無人機(jī)與無刷電機(jī)：初見

在陽光明媚的周末，公園里總能看到這樣的場景：一個(gè)年輕人手持遙控器，眼神專注，隨著他手指的操作，一架小巧的無人機(jī)緩緩升起，迅速攀升至高空，在空中靈活地穿梭、盤旋，從獨(dú)特的視角記錄下公園的美景、人們的歡聲笑語 。這看似簡單的飛行背后，卻蘊(yùn)含著眾多的科技奧秘，而其中一個(gè)關(guān)鍵的因素就是無人機(jī)的 “心臟”—— 電機(jī)。

當(dāng)我們深入探究無人機(jī)的構(gòu)造時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：市面上絕大多數(shù)無人機(jī)都選用了無刷電機(jī)作為動(dòng)力源。這不禁讓人產(chǎn)生疑問：在電機(jī)的大家族里，有刷電機(jī)、直流電機(jī)等多種類型，為什么獨(dú)獨(dú)無刷電機(jī)能在無人機(jī)領(lǐng)域脫穎而出，成為無人機(jī)的 “最佳拍檔” 呢？接下來，就讓我們一起揭開其中的奧秘。

電機(jī)界的 “新老對決”：有刷電機(jī) VS 無刷電機(jī)

在深入探討無刷電機(jī)為何成為無人機(jī)的 “寵兒” 之前，我們先來認(rèn)識(shí)一下電機(jī)家族中的兩位 “成員”—— 有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，了解它們各自的特點(diǎn)和工作方式 。

（一）有刷電機(jī)：曾經(jīng)的 “元老”

有刷電機(jī)，作為電機(jī)領(lǐng)域的 “元老”，有著較為悠久的應(yīng)用歷史。它的基本結(jié)構(gòu)主要包括電刷、換向器、線圈和永磁體 。電刷一般由碳或石墨等導(dǎo)電材料制成，它與換向器緊密接觸，是電流進(jìn)入轉(zhuǎn)子線圈的 “通道”。換向器則是由一片片相互絕緣的金屬片組成，固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。線圈纏繞在轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流通過線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場。永磁體位于定子部分，提供一個(gè)固定的磁場 。

有刷電機(jī)的工作原理說起來也不難理解。當(dāng)直流電源接通后，電流通過電刷流到換向器，再進(jìn)入轉(zhuǎn)子的線圈中。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通電線圈在永磁體產(chǎn)生的磁場中會(huì)受到力的作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中，換向器和電刷會(huì)不斷地改變線圈中電流的方向，確保轉(zhuǎn)子始終受到同一個(gè)方向的轉(zhuǎn)矩，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去 。

舉個(gè)簡單的例子，就好比我們騎著一輛自行車，每踩一圈踏板，就需要調(diào)整一下鏈條的位置，才能保證自行車一直向前行駛。這里的踏板就相當(dāng)于有刷電機(jī)中的電源，鏈條的調(diào)整就如同電刷和換向器改變電流方向，而自行車的前進(jìn)就像電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng) 。

有刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對簡單，制造工藝成熟，成本也比較低。這使得它在一些對成本敏感、性能要求不是特別高的場合得到了廣泛應(yīng)用，比如一些普通的家用電器、電動(dòng)玩具等 。但它也存在著一些明顯的缺點(diǎn)。由于電刷和換向器在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)不斷地摩擦，這不僅會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致電刷和換向器需要定期更換，增加了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，還會(huì)產(chǎn)生電火花。這些電火花不僅會(huì)干擾周圍的電子設(shè)備，影響其正常工作，還存在一定的安全隱患，在一些易燃易爆的環(huán)境中就無法使用 。此外，有刷電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率相對較低，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，這也在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍 。

（二）無刷電機(jī)：嶄露頭角的 “新星”

無刷電機(jī)，作為電機(jī)領(lǐng)域的 “后起之秀”，近年來在各種應(yīng)用場景中迅速崛起。它的結(jié)構(gòu)與有刷電機(jī)有著較大的區(qū)別，主要由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器和控制器等部分組成 。定子上繞有線圈，當(dāng)電流通過這些線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子則是由永磁體制成，在定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。位置傳感器就像是無刷電機(jī)的 “眼睛”，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)子的位置，并將這些信息反饋給控制器 。

無刷電機(jī)的工作原理基于電子換向技術(shù)。與有刷電機(jī)通過電刷和換向器的機(jī)械接觸來改變電流方向不同，無刷電機(jī)是通過控制器根據(jù)位置傳感器反饋的信號(hào)，來適時(shí)地切換定子線圈中的電流方向，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 。簡單來說，有刷電機(jī)是靠 “機(jī)械摩擦” 來換相，而無刷電機(jī)則是靠 “電子智能控制” 來換相 。

比如在一些高端的電動(dòng)汽車中，無刷電機(jī)就發(fā)揮了重要作用。它能夠根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)和駕駛員的操作指令，快速、精準(zhǔn)地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，實(shí)現(xiàn)高效、平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)，這是有刷電機(jī)很難做到的 。

從結(jié)構(gòu)和工作原理上的差異，我們就能看出無刷電機(jī)相比有刷電機(jī)具有諸多優(yōu)勢。它沒有電刷和換向器的機(jī)械摩擦，大大減少了磨損和能量損耗，提高了電機(jī)的效率和使用壽命；沒有電火花產(chǎn)生，不僅更加安全可靠，還不會(huì)對周圍的電子設(shè)備造成干擾；而且通過精確的電子控制，無刷電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速控制和更高的運(yùn)行精度，在一些對控制精度要求極高的場合，如航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，無刷電機(jī)的優(yōu)勢就更加明顯 。

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