李業(yè)新

上期以磁鐵為切入點，介紹了二極有刷電機的原理、結(jié)構(gòu)和運行特點（圖1）。三極有刷電機的運行原理與二極有刷電機類似（圖2）。如圖所示，當(dāng)三極電機的某個換向器轉(zhuǎn)到三角形的頂點（與左右固定的永久磁鐵平行）時，與之連接的線圈必須保持N極朝上。由于異極相吸、同極相斥，因此線圈受到1個順時針方向的合力矩，驅(qū)使電機轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動（圖3、圖4）。

也就是說，電機靠永久磁鐵和電磁鐵之間的相互作用維持運轉(zhuǎn)。正因如此，不少人認(rèn)為只要電磁鐵的磁力越大，或者電磁鐵上纏繞的螺旋線圈匝數(shù)越多，電機的功率就越大。其實不然，電機的轉(zhuǎn)子尺寸確定后，電磁鐵上能纏繞的線圈數(shù)量也就固定了。如果要增加線圈匝數(shù)，就得選用更細(xì)的電線。而電線越細(xì)，其上通過電流的能力越差，電流量的減小會抵消線圈匝數(shù)增加帶來的電磁鐵磁力增強的效果。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，電機中用到的電線越粗，所繞線圈匝數(shù)越少；電線越細(xì)，所繞線圈匝數(shù)越多。前者屬于大電流高轉(zhuǎn)速型電機，后者屬于電流阻力較大的扭力型電機，如何取舍還得根據(jù)具體的需求確定。

隨著技術(shù)的革新，有刷電機逐漸被無刷電機代替。電機和鋰電池的搭配所能提供的動力輸出，絲毫不亞于內(nèi)燃機發(fā)動機（圖5）。顧名思義，無刷電機中既無電刷，也無電刷裝置。無刷電機的工作原理與有刷電機類似，同樣利用的是永久磁鐵與電磁鐵之間的相互作用力帶動電機持續(xù)運轉(zhuǎn)。

有刷電機通過換向器讓轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動半圈就切換一次電源的正負(fù)極，從而不斷改變電磁鐵的N極和S極，無刷電機則由電調(diào)控制電磁鐵的極性按一定規(guī)律變化。

無刷電機既沒有電刷，也沒有換向器，構(gòu)造較為簡單。以內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機為例，電機的中心區(qū)域是永久磁鐵，作為轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。沿其周圍均勻布置了6個電磁鐵（固定不動）；兩兩相對的電磁鐵電流互相連通，在轉(zhuǎn)子的圓周上產(chǎn)生正好相反的磁極方向。將6個電磁鐵分為3組，標(biāo)記為A-A'、B-B'、C-C'。

3組電磁鐵線圈的輸入電源為三相交流電，由專門的裝置對電源進行轉(zhuǎn)換控制。線圈中不僅電流、電壓會隨著時間的推移產(chǎn)生變化，電源的正負(fù)極也會隨著時間的變化而不斷變化。因此隨著時間推移，電磁鐵的磁性也會發(fā)生變化，宛如不停旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵。

如圖6-圖9所示，永久磁鐵周圍的A-A'、B-B'、C-C'表示固定的3組電磁鐵線圈，右側(cè)的正弦曲線圖代表A線圈中電壓隨時間的變化規(guī)律。①狀態(tài)中A和C'兩處是N極；②狀態(tài)中A線圈的電壓由峰值回到①狀態(tài)時的水平，不過N極卻變到了A和B兩處；③狀態(tài)中A線圈的電壓為零、無電流通過，N極變?yōu)锽和C兩處；④狀態(tài)中A線圈的電壓值與①狀態(tài)時的相同，但電源正負(fù)極相反，N極是C和A'兩處。電磁鐵與轉(zhuǎn)子中永久磁鐵之間的相互作用力，驅(qū)動著電機軸持續(xù)運轉(zhuǎn)并輸出動力。

外轉(zhuǎn)子無刷電機有著與圖示正好相反的結(jié)構(gòu)，其中心區(qū)域為電磁鐵線圈，周圍均勻分布永久磁鐵。不管是內(nèi)轉(zhuǎn)子還是外轉(zhuǎn)子方式，無刷電機的工作原理是一樣的。

無刷電機的機械結(jié)構(gòu)相對簡單，又不存在電刷損耗問題，為其高效運行提供了可能性。而且由于電子調(diào)速器替代了傳統(tǒng)的機械裝置，因此提高了控制的準(zhǔn)確度。目前無刷電機已經(jīng)占據(jù)了電機市場的主導(dǎo)地位，但稍微有些遺憾的是，質(zhì)量較好的電子調(diào)速器價格比較昂貴，尤其是國外品牌。

很多模友以為無刷電機是近10年的產(chǎn)物，實際早在20世紀(jì)70年代中期就已被普遍用于錄音機中。以前流行的隨身聽（Walkman）就裝有無刷電機。國內(nèi)愛好者接觸無刷電機，應(yīng)該是從DIY光驅(qū)電機開始的。當(dāng)時國內(nèi)模型廠商還沒有大批量生產(chǎn)無刷電機，愛好者便從廢棄的電腦光驅(qū)中拆出無刷電機進行改造，并用在航模上。筆者也曾做過不少（圖10），發(fā)現(xiàn)如果精心繞制線圈組，電機的使用效果還不錯，配上GWS出品的5寸螺旋槳尤為出彩。

剛?cè)腴T的愛好者在選購無刷電機時，經(jīng)常會被問到所需的電機參數(shù)——KV值。有人認(rèn)為電機的KV值越大，功率越大，其實并非如此。KV值是表征電機運轉(zhuǎn)特性的一個指標(biāo)，可理解為當(dāng)電機被供給1V電壓時，其在1分鐘內(nèi)的運轉(zhuǎn)圈數(shù)。如KV值為1 500和500的電機，相比而言，前者是高轉(zhuǎn)速電機，用在航模上需配備小螺距、小槳徑的高速槳；后者是低轉(zhuǎn)速電機，可搭配大螺距、大槳徑的螺旋槳。只有這樣搭配，電機工作起來才會高效。至于具體的螺旋槳尺寸選擇，建議模友們查閱電機的使用說明書，其中一般會有模型廠家的推薦配置表，標(biāo)注了電機的電流、拉力、可搭配的螺旋槳尺寸等信息。

如果已知需求（規(guī)定了模型上用到的電機轉(zhuǎn)速），在挑選一款合理KV值的電機時有一個簡單的計算方法。假定想購買轉(zhuǎn)速6 000r/min左右的電機，搭配3S鋰電池，那么由已知得出電機的供電電壓為11.1V，利用算式 6 000÷11.1=540，得出合理的電機KV值為540。不過所算出的數(shù)值只是理論值，還要參照模型飛機的起飛重量、飛行方式、模型種類，綜合考慮選擇合適的電機。

種類繁多的無刷電機，究竟選擇哪一款才好，常常困擾著愛好者。即使KV值相同，各類電機的結(jié)構(gòu)、形狀也可能不同。一般來說，小直徑、長條形的是高轉(zhuǎn)速電機，大直徑、扁薄款的是大扭力電機（圖11-圖13）。