无刷永磁电机在电动工具中的应用分析

曹刘阳

摘 要：随着电机技术的飞速发展，无刷永磁电机以其自身的众多优点逐渐取代了有刷永磁电机应用在许多电动工具中。基于此，本文在分析无刷永磁电机优势、无刷永磁电机的结构和基本原理的基础上，对电动工具中应用无刷永磁电机的机械特性、效率特性、输入和输出功率特性进行了深入的分析和研究。

关键词：无刷永磁电机；电动工具；控制电路板

1 引言

电动工具应用的传统电机主要是单相感应电机以及有刷永磁电机，随着电子技术的迅猛发展，目前无刷永磁机已经在许多直流电动工具中得到应用，并在部分交流电动工具中进行尝试推广。虽然目前无刷永磁电机的价格十分高昂，但是其在节能、环保和使用寿命方面的优势具有巨大的潜力。因此，无刷永磁电机在电动工具中的应用值得学者进行深入的研究。

2 无刷永磁电机的优势

无刷永磁电机就是用具有稀土永磁体的转子和装有三相绕组的定子代替有刷永磁电机的转子和定子，用由霍尔位置传感器以及逆变器构成的电子换向控制线路以及功率驱动板，替换有刷永磁电机的电子换向器以及电刷。与传统的有刷永磁电机相比，无刷永磁电机在电动工具中的使用具有以下几方面的优势。

（1）把传统的机械换向变成电子换向，避免在换向过程中出现火花，降低了电火花对无线遥控设备的干扰，提高使用的安全性；（2）无刷永磁电机的转子是刚性结构，其结构上没有绕组、换向器以及电刷，在很大程度上延长了电机的使用寿命，通常是有刷永磁电机使用寿命的10倍以上，可以达到10000小时以上；（3）无刷永磁电机没有机械换向产生的损耗，电磁线和绕组的铜用量都很少，没有短路电流，因此，其电机的工作效率相当高，可以达到90%左右；（4）无刷永磁电机由于工作过程没有碳粉的积累，所以不必担心由于碳粉堆积而导致的电压击穿现象的发生，使得电动工具维护更加方便，基本不需要进行过多的日常维护，安全性更好；（5）工作时产生较小的噪声，减少了环境污染；（6）无刷永动磁电机拥有良好的启动以及宽幅调速性能；（7）单位重量功率比很好，有效的减小了电动工具的重量和尺寸。

3 无刷永磁电机的结构和基本原理

3.1 定子

目前我国定子铁芯的外径级别主要有90mm、80mm、60mm、50mm、45mm、40mm。其中90mm、80mm的定子铁芯主要应用在推式割草机等移动的电动工具上；后面四种大多应用在手持电动工具中。铁芯外径的尺寸不同可以满足电动工具不同功率和转速的需求。电动机的铁芯损耗是一种恒定损耗，为了减少这种恒定损耗，电机的转速应该在10000r/min以上，为了减少铁芯上升很快的涡流损耗，定子一般使用0.35mm厚度由高速冲床制成的470矽钢片铁芯，其两端加固绝缘板。为了达到减少噪声、提高电机功率的目的，可以采用整列排线，保证不重叠、不交叉的原則，同时应用专业的滴漆级对其进行绝缘处理[1]。

3.2 转子

转子的铁芯和定子的铁芯都是由高速冲床制成的，转子的结构可以分成三种：（1）利用扇形的稀土永磁体紧贴在转子表面，在其外部还要用不良磁导体不锈钢套进行加固，其厚度大约在0.4mm左右；（2）利用矩形的稀土磁导体插到转子的槽里，一般使用AB胶对轴向进行固定；（3）利用环形的稀土磁钢，将转子充成四个磁极。在第一种转子结构中，电机的气隙磁场大约为1mm，后两种转子结构的气隙磁场大约为0.5mm。钕铁硼是最普遍的稀土永磁材料，具有强大的磁性、很高的磁能积以及优良的矫顽力，通常选择最高温度高于120℃的型号。电机轴通常使用40Cr钢采用无芯磨床进行加工、冲筋，最终压到转子铁芯中，和铁芯内孔实现过盈配合。在手持电动工具的转子中应该安装冷却风叶，其外径和定子的外径相同，应用离心式风叶[2]。

4 电动工具中应用无刷永磁电机的特性分析

4.1 机械特性

无刷永磁电机应用在电动工具中的机械特性与电池电压、每相绕组电阻、电机的负载转速和转矩、每极气隙磁通、电流值以及功率管的压降有关系，其机械特性曲线总体呈现下降趋势。无刷永磁电机的转速与其负载成反比，针对冲击电钻一类的电动工具，无刷永磁电机具有良好的转速调节功能。击电钻的钻头直径偏大，其电机的负载也较大，钻头的转速偏低；击电钻的钻头直径偏小，其电机的负载也较小，钻头的转速比较高。针对切割机一类的对电机要求很高的电动工具，需要电机的机械特性较硬，从而提高工具的工作效率。当电机达到最大功率时，无刷永磁电机负载和空载的转速之比大约是0.8，有刷永磁电机负载和空载的转速之比大约是0.7，单相串激电机负载和空载的转速之比大约是0.6，由此可见，在三种类型的电机中，无刷永磁电机具有更加适用于电动工具的机械特性。

例如，派克EY系列永磁防爆无刷伺服电机适用于环境温度为40℃～60℃，含易爆气体和粉尘的Zone2/Zone22类工况环境，EY系列具有优异的动态性能，出众的加速、减速能力及在宽广的速度范围下的高转矩输出。可提供各种各样的绕组类型及数目众多的选项，极大增强了它的灵活性。EY系列的电机符合欧洲CE标准和国际安全标准IECEx，应用在各种电动工具中显示出良好的机械特性。

4.2 效率特性

无刷永磁电机在启动以后，相应的电动工具的效率特性曲线会随着转矩的增而迅速上升，一直增加到将要接近额定运行效率时，曲线呈现缓慢上升的趋势，然后达到电机的最大效率点，当电机超过最大效率点后，电机的效率曲线就会缓慢的下降，一直到电机的最大输出功率点后，该曲线迅速下降，此时的功率驱动板以及定子绕组的温度会急剧上升，电机在到达最大功率点之前，电机中控制线路板的保护线路起作用。无刷永磁电机最大工作效率可以达到0.9，有刷永磁电机最大工作效率可以达到0.7，单相串激电机最大工作效率可以达到0.6，有数据可以看出，无刷永磁电机具有高效、节能的巨大优势。同时，无刷永磁电机的最大工作效率点周围的效率曲线相对比较平缓，由此可以推断出，在无刷永磁电机的使用过程中，在最大效率点附近的运行工况都可以保证很高的工作效率。对于直流电动工具来说，可以适当的延长一次充电的工具使用时间，相当于变相的提高了电动工具大约20%的电池容量。

4.3 输入和输出功率特性

当保证电机的每级气隙磁通不变时，电机的电压保持稳定状态，其输入功率的特性曲线与其电流的特性曲线的趋势保持一致，整体上都呈现上升的状态。电机输出功率的特性曲线是一条基本呈对称分布的抛物线，曲线的顶端对应着电机的最大输出功率，电机在曲线的右侧运行是不具有实际意义的，此时电机的输出功率、工作效率都会直线下降，电机处在不正常的工作状态，为了保证电机的高效率运行以及使用过程中的安全性，应该最大程度的避免这种现象的发生。

5 结束语

综上所述，在电动工具中应用无刷永磁电机可以有效提高电动工具的机械特性、效率特性以及输入和输出功率特性。随着国家对环境保护的重视程度的提高，未来无刷永磁电机在电动工具中的应用必然会越来越广泛，目前国内的无刷永磁电机技术已经进入到比较成熟的阶段，未来的科研人员一定会挖掘到无刷永磁电机更多的潜在价值。

参考文献：

[1] 赵白鸽.基于线反电势估算的无刷直流电机无传感器控制方法研究[D].哈尔滨工业大学，2017.

[2] 王道涵.新型磁通切换型磁阻电机系统的分析、设计与控制研究[D].山东大学，2010.