无刷电机组装与调试：外转子电机

（1）基本概念

多旋翼无人机使用的主流电机是外转子三相交流无刷同步电动机。有关电机的知识实在太多，这里仅就“交流”“无刷”“外转子”等3个概念予以说明。

1）交流

如图3.8所示，电调的作用之一就是将锂聚合物电池的直流电换相为交流电后，为三相交流电机提供输入。所以，电调与电机的连接是3根线，非常类似输电线用的220 V，只是电压低得多。玩具多旋翼无人机可能会使用直流电机，因为交流电机体积无法压缩，成本也较高。直流电机2根线，接上电池就能转，如果要调速，使用的是直流电调。

2）无刷

无刷电机是相对于传统的有刷电机而言的。由于采用电子换相去除了有刷电机中的电刷，最明显的变化就是没有了电刷运转时产生的电火花，极大减少了对无线电设备的干扰；没有电刷，运转时的力大大减小，运行顺畅，噪声低；没有机械接触，内阻也小得多；现代无刷电机里普遍使用钕硼磁钢代替铁氧体磁铁，磁力要强得多，所以无刷电机的效率高达80%～90%，而有刷电机的效率很难超过40%。所以，抗干扰、噪声低、内阻小和效率高是无刷电机的四大优点。

图3.8　三相交流电机原理

3）外转子

如图3.9所示，定子在里，转子在外，外壳与轴一起旋转，转速低，扭矩大，适合带低速大桨，常被微型固定翼或多旋翼无人机使用。内转子电机工作时只是轴转而外壳不转，扭矩小，转速高，适合带高速小桨，电动涵道航模基本都是内转子电机。

图3.9　外转子电机

（2）电机规格与参数

1）尺寸

尺寸经常标注在无刷电机的外壳上或说明书里，以四位数字呈现，例如2212电机、2810电机等，如图3.10（a）所示。其中前2位是电机定子线圈的直径，后2位是定子线圈的高度，单位是mm，如图3.10（b）所示。

图3.10　电机的尺寸参数及其含义

这个尺寸也可以认为是电机的型号，其意义在于看型号就可以比较两个电机的功率，但一般只是定子外径相同而高度不同，或者高度相同而外径不同，2218的电机比2212的定子高度高，功率肯定也更大。

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图3.11　电机的槽数和极数

2）槽数和极数

①槽数（N）：定子铁芯的槽数量。无刷电机是三相电机，所以槽数是3的倍数。

②极数（P）：外转子上磁铁的数量，由于磁铁必定是南北极成对使用，所以极数必然是偶数。

电机槽数和极数可直接写为槽数N极数P，如12N14P，即12槽14极，如图3.11所示。

槽数和极数都与最高转速成反比，即槽数和极数越小，电机的最高转速越高；槽数和极数越大，电机顿挫感（电机不带电时，用手转动电机产生的一卡一卡的感觉）越小，理论上电机振动会更少；当槽数相同时，极数与扭力成正比，极数越大，扭力越大。

3）KV值

无刷电机的KV值定义为转速/V，意思为输入电压增加1 V时，电机空转每分钟所增加的转速，或者写成：KV值×电压=空载转速/min。例如：KV值是650，在11.1 V电压下空转的转速是11.1×650=7 215 r/min等。KV值通常标记在电机的外壳上，如图3.10中（a）所示。理论上说，电压与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的，并且是常量。

KV值与定子绕阻的匝数有关，所以同样大小的电机可以有不同的KV值。绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，适合带慢速大桨；绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，适合带快速小桨。相对地说KV值小则效率高，转速低且震动小，适合航拍使用。

4）其他参数

①转矩：也称力矩或扭矩，指电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩，可以理解为电机的力量。

②转速：电机每分钟的转速，一般用RPM表示。

③最大电流：电机能够承受并安全工作的最大电流。

④最大功率：电机能够承受并安全工作的最大功率，电压（V）×电流（A）=功率（W）。电机的功率反映了其对外的输出能力，功率越大的电机其输出能力也更强。

⑤额定电压：即无刷电机适合的工作电压，其实无刷电机适合的工作电压非常广，额定电压是指定负载条件而得出的情况。例如：2212-850 KV电机指定了1045螺旋桨的负载，其额定工作电压就是11 V。如果减小负载，例如7040螺旋桨，那这个电机完全可以在22 V电压下工作。但是这个工作电压也不是无限上升的，主要受制于电子控制器支持的最高频率。所以说，额定电压是由工作环境决定的。

（3）多旋翼电机的效率

电机效率是跟螺旋桨有关系的。多旋翼无人机主要靠螺旋桨产生气动力，所以如何发挥螺旋桨的效率至关重要。观察升力公式，我们会发现，升力和气流速度的二次方成正比，也就是说气流速度从1变成2，升力就从1变成4。把转速提高1倍或把桨径增加1倍都能提高气流速度。但因为是圆周运动，增加桨径后气流的平均速度更大，并且大桨就像是滑翔机机翼，诱导阻力也小，这说明慢速大桨好。还有一点，阻力也和速度的二次方成正比，和前向投影截面积的一次方成正比，这一点也能说明慢速大桨好。所以从气动角度出发，多旋翼无人机应该优先安装所能安装的、互不“打架”的最大的桨。慢速的大桨效率高，搭配它的电机就该选扭矩大、转速低的，即尽量又扁又矮的。所以功率相近的2216电机和2810电机，一定是后者飞行时间更长。

电机效率的标注方式是g/W（克/瓦）。电机的功率和拉力并不是成正比的，也就是50 W时为450 g拉力，100W时就不是900 g了，可能只有700 g。具体效率要看电机的效率表。大多数电机在3～5 A的电流下效率是最高的，一般正常飞行中效率保持在8 g/W以上就可较好地保证续航能力。