無(wú)刷——刷新了什么？

Michael Springer

無(wú)刷——刷新了什么？

Michael Springer

兩項(xiàng)科技的發(fā)展正在重新塑造電池式工具的發(fā)展路線，一個(gè)是正在風(fēng)風(fēng)火火進(jìn)行中的電池功率升級(jí)競(jìng)賽，另一個(gè)則是無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的崛起?，F(xiàn)代無(wú)刷電動(dòng)機(jī)技術(shù)已歷經(jīng)50年的發(fā)展，但是直到最近才在手持式電動(dòng)工具領(lǐng)域找到方向。

從事電動(dòng)工具行業(yè)的人們提出了一系列問(wèn)題，集中表現(xiàn)在：無(wú)刷電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比有什么好處，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)成本的增加是否有所價(jià)值？本文試圖解釋這項(xiàng)技術(shù)以及相關(guān)制造商聲稱可以達(dá)到的性能。

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)

帶電源線的手持式和大部分可移式電動(dòng)工具內(nèi)設(shè)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，意味著這些工具可以使用交、直流電驅(qū)動(dòng)，但實(shí)際上大部分該類產(chǎn)品只能運(yùn)行于交流電下。

除了軸承和電線，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)基本組件：轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子是負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的中心部件，定子是圍繞轉(zhuǎn)子的固定組件。定轉(zhuǎn)子包含勵(lì)磁繞組，通電后形成電磁體，由電磁體形成的磁場(chǎng)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

磁引力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子向兩個(gè)不同方向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生力矩，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于換向器的作用產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，維持了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)控制速度和轉(zhuǎn)向。

電刷換向

由于定子是固定的，可以通過(guò)硬導(dǎo)線聯(lián)接電源。但是轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)的，是通過(guò)跨接在換向器兩端的導(dǎo)電碳刷聯(lián)接電源的，換向器基本相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)裝置。換向器是由換向片組成的，換向片之間的間隙導(dǎo)致間歇性的接觸，決定了轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)能量形成的時(shí)間和順序。無(wú)論是帶電源線的電動(dòng)工具還是電池式電動(dòng)工具，有刷電機(jī)都是這樣工作的。

永磁電動(dòng)機(jī)

對(duì)于電池式電動(dòng)工具而言，受電源供給和空間結(jié)構(gòu)的限制，有刷的電池式工具定子是永磁體，而不是繞組。采用強(qiáng)大的稀土材料作為永磁體的永磁電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在優(yōu)良的低速轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)特性。

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，也稱作電子換向（EC）電動(dòng)機(jī)，基本上與永磁電動(dòng)機(jī)相反，即：定子是電磁繞組，而轉(zhuǎn)子是永磁體。磁鐵不需要電源，因此也不需要碳刷和換向器。

既然沒(méi)有起旋轉(zhuǎn)換向作用的機(jī)械轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)就包含了微處理器(一個(gè)微型的機(jī)載計(jì)算機(jī)) 以提供電子換向過(guò)程中的電子切換轉(zhuǎn)向。電子元件監(jiān)控轉(zhuǎn)子的位置，即時(shí)發(fā)送反映轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)變化的電脈沖，由此控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

通過(guò)采訪工具制造商的工程師和產(chǎn)品經(jīng)理可以獲取他們對(duì)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)工具的評(píng)價(jià)。大家都基本認(rèn)可以下內(nèi)容：

高效

不存在碳刷與換向器之間的摩擦損耗以及電子換向（程序控制），較機(jī)械換向更為精確高效。因此，這類電動(dòng)機(jī)相比于同等尺寸的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率更大。

性能

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)溫升較低、更安靜、振動(dòng)更小。沒(méi)有碳刷的拉弧現(xiàn)象，從而降低影響電子元件工作的無(wú)線電頻率和電氣噪聲干擾。一般，有刷電動(dòng)機(jī)總是在正向旋轉(zhuǎn)時(shí)更為強(qiáng)勁，反向旋轉(zhuǎn)時(shí)偏弱一些，而無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則沒(méi)有差異。

耐久性

沒(méi)有電刷損耗，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間更長(zhǎng)久。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有電磁繞組，可以降低工具核心區(qū)域的溫升，事實(shí)上這個(gè)區(qū)域的熱量很難散發(fā)。為防止電子控制被損壞并延長(zhǎng)工具的壽命，一些制造商將電子控制部分封裝或灌裝在塑料內(nèi)以防塵或防潮。

設(shè)計(jì)

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)功率密度更大，因此在輸出功率相同時(shí)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)較傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)體積更小、更輕。借助于電子控制，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)更易于被附加一些功能，例如多重速度控制、軟啟動(dòng)以及電源切斷后工具的平穩(wěn)停止。但是，用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單替代標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)不會(huì)自動(dòng)提升產(chǎn)品的性能。為了提升工具的性能，必須將電動(dòng)機(jī)、電子控制和電池作為一個(gè)整體的系統(tǒng)來(lái)綜合考慮。

下表包含美國(guó)市場(chǎng)主要品牌采用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)工具（不包括流水線專用的工業(yè)型號(hào)），包括我們所知的已經(jīng)在開(kāi)發(fā)中的型號(hào)。列表中不包括這些工具的所有版本，尤其是一些通過(guò)組合銷售或與不同的電池包配套銷售，銷售量較小的型號(hào)。

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

并非所有的工具都適合使用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。迄今為止，沒(méi)有一個(gè)制造商的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)電池式工具在動(dòng)力上超過(guò)其自身的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)版本。大部分品牌僅在操作輕型和接近于恒定負(fù)載，即轉(zhuǎn)速不會(huì)發(fā)生大幅度變化的情況下使用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。這類工具很難或不可能堵轉(zhuǎn)，例如旋轉(zhuǎn)電錘、沖擊起子、沖擊扳手等類似工具。

制造商通常避免將無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)用于負(fù)載會(huì)大幅度變化，且會(huì)出現(xiàn)瞬間峰值轉(zhuǎn)矩或大電流的場(chǎng)合（例如往復(fù)鋸或電圓鋸）。但也并非絕對(duì)如此，最新一代的無(wú)刷電池式工具就有一些適合于重型工作制的電鉆/起子和鏈鋸。

高端產(chǎn)品

因?yàn)橛斜夭豢缮俚碾娮釉?，含有無(wú)刷電動(dòng)機(jī)工具的成本比含有標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的工具要高得多。這個(gè)成本溢價(jià)就是為什么一些品牌的無(wú)刷型號(hào)與類似的有刷型號(hào)共同銷售，而不是直接替代的原因。這也是為什么無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一直受限于最流行的電池式工具，例如電鉆和沖擊起子，也不用于使用頻率低的帶有附加功能的電動(dòng)工具。未來(lái)是無(wú)法預(yù)言的，希望能夠看到更多的來(lái)自主要品牌的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)工具，且具備更有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。

（編譯 顧菁）