无尉永磁电机在电动工具中的应用 吨动工其２０１３（１） 无刷永磁电机在电动工具中的应用 罗选强王典 （上海电动工具研究所上海２０００３１） 摘要简述电动工具用无刷永磁电机的结构、基本原理和性能曲线。认为在电池式工具中，使用无刷永 磁电机和锂电池；在交流工具中，使用高效率、长寿命无刷永磁电机，具有节能、环保的发展前景。 关键词无届０永磁电机电动工具应用 电动工具用的电机传统上是单相串激电机、 目前尽管无刷永磁电机价格较高，有的质 单相感应电机、有刷永磁电机。随着电机和电 量还不稳定，但是由于节能，环保和寿命等方 子技术的发展，目前无刷永磁电机已在直流 面具有有刷电机不可比拟的优越性，正以空前 （３６Ｖ以下）推式割草机、链锯、打草机、电钻、 的发展速度在电动工具行业普及。目前无刷永 冲击电钻、冲击扳手等电池式工具上应用，在 磁电机主要提供给电动工具的高端市场和专业 交流（１００～２４０Ｖ交流电压通过整流）角向磨 用户。 光机、电镐和电锤等产品上也开始推广试用。 ２ 电动工具用无刷永磁电机的结构和基 １ 电动工具用无刷永磁电机的优点 本原理 无刷永磁电机的结构是把装有稀土永磁体 电动工具多数采用定子六槽转子四极两相 的转子代替有刷永磁电机的定子 把具有三相 导通三相星形六状态的无刷永磁电机，少数用 绕组的定子代替有刷永磁电机的转子，用霍尔 外转子无刷永磁电机、九槽六极或十二槽八极 位置传感器和逆变器组成的电子换向的控制线 无刷永磁电机。 路和功率驱动板代替有刷永磁电机的换向器和 ２．１定子 电刷。相比传统的电机，在电动工具上使用无 目前定子铁芯外径有 ９０， ８０， ６０， 刷永磁电机具有如下优点： ５０， ４５， ４０。前两种铁芯冲片用在移动式 １）用电子换向代替机械换向，没有火花， 电动工具上，例如推式割草机；后四种用在手 给用户以安全感。 持式电动工具上。不同的铁芯外径和叠长，能 ２）因为在转子上没有换向器、电刷和绕组， 够满足不同功率、不同转速电动工具产品的需 转子是刚性结构，电机寿命长，可达ｌＯ００ｈ以上。 要。为了减小铁耗，电机转速高于ｌＯ０００ｒ／ｍｉｎ ３）电磁线用量少，绕组的铜耗少，又没有 的，由于铁芯的涡流损耗上升很快，定子的铁 机械换向损耗和短路电流，电机效率高，可达 芯一般用厚度为０．３５ｒａｍ的４７０矽钢片，由高 ８５～９０％ 速冲床叠制而成。定子的两端应像单相串激电 ４）没有碳粉的堆积，避免了因碳粉堆积而 机一样加绝缘端板。槽绝缘可用专用机器插入 引起的电压击穿。维护方便，安全性好。 绝缘纸，也可以用环氧融槽绝缘，或用成型的 ５）无刷永磁电机的噪声小，减少了电动工 塑料薄膜材料，插人定子铁芯内。用专用的绕 具使用时对环境的污染。 线机进行三相绕组的绕制。为了减少电磁噪声 ６）具有良好的宽幅调速和启动性能。 提高电机的效率和功率，可采用精致的整 ７）具有较高的单位重量功率比，可以减小 线，漆包线不重叠，不交叉，并使用专用的定 工具的尺寸和重量。 子滴漆机，进行绝缘处理，滴漆机使用伺服电 一１一 电动工其２０１３（１） 无嗣永磁屯机在电动工具中的应用 １）机械特性曲线： ＝厂 升的直线。 一２△ 一２ 一２△ ２ｒ 一——』 ４）输出功率特性曲线： ＝ Ｇ Ｃ１ Ｃｌ 只：厂ｆ ） Ｍｎ： Ｕ－２ＡＵ Ｍ一 Ｍ＝ｃ２ ‘ Ｃ１ Ｃ１Ｃ２ Ｕ－２ＡＵ输出功率曲线是一条接近对称的倒抛物线 ｎ ：＝————一—一Ｃ１ 三——ｃ２——￣ Ｍ～ ’ （图６中只有输出功率曲线的左一半），抛物线 式中 ｉｖ／一电机负载转速 的顶端是最大输出功率点，电机运行在抛物线 的右半边是没有实际意义的，输出功率和效率 一电机负载转矩 每相绕组电阻 都会下降。 一５）效率曲线： ＝．厂 一每极气隙磁通 —Ｔ，Ｐ 己，一电池电压 ７７＝ 。 ＝— ——一 ，一每相电流值 公式中ＺＰ是电机的总损耗，ＥＰ包括定子两 △ｕ一功率管的压降 ｃ 和ｃ２是常数，与极对数、极弧系数、 相绕组的铜耗、铁耗（涡流损耗和磁滞损耗， 高速时，以涡流损耗为主，随着转速的提高， 每相绕组的匝数等因素有关。 从公式上分析，机械特性是一条下降的曲 涡流损耗会增长很快）、功率管和其他电子器件 的损耗、轴承损耗、风叶等风磨耗。 线。 电机启动后，效率曲线随着转矩的增加 无刷永磁电机的转速——转矩特性本质上 是软机械特性，‘电机转速随着负载的增大而明 而迅速增加，快到额定运行时，缓慢上升，然 后达到最高效率点。试验电机的最大效率是 显的下降。对于电钻、冲击电钻等电动工具产品， 具有转速的自动调节功能。使用的钻头直径大， ８７．１６％，过了最大效率点以后，效率曲线缓慢 下降。到最高输出功率点后，效率曲线会明显 负载大，转速低；使用的钻头小，负载就小， 转速就高。对于角向磨光机、切割机等电动工具， 下降，定子相绕组和功率驱动板的温升会迅速 上升。电机在达到最大功率点前，控制线路板 要求电机的机械特性硬，提高工具的作业效率。 中的保护线路应起作用。 当电机达到最高效率时的电机负载转速与 无刷永磁电机的最大效率可达０．８５～０．９， 空载转速之比，无刷永磁电机是０．８～０．８５， 而有刷永磁电机是０．６～０．７５，单相串激电机 有刷永磁电机是０．７～０．７５，单相串激电机是 ０。５５～０．６５。相比之下，无刷永磁电机的机械 的效率是０．５５～０．７，很明显，无刷永磁电机 是高效、节能的。而且在最大效率点的周围曲 特性更适合于各类电动工具的使用。 线比较平坦，也就是说无刷永磁电机在使用时， 运行在最高效率点的附近都能保持很高的效率。 对于电池式工具来说，可以延长一次充电的使 当每极气隙磁通不变时，电流特性曲线是 用时间，相应的等于提高了电池的容量，约１５ ～一条上升的直线。 ２０％。 ３）输入功率特性曲线：Ｐ。＝ ４无刷永磁电机在电动工具产品中的应 用和发展展望 ： ： Ｃ２￣ 无刷永磁电机虽然已发展到相当成熟的阶 当每极气隙磁通不变，电压稳定时，输入 段，但是对于电动工具行业的习惯于使用单相 功率特性曲线和电流特性曲线一样，是一条上 （下转第１ ５页） 一４一 电动工具标准体系 可移式电动工具和园林工具的安全专用要求分 别制定在第２部分、第３部分、第４部分，从 而形成比较科学、完整、通用、统一的电动工 具安全标准系列标准。这是电动工具安全标准 实施３０年后，对电动工具安全标准体系的创新。 系列标准的结构和范围为： 国家标准《手持式、可移式电动工具和园 林工具的安全林工具的安全专用要求》 国家标准 手持式、可移式电动工具和园 林工具的安全专用要求 动工其２０１３（１） 障最终产品符合要求，防止产品带来伤亡、财 产损失的最有效手段。 系列标准的专用要求是指特定类型工具的 专门要求。专用要求的条款补充或修改通用要 求相应的条款和技术要求、试验方法和说明。 通用要求和专用要求的技术内容不仅考虑 了电动工具操作在预期使用工具中的潜在危险， 而且要防范在合理可预见使用条件下会遇到的 第１部分：通用要求 第２部分：手持式电动工具的 国家标准 手持式、可移式电动工具和园 由电动工具引发的危险。通用要求的标准和特 定类型工具的专用要求标准应结合在一起使用， 构成特定类型工具完整的产品安全标准。但是， 通用要求只要适用、应用合理，也可以用在各 专用部分未提及的特定类型工具和按新原理设 计的工具。因此，通用要求的技术内容要尽可 能考虑新技术的发展，以及尚未列入专用要求 第３部分：可移式电动工具的 ． 国家标准（（手持式、可移式电动工具和园 林工具的安全求 第４部分：园林工具的专用要 部分的产品和以新原理设计的各类电动工具。 如果特定类型工具的功能涉及多个专用部 系列标准的通用要求由手持式、可移式电 动工具和园林工具的安全通用特性要求的条款 组成。通过对手持式、可移式电动工具和园林 工具的安全特性要求进行提炼、概括、综合， 提升为共同（共性）的安全技术要求，并对共 分和特定产品，则各相应的专用部分分别适用 于各功能。 。 此外，手持式、可移式电动工具和园林工 具的安全标准中，还包括了由术语标准、图形 符号标准、检验方法标准、安全风险评估标准、 电磁兼容标准、外壳防护标准、安全功能部件 标准、电工材料标准和相关安全标准等形成的 基础、通用、方法标准。它们作为技术依据、 同安全要求进行具体化、量化，给出各类特定 类型产品的潜在危险，在设计阶段就必须采取 必要的预防措施，尤其在“内在”安全的设计。 研究由产品造成事故或伤亡案例，以技术设计 使产品在使用时不再需要防护措施或行动是保 （上接第４页） 技术支撑或配套，组成了安全标准的完整、协调、 统一，使其更科学、合理、适用。 串激电机、有刷永磁电机、感应电机等传统电机， 无刷永磁电机还是 种新型电机，它是多学科 磁场理论、机械、电子、检测等综合能力的工 程师。在电池式工具中，使用无刷永磁电机和 技术相结合的产物，它的驱动、控制是与电子 技术的发展密切相关的。对于不同类别、不同 功能的电动工具产品，选择什么类型的无刷永 磁电机，无论是开发研究、设计计算、制造工 锂电池；在交流电动工具中，使用高效率、长 寿命的无刷永磁电机，是具有发展潜力的节能、 环保的新技术。 参考文献： 【１】叶金虎．现代无刷直流永磁电动机的原理和设计．科 学出版社，２００７ 艺和设备、检测方法和测试仪器等方面，都有 很多工作要做。电动工具企业中，电机研发人 员面临着新技术的挑战，需要一批具有电机电 ［２］Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ（ＢＬＤＣ）Ｍｏｔｏｒ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ Ｐａｄｍａｒａｊａ Ｙｅｄａｍａｌｅ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ． 一】５一