無刷永磁電機(jī)在電動(dòng)工具中的應(yīng)用分析

曹劉陽

摘 要：隨著電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無刷永磁電機(jī)以其自身的眾多優(yōu)點(diǎn)逐漸取代了有刷永磁電機(jī)應(yīng)用在許多電動(dòng)工具中?；诖?，本文在分析無刷永磁電機(jī)優(yōu)勢、無刷永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理的基礎(chǔ)上，對電動(dòng)工具中應(yīng)用無刷永磁電機(jī)的機(jī)械特性、效率特性、輸入和輸出功率特性進(jìn)行了深入的分析和研究。

關(guān)鍵詞：無刷永磁電機(jī)；電動(dòng)工具；控制電路板

1 引言

電動(dòng)工具應(yīng)用的傳統(tǒng)電機(jī)主要是單相感應(yīng)電機(jī)以及有刷永磁電機(jī)，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前無刷永磁機(jī)已經(jīng)在許多直流電動(dòng)工具中得到應(yīng)用，并在部分交流電動(dòng)工具中進(jìn)行嘗試推廣。雖然目前無刷永磁電機(jī)的價(jià)格十分高昂，但是其在節(jié)能、環(huán)保和使用壽命方面的優(yōu)勢具有巨大的潛力。因此，無刷永磁電機(jī)在電動(dòng)工具中的應(yīng)用值得學(xué)者進(jìn)行深入的研究。

2 無刷永磁電機(jī)的優(yōu)勢

無刷永磁電機(jī)就是用具有稀土永磁體的轉(zhuǎn)子和裝有三相繞組的定子代替有刷永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子，用由霍爾位置傳感器以及逆變器構(gòu)成的電子換向控制線路以及功率驅(qū)動(dòng)板，替換有刷永磁電機(jī)的電子換向器以及電刷。與傳統(tǒng)的有刷永磁電機(jī)相比，無刷永磁電機(jī)在電動(dòng)工具中的使用具有以下幾方面的優(yōu)勢。

（1）把傳統(tǒng)的機(jī)械換向變成電子換向，避免在換向過程中出現(xiàn)火花，降低了電火花對無線遙控設(shè)備的干擾，提高使用的安全性；（2）無刷永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子是剛性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)上沒有繞組、換向器以及電刷，在很大程度上延長了電機(jī)的使用壽命，通常是有刷永磁電機(jī)使用壽命的10倍以上，可以達(dá)到10000小時(shí)以上；（3）無刷永磁電機(jī)沒有機(jī)械換向產(chǎn)生的損耗，電磁線和繞組的銅用量都很少，沒有短路電流，因此，其電機(jī)的工作效率相當(dāng)高，可以達(dá)到90%左右；（4）無刷永磁電機(jī)由于工作過程沒有碳粉的積累，所以不必?fù)?dān)心由于碳粉堆積而導(dǎo)致的電壓擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，使得電動(dòng)工具維護(hù)更加方便，基本不需要進(jìn)行過多的日常維護(hù)，安全性更好；（5）工作時(shí)產(chǎn)生較小的噪聲，減少了環(huán)境污染；（6）無刷永動(dòng)磁電機(jī)擁有良好的啟動(dòng)以及寬幅調(diào)速性能；（7）單位重量功率比很好，有效的減小了電動(dòng)工具的重量和尺寸。

3 無刷永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理

3.1 定子

目前我國定子鐵芯的外徑級(jí)別主要有90mm、80mm、60mm、50mm、45mm、40mm。其中90mm、80mm的定子鐵芯主要應(yīng)用在推式割草機(jī)等移動(dòng)的電動(dòng)工具上；后面四種大多應(yīng)用在手持電動(dòng)工具中。鐵芯外徑的尺寸不同可以滿足電動(dòng)工具不同功率和轉(zhuǎn)速的需求。電動(dòng)機(jī)的鐵芯損耗是一種恒定損耗，為了減少這種恒定損耗，電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該在10000r/min以上，為了減少鐵芯上升很快的渦流損耗，定子一般使用0.35mm厚度由高速?zèng)_床制成的470矽鋼片鐵芯，其兩端加固絕緣板。為了達(dá)到減少噪聲、提高電機(jī)功率的目的，可以采用整列排線，保證不重疊、不交叉的原則，同時(shí)應(yīng)用專業(yè)的滴漆級(jí)對其進(jìn)行絕緣處理[1]。

3.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子的鐵芯和定子的鐵芯都是由高速?zèng)_床制成的，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可以分成三種：（1）利用扇形的稀土永磁體緊貼在轉(zhuǎn)子表面，在其外部還要用不良磁導(dǎo)體不銹鋼套進(jìn)行加固，其厚度大約在0.4mm左右；（2）利用矩形的稀土磁導(dǎo)體插到轉(zhuǎn)子的槽里，一般使用AB膠對軸向進(jìn)行固定；（3）利用環(huán)形的稀土磁鋼，將轉(zhuǎn)子充成四個(gè)磁極。在第一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，電機(jī)的氣隙磁場大約為1mm，后兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁場大約為0.5mm。釹鐵硼是最普遍的稀土永磁材料，具有強(qiáng)大的磁性、很高的磁能積以及優(yōu)良的矯頑力，通常選擇最高溫度高于120℃的型號(hào)。電機(jī)軸通常使用40Cr鋼采用無芯磨床進(jìn)行加工、沖筋，最終壓到轉(zhuǎn)子鐵芯中，和鐵芯內(nèi)孔實(shí)現(xiàn)過盈配合。在手持電動(dòng)工具的轉(zhuǎn)子中應(yīng)該安裝冷卻風(fēng)葉，其外徑和定子的外徑相同，應(yīng)用離心式風(fēng)葉[2]。

4 電動(dòng)工具中應(yīng)用無刷永磁電機(jī)的特性分析

4.1 機(jī)械特性

無刷永磁電機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)工具中的機(jī)械特性與電池電壓、每相繞組電阻、電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、每極氣隙磁通、電流值以及功率管的壓降有關(guān)系，其機(jī)械特性曲線總體呈現(xiàn)下降趨勢。無刷永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其負(fù)載成反比，針對沖擊電鉆一類的電動(dòng)工具，無刷永磁電機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能。擊電鉆的鉆頭直徑偏大，其電機(jī)的負(fù)載也較大，鉆頭的轉(zhuǎn)速偏低；擊電鉆的鉆頭直徑偏小，其電機(jī)的負(fù)載也較小，鉆頭的轉(zhuǎn)速比較高。針對切割機(jī)一類的對電機(jī)要求很高的電動(dòng)工具，需要電機(jī)的機(jī)械特性較硬，從而提高工具的工作效率。當(dāng)電機(jī)達(dá)到最大功率時(shí)，無刷永磁電機(jī)負(fù)載和空載的轉(zhuǎn)速之比大約是0.8，有刷永磁電機(jī)負(fù)載和空載的轉(zhuǎn)速之比大約是0.7，單相串激電機(jī)負(fù)載和空載的轉(zhuǎn)速之比大約是0.6，由此可見，在三種類型的電機(jī)中，無刷永磁電機(jī)具有更加適用于電動(dòng)工具的機(jī)械特性。

例如，派克EY系列永磁防爆無刷伺服電機(jī)適用于環(huán)境溫度為40℃～60℃，含易爆氣體和粉塵的Zone2/Zone22類工況環(huán)境，EY系列具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，出眾的加速、減速能力及在寬廣的速度范圍下的高轉(zhuǎn)矩輸出?？商峁└鞣N各樣的繞組類型及數(shù)目眾多的選項(xiàng)，極大增強(qiáng)了它的靈活性。EY系列的電機(jī)符合歐洲CE標(biāo)準(zhǔn)和國際安全標(biāo)準(zhǔn)IECEx，應(yīng)用在各種電動(dòng)工具中顯示出良好的機(jī)械特性。

4.2 效率特性

無刷永磁電機(jī)在啟動(dòng)以后，相應(yīng)的電動(dòng)工具的效率特性曲線會(huì)隨著轉(zhuǎn)矩的增而迅速上升，一直增加到將要接近額定運(yùn)行效率時(shí)，曲線呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，然后達(dá)到電機(jī)的最大效率點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)超過最大效率點(diǎn)后，電機(jī)的效率曲線就會(huì)緩慢的下降，一直到電機(jī)的最大輸出功率點(diǎn)后，該曲線迅速下降，此時(shí)的功率驅(qū)動(dòng)板以及定子繞組的溫度會(huì)急劇上升，電機(jī)在到達(dá)最大功率點(diǎn)之前，電機(jī)中控制線路板的保護(hù)線路起作用。無刷永磁電機(jī)最大工作效率可以達(dá)到0.9，有刷永磁電機(jī)最大工作效率可以達(dá)到0.7，單相串激電機(jī)最大工作效率可以達(dá)到0.6，有數(shù)據(jù)可以看出，無刷永磁電機(jī)具有高效、節(jié)能的巨大優(yōu)勢。同時(shí)，無刷永磁電機(jī)的最大工作效率點(diǎn)周圍的效率曲線相對比較平緩，由此可以推斷出，在無刷永磁電機(jī)的使用過程中，在最大效率點(diǎn)附近的運(yùn)行工況都可以保證很高的工作效率。對于直流電動(dòng)工具來說，可以適當(dāng)?shù)难娱L一次充電的工具使用時(shí)間，相當(dāng)于變相的提高了電動(dòng)工具大約20%的電池容量。

4.3 輸入和輸出功率特性

當(dāng)保證電機(jī)的每級(jí)氣隙磁通不變時(shí)，電機(jī)的電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)，其輸入功率的特性曲線與其電流的特性曲線的趨勢保持一致，整體上都呈現(xiàn)上升的狀態(tài)。電機(jī)輸出功率的特性曲線是一條基本呈對稱分布的拋物線，曲線的頂端對應(yīng)著電機(jī)的最大輸出功率，電機(jī)在曲線的右側(cè)運(yùn)行是不具有實(shí)際意義的，此時(shí)電機(jī)的輸出功率、工作效率都會(huì)直線下降，電機(jī)處在不正常的工作狀態(tài)，為了保證電機(jī)的高效率運(yùn)行以及使用過程中的安全性，應(yīng)該最大程度的避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)束語

綜上所述，在電動(dòng)工具中應(yīng)用無刷永磁電機(jī)可以有效提高電動(dòng)工具的機(jī)械特性、效率特性以及輸入和輸出功率特性。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的重視程度的提高，未來無刷永磁電機(jī)在電動(dòng)工具中的應(yīng)用必然會(huì)越來越廣泛，目前國內(nèi)的無刷永磁電機(jī)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到比較成熟的階段，未來的科研人員一定會(huì)挖掘到無刷永磁電機(jī)更多的潛在價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙白鴿.基于線反電勢估算的無刷直流電機(jī)無傳感器控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[2] 王道涵.新型磁通切換型磁阻電機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與控制研究[D].山東大學(xué)，2010.