关于有刷、无刷电机的线圈与转速扭矩说明

超级螺旋桨 · 发表于 2018-6-5 15:39

本文是以小型航模（包含车船模型）有刷、无刷电机为实例，经过多次实际测试得出的结论，所有内容都是本人亲身经验，仅代表个人观点。

无刷电机篇：
无刷电机没有电刷，电流直接经过导线进入线圈，所以无刷电机的线圈只能是固定不动的，转动的是磁钢转子，对比有刷电机这样的好处就是不会因为高速旋转产生的离心力导致线圈被甩出来蹭到磁钢。
如果电机烧了或者需要改装的时候就要重新绕线圈。细线多股并绕：大部分常用的无刷电机都是多股细线并绕，好处是细线软，容易拉直绷紧，绕线紧凑难度也不大，多股并绕可以像一股粗线一样通过很大的电流。单股粗线：单股粗线不仅可以承受更大的电流，而且相对细线散热更好，缺点是漆包线越粗就越硬，很难绕的紧凑，往往绕一个电机要很久而且手会很疼。尽管如此还是有很多人喜欢用粗线来绕，觉得这样电机发热会低一些，效率更高。集肤效应：有一个说法是无刷电机用粗线会导致电流只经过漆包线的表面，相当于用了空心的漆包线，失去了增大截面积的作用，线圈电阻会增大，但这个说法仅限于高频电流，常用的无刷电机转速还达不到产生集肤效应的高频电流，所以大家可以放心的使用粗线。
其实这并不绝对，有人画圆来代替漆包线的截面图，计算多股细线和单股粗线绕同样匝数的时候漆包线的总截面积进行比较，得出结论粗线截面积更大，因此应该用粗的漆包线。这个理论上是没有错，而实际上我们在绕线的时候会发现粗线真的很硬，比我们想象的要难很多，即便是绕出来了，也很难保证漆包线之间紧密贴合，缝隙太大的话截面积反而不如细线。所以我们在选择漆包线线径的时候开业根据电机的大小来选择合适的漆包线，在自己能力范围内可以尽量使用粗线。

有刷电机篇：
有刷电机以四驱车马达为例，磁钢外壳固定不动，内部线圈转子高速运转，这种电机的线圈同样不能太粗也不能太细。很多成品电机包装上都写有“粗线绕制、扭力更大”等字眼，尤其小时候玩过的四驱车马达，谁都知道粗线的马达速度更快，扭力更大，确实是这样，粗线的有刷电机效率也更高。值得一提的是手工马达的绕法从最开始的单股细线到单股粗线，玩家不断的追求速度与扭矩，电机厂家抓住了商机，推出了二段式、三段式、斜轴心转子，不知道蒙骗了多少四驱车爱好者，我也是其中之一。小时候我也以为这些花哨的转子真的能提高效率，于是就把现有的马达拆开分成两段、三段、还有斜轴心的转子，最后发现转速或许真的提高了，但是扭矩大打折扣，还不如之前的单段垂直转子，所谓的二段式三段式斜轴心只不过是商家忽悠钱的把戏而已。
再来说有刷电机的多股细线并绕和单线粗绕，我第一次尝试多股并绕的时候还是在小学四年级，一次纯属偶然。事情是这样的，我拆掉了我们家的废弃打印机，里面的电机线圈是蓝色的漆包线，非常好看的也非常精致。于是我就想把线圈拆下来改装到我的四驱车马达上，毕竟蓝色漆包线的电机真的很耀眼，第一次见到。当时对于四年级的我并不知道线圈的匝数对电机的转速扭矩有什么影响，改装完全是为了好看。因为是第一次改装电机，为了不出差错，我拆四驱车马达的时候用笔记下了原本的线圈匝数，我记得三个槽匝数都是37匝（那时候买不起粗线的马达，37匝的漆包线其实也不细）。后来用打印机马达上拆下来的蓝色漆包线又给四驱车马达绕回去，这蓝色漆包线也不粗，跟四驱车马达的线差不多，但是绕回去的时候我总是数错匝数，绕道20多匝的时候就不确定到底多了还是少了（从小强迫症），于是想偷个懒，减少20匝，每个槽只绕17匝，但是这样又绕不满，线不饱满不好看，所以就有了用双线并绕的想法，没想到的是用这个方法绕出来的电机真的好强，力量翻倍转速翻倍，从此便开始了我的电机改装之路。
说点干货：有刷电机不同于无刷电机，有刷电机是线圈在转子上，高速旋转时产生强大的离心力，线圈绕的不紧密会直接炸开，（线圈被甩出线槽，蹭到磁钢外壳而报废）。因此有刷电机绕线不能用太粗的漆包线，因为线越粗越绕不紧，间隙越大，如果做不到线圈与转子紧密贴合，高速旋转时转子线圈必然爆破。在无刷电机追求粗线性能的同时，现在网上却很流行四驱车马达的多股并绕，用特别细的线很多股来绕，并且股数越多线越细绕出来的电机卖得越贵，同样值得一提的是居然有很多人跟风，觉得多股细线的马达真的能想商家吹的那样几十万转。经本人计算+专业工具实测最快的四驱车马达几万转是有的，几十万转纯属扯淡！
总结一下：不管是有刷电机还是无刷电机，都离不开一个原则，那就是同样尺寸和级数的电机，在相同电压下转速和扭矩只跟线圈的匝数有关，跟你用多粗的线或者多少股线并绕没半毛钱关系，这真的是一个误区。用一股细线绕8匝和用5股细线绕8匝、一股粗线绕8匝的空载转速都是一样的。至于扭矩，一股细线电阻可能略大一些，多多少少会影响线圈中的电流，导致扭矩不足，但更重要的原因是如果一股细线绕8匝会导致漆包线过细承受不住太大的电流而烧毁，所以单股细线不是没扭矩，而是只能空转，一旦负载大扭矩就会烧毁电机。如果是多股细线就可以分担电流，还可以减小内阻，在提供大扭矩的时候不至于烧坏，而单股粗线的承受电流能力也比细线要强很多，所以一股粗线和多股细线所带来的扭矩和转速都是一样的。至于到底该用粗线还是细线，首先细线缺点也很明显，散热不如粗线，漆皮占用的截面积大于粗线的漆皮截面积，并且收尾的时候刮漆很费劲，在性能上肯定是不如粗线的。再说粗线缺点，线太硬不好绕，绕的不紧密就会爆转子。所以要在两者中找一个平衡点，取决于你的动手能力，如果你有把握把很粗线绕的严丝合缝紧凑工整，完全可以抛弃细线，如果你手不够巧，就选择稍微细一点的漆包线，总之刚好能够绕的动最好。如果你能绕的动的线不是很粗，绕够了匝数却不饱满，可以选择双线并绕，如果双线并绕空间不够就换再细一点的线，反之就三线并绕。综上所述，电机的多股并绕仅仅只是为了解决粗线的绕线困难，提高槽满率的一种捷径，相同的槽满率，股数越多、线越细的电机效率越低。