4.3 空心杯电机
空心杯电机并不是中空的，空心的意思是中间没有传统电机的铁芯转子，线圈看起来就像个杯子，如图4-7所示。
图4-7 空心杯电机结构
空心杯电机是直流电机的一种特殊形式。它既可以做成无刷的，也可以做成有刷的。以直流有刷空心杯电机为例，如图4-8所示，作为一个电机，永磁体、线圈、换向器、碳刷一个都不能少，只是结构上和传统直流有刷电机（图4-9）完全不同。
图4-8 直流有刷空心杯电机结构
空心杯电机最大的特点就是这个像杯子一样的线圈，没有其他支撑结构，完全由导线绕制而成，线圈通过连接板和换向器、主轴连接到一起，共同组成转子。一般情况下，连接板由塑料和环氧树脂组成，其作用是固定导线和传递力矩。线圈在磁铁和外壳之间的缝隙中旋转，从而带动整个转子旋转。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也称为空心杯形转子，如图4-10所示。
图4-9 传统直流有刷电机结构
图4-10 空心杯电机转轴
线圈带动转子旋转的结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，由于转子质量大幅减小，因此转动惯性减小，相比传统铁芯电机，大扭矩急加速、急减速性能突出。从整体来说，它具有体积小、效率高、功率密度高、可控性高、噪声小、散热效果好等优点。
由于没有铁芯支撑，线圈只能做得很薄，这也导致了线圈和输出轴的连接强度有限，因此整体不可能做得太大。转子结构如图4-11所示，底座结构如图4-12所示。一般空心杯电机最大功率为几百瓦。
图4-11 空心杯电机转子结构
图4-12 空心杯电机底座结构
综合看来，空心杯电机可以应用在需要快速响应的系统中，如导弹的飞行方向快速调节、相机快速自动调焦、工业机器人、仿生义肢等，在这些领域，空心杯电机能很好地满足其技术要求。
因为空心杯电机体积小，很多对体积有要求的商品都采用了空心杯作为动力元器件，如玩具车、航模、电动牙刷等。
正是因为具有这些特点，所以空心杯电机在小型无人机方面得到了广泛应用，如图4-13所示。
图4-13 空心杯电机的应用
空心杯电机可分为有刷和无刷两种。有刷空心杯电机转子无铁芯［图4-14（a）］，无刷空心杯电机定子无铁芯［图4-14（b）］。绕组采用三角形接法。
图4-14 空心杯电机结构图
（a）有刷空心杯电机转子无铁芯；（b）无刷空心杯电机定子无铁芯
空心杯电机主要具有以下特性：
（1）节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电机一般在70%）。
（2）控制特性：启动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28 ms，部分产品可以达到10 ms以内（铁芯电机一般在100 ms以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏调节。
（3）拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电机，其转速波动能够很容易地控制在2%以内。
另外，空心杯电机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电机相比，其质量、体积减小1/3～1/2。
无人机空心杯电机拆解
大疆2312a无刷电机绕线连接测试
【项目小结】
本项目主要讲述了无人机电机与电调的结构。
有刷电机的组成部分除定子、转子外，还有碳刷，有刷电机因此也称碳刷电机。与有刷电机配套为无人机提供动力的是有刷电调，有刷电调用来控制有刷电机转速。有刷电调一般只有4根线，其中2根是输入电源端，接到正负极，另外2根控制电机转速，接到电机的2个电极上。
无刷电机由定子、转子与底座组成。其可分为外转子无刷电机与内转子无刷电机，由于取消了碳刷的结构，相比有刷电机，其具有寿命长、噪声低的优点。无刷电调能将直流电转化为三相交流电输给无刷电机，一般使用PWM（脉冲宽度调制）占空比来控制电机的转速。无刷电调的输入端是2根线，接电源，输出端是3根线，分别接无刷电机的3根引出线。
【巩固提高】
1.简述电机的分类。
2.简述无刷直流电机的分类。
3.空心杯电机的主要特性有哪些？
【实训4】
无刷电机绕组绕制
任务描述
设计合适的绕制方案，选取适当线径的漆包线重新绕制2212无刷电机定子，将重新绕线的电机安装完成，进行拉力测试，验证定子绕制结果并记录拉力数据。
任务目标
熟悉无人机无刷电机的工作原理及电机绕线方法（图4-15），能够利用漆包线重新绕制定子，能熟练拆卸安装无刷电机，能利用电机拉力计完成拉力测试。
图4-15 无刷电机原理图
任务实施
一、无刷电机结构
无刷电机，简单来说，是由机座、定子铁芯、定子绕组、轴承、转轴、转子、永久磁铁等组成的（图4-16）。
图4-16 无刷电机结构
二、无刷电机绕线方法及步骤
选择适当的漆包线直径并确定好绕线匝数。出头接线：1头2尾 2头3尾 3头1尾。绕线顺序：1-2-7-8顺逆逆顺；3-4-9-10逆顺顺逆；5-6-11-12顺逆逆顺（图4-17）。
图4-17 无刷电机绕线方法
1.线圈绕制
从1开始，按照“顺逆逆顺”顺序绕的时候拉紧，每一圈都要拉紧（图4-18）。
图4-18 线圈绕线方向
1、2、7、8槽绕完后，第一根漆包线的绕制就结束了，多余一点线头留待后面引出使用，然后再重新使用一根漆包线按照3、4、9、10的顺序进行绕制。注意，这一组是按照“逆顺顺逆”来进行绕制的。最后是5、6、11、12这一组，绕制顺序为“顺逆逆顺”，一共3组绕线。绕完之后会有6个线头，3入3出，1入合并2出，2入合并3出，3入合并1出，两两绕制在一起，形成无刷电机的3根输出线（图4-19）。
图4-19 绕线走向及绕线后出现
2.导线引出
如图4-20所示，将漆包线外层的胶水用小刀刮去，将其与硅胶线进行焊接，并用热缩管进行绝缘。
图4-20 导线的引出
3.电机的组装与固定
将绕制好的定子固定在电机底座上，装上电机外转子，将卡簧安装在电机底部轴凹槽处，对电机进行固定（图4-21）。
图4-21 利用卡簧对电机进行固定
4.焊接香蕉头
用电烙铁将引出的三根硅胶线焊接上香蕉头，套上热缩管对漆包线进行绝缘（图4-22）。
图4-22 焊接香蕉头
无刷电机绕组绕制工卡见表4-1。
表4-1 无刷电机绕组绕制工卡
续表
续表
