAX8电调由于是无感无刷电调,在使用有感无刷电机时,是无法接感应线的,因此有感无刷电机也是工作于无感状态。
        只有有感电调,搭配有感电机,接好了感应线,才是有感状态。有感电调与有感电机不接感应线,或者有感电调搭配无感电机,或者无感电调搭配有感/无感电机这几种情况,均是工作于无感状态。


主要适用车型: 1/8 电房/电越/卡车/大脚车
    这个就是表示这个电调推荐用于1/8系列的各种车型,这个也是这个电调专门针对1/8推出。不同电调往往都会列出推荐使用的范围。


适用马达KV
    使用4S 锂电时或12 节镍氢时:4274 或更小尺寸电机,KV≤3000;
    使用6S 锂电时或18 节镍氢时:4274 或更小尺寸电机,KV≤2400;

        这个十分明确地标注出了不同电压时,应该如何搭配电机,超出搭配范围外的,则很容易造成电机或者电调故障。
        电压低时,往往能使用更高KV值的电机,这是因为电机的转速本身有个临界值,一般不超过6万转则是比较安全的。
            例如4S 3000KV,折算转速是4S*4.2V满电电压*3000KV=50400RPM,6S则是6S*4.2V满电电压*2400KV=604800
            
            我们如果使用低电压,例如这个例子中的4S,那么电机可以对应地选用高一些的KV值,以实现4S下更高的动力输出。
            如果使用高电压,例如例子中的6S,那么电机不建议选择太高KV值,因为高电压本身会带来极大的动力提升,再使用高KV电机,则很容易造成电机过热,或者其他动力系统问题。

    有些电调型号是写支持的T数,例如好盈V3.1 120A电调是写:
        支持马达T数: 
           2节锂电或4-6节镍氢:1/10房车≥3.5T,1/10越野车≥5.5T;
           3节锂电或7-9节镍氢:1/10房车≥5.5T,1/10越野车≥8.5T; 
        这个参数则十分清晰地列出了电调在不同电压下,应该怎么搭配电机的问题。不要超出电调能力去搭配才可以延长电调寿命。


电池节数: 9-18 Cells NiMH,3-6S Lipo
    意思为支持(9~18)*1.2V = 10.8~21.6V的镍电池组,或者11.1V~22.2V的锂电池组


BEC 输出: 6V/7.2V 可调,持续电流6A (开关稳压方式)
    BEC也就是俗称的稳压模块,由于大多数接收机和电调都是6V的,而电池的电压往往都超过6V,常见是7.4V锂电,这种电压如果直接接到接收机上,可能会造成接收机或者舵机损坏。
    而电调是直接接着电池的设备,于是电调还肩负着稳压供电给接收机的任务。BEC参数则表示了这个电调能提供多大的能力给接收机了。

    此处的6A电流已经十分大了,对于这种大脚车电调来说,舵机一般都是6V 3A就足够使用。而一些平路车的型号,则可能提供相对小一些的电流,可能6V 3A这样。因为平路车舵机一般有1A都足够,只要外接的其他用电设备不是十分多都没问题。


风扇取电方式: 从内置BEC 取得稳定的6V 或7.2V
    由于风扇的工作电压往往不会太高,因此多数都是直接用电调的BEC接电,这款也不例外。
        有些1/10竞赛级的电调则是标配5~7.4V高速风扇,从2S电压取电即可实现强劲的风力,例如我们说的V3.1 120A。但是这种风扇的弊端是如果使用3S电压时,则需要改到接收机取电,否则会因为超电压烧毁。


尺寸/含线重量: 59.8(长)*48(宽)*36.8(高)/ 173.5g
    尺寸和重量,这个不用解释了吧,大家都明白的。


参数设定接口: 和风扇接口共用
    参数设定接口的作用是用于使用外接的设备更改电调内置的选项参数,以实现更优秀的手感,或者更专业的电调保护,或者更适合的运作模式等。

    以前的无刷电调,很多在需要更改设定的时候,需要把电调的信号线从接收机拔出来,插到设定卡上才可以更改参数,但是这样带来的弊端就是如果一些竞赛的电调,需要频繁更改设定,不停的插拔信号线容易造成插头的变松导致接触不良,加上一些娱乐车型,都是用防水设备舱,接收机在密封仓里面,拆卸麻烦,于是现在很多电调都采用风扇口与设定口共用的方式,不需要拔接收机的插头,直接拔风扇口就可以了。简单方便。

    外接用于更改参数的设备,我们常见的是电调设定卡,也叫设置卡,Program Card, Setting Card之类。也有一些电调可以通过蓝牙或者WIFI连接手机/电脑来更改设置。当然也有一些厂家还有更专业的做法就是使用专用的电调/接收机/遥控器,通过电调连接接收机,接收机反馈信息到遥控器上,然后直接在遥控器上进行设置,十分方便。

    下图是好盈的普通数码管设置卡,这种是最简易的设置卡