電動工具性能曲線的分析

呂鳳吹羅選強王 典

（1. 浙江恒泰皇冠園林工具有限公司 浙江金華 321000 2. 上海電動工具研究所 上海 200031 ）

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電動工具性能曲線的分析

呂鳳吹1羅選強2王 典2

（1. 浙江恒泰皇冠園林工具有限公司 浙江金華 321000 2. 上海電動工具研究所 上海 200031 ）

以使用單相串激電機的電動工具負載特性曲線圖為例，研究在額定電壓下，以輸出轉(zhuǎn)矩為自變量，轉(zhuǎn)速、效率、功率因數(shù)、輸出功率、輸入電流、輸入功率等六個參數(shù)的變化規(guī)律。

特性曲線 額定輸入功率點 最大效率點 最大輸出功率點

0 引言

在評估一臺電動工具的品質(zhì)時，除參閱溫升檢測報告和壽命試驗數(shù)據(jù)外，還應(yīng)對電動工具的性能曲線進行全面分析。根據(jù)分析的結(jié)果，作出改進、完善和優(yōu)化，特別是改進電機設(shè)計，從而進一步提高產(chǎn)品性能。

電動工具工作時，其負載并不固定在額定點上，而是需要經(jīng)過起動——負載——過載——堵轉(zhuǎn)——停機的周期和重復(fù)。電動工具性能曲線完整地描述了在額定電壓下，以輸出轉(zhuǎn)矩為自變量，轉(zhuǎn)速、效率、功率因數(shù)、輸出功率、輸入電流、輸入功率等六個參數(shù)的變化規(guī)律。

常用的電動工具可采用串激電機、永磁電機或無刷電機。電動工具的性能曲線很大程度上反應(yīng)了電機性能，無論采用何種電機，都應(yīng)有相應(yīng)的電動工具性能曲線檢測報告。本文主要以使用單相串激電機的電動工具為例作分析。

1 概述

電動工具電機負載特性曲線如圖1所示。圖中描述了額定電壓230 V，額定輸入功率2 600 W、Ф230 mm角磨機的性能曲線。

檢測時，應(yīng)使測功機空載起動1 min，待轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)定后，選擇合適的步距，測試的范圍應(yīng)盡可能大。

1.1機械特性曲線

機械特性曲線n = f (M)

圖1 電動工具電機負載特性曲線

單相串激電機的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩機械特性本質(zhì)上是軟特性，電機轉(zhuǎn)速隨著負載的增加而明顯下降，電源頻率的變化對轉(zhuǎn)速的影響不大。這種軟特性對某些電動工具恰好起到轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)作用，如：電鉆在鉆大孔時施加軸向力大，轉(zhuǎn)速低；鉆小孔時施加軸向力小，轉(zhuǎn)速高。對于砂磨類、切割類和園林類工具，為了降低空載噪音，改善火花，減小空載損耗，應(yīng)降低空載轉(zhuǎn)速。為了提高作業(yè)效率，要求升高負載轉(zhuǎn)速，即提高機械特性系數(shù)。機械特性系數(shù)為

式中 n0—空載轉(zhuǎn)速

nH—額定輸入功率時的負載轉(zhuǎn)速

機械特性系數(shù)i一般為0.55～0.75。對于功率較小的電動工具，或如電木銑，電磨，直磨等由電機直接拖動工作頭工作的工具，機械特性曲線較軟；對于功率較大的電動工具，或如傳動比較大的產(chǎn)品，機械特性曲線較硬。對于泵類產(chǎn)品（例如：清洗機、空壓機）應(yīng)注意電機機械特性和負載機械特性交點的穩(wěn)定性，不造成失速現(xiàn)象。

提高特性系數(shù)的方法如下：

1）增加電機的定轉(zhuǎn)子安匝比，根據(jù)公式

式中 Ce—電機常數(shù)

U—輸入電壓

N—轉(zhuǎn)子總導(dǎo)線數(shù)

定轉(zhuǎn)子安匝比增加，增加了定子的激磁和電機的空載磁通量，降低了空載轉(zhuǎn)速。

定轉(zhuǎn)子安匝比為

式中 W1—定子每極匝數(shù)

Z—轉(zhuǎn)子總槽數(shù)

W2—轉(zhuǎn)子每個線圈元件匝數(shù)

根據(jù)不同的電動工具產(chǎn)品，定轉(zhuǎn)子安匝比一般為1.1～1.5。定轉(zhuǎn)子安匝比增大，機械特性系數(shù)提高，同時改善了換向火花，但電機的效率會下降。

2）把電機技術(shù)和電子技術(shù)有效結(jié)合，通過電壓反饋（電流反饋、速度反饋）可以人為地根據(jù)產(chǎn)品需要調(diào)整負載轉(zhuǎn)速和空載轉(zhuǎn)速。甚至于可以實現(xiàn)i=1的恒轉(zhuǎn)速產(chǎn)品。通常取0.7倍的額定電壓空載運行，隨著負載的增加，在接近額定功率時全電壓運行。

3）在設(shè)計和制造的過程中，可采用多種方法增加機械特性系數(shù)。在空載轉(zhuǎn)速較高時，采用葉片較多的風(fēng)葉，設(shè)計良好的風(fēng)路，增加冷卻風(fēng)的風(fēng)壓和風(fēng)量。在電動工具的機械傳動結(jié)構(gòu)中，設(shè)計速比較大的產(chǎn)品。電機制造采用優(yōu)質(zhì)的矽鋼片，增加矽鋼片的最大磁通。采用鐵芯和功率較大的電機。

4）采用高壓永磁無刷電機，機械特性系數(shù)可以達到0.8以上。

1.2效率曲線

效率曲線η=F(M)

式中 P2—輸出功率

P1—輸入功率

ΣP—總損耗

按損耗的大小順序，主要包括：銅耗、風(fēng)磨耗、軸承和機械傳動損耗、鐵耗、換向損耗和內(nèi)接電路損耗等。

在起動后輕載的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)速高，主要是風(fēng)磨耗、軸承和機械傳動損耗，效率較低。隨著轉(zhuǎn)矩的增加，轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)磨耗、軸承和機械傳動損耗下降，效率快速上升，在接近額定點時效率增加放緩，直至最大值，然后緩慢下降。如轉(zhuǎn)矩和電流繼續(xù)增加，則因銅耗和鐵耗的快速增加，在達到最大輸出功率后，大部分增加的輸入功率都轉(zhuǎn)換成損耗，使效率急劇下降。堵轉(zhuǎn)時效率為零。

1）額定輸入功率時的效率一般為45%～70%，最大效率ηmax一般為55%～75%，額定輸出功率的效率點應(yīng)在最大效率點的左邊區(qū)域。在電動工具超過額定功率工作時，效率不會下降，過載能力強。有些專業(yè)類的電動工具其額定功率的效率離最大效率點較遠，經(jīng)濟類的電動工具其額定功率的效率點離最大效率點較近，過載能力不強，過載后很容易越過最大效率點，運行在效率快速下降的區(qū)域，導(dǎo)致電機溫升急劇上升。

2）最大輸出功率時的效率點應(yīng)在效率曲線最大效率點的右邊，如果相差太遠說明電機沒有被優(yōu)化利用，浪費了原材料。

3）電動工具最常用的工作范圍是0.8～1.2倍額定輸入功率的區(qū)域，而效率的范圍為ηmax～（ηmax-10%）。因此，效率曲線在達到最大值后，曲線應(yīng)緩慢下降。在效率曲線上，人們關(guān)注的是標(biāo)稱輸入功率時的效率值、最大效率值、最大輸出功率時的效率值。

4）永磁電機的效率較高，最大效率ηmax可達80%，無刷永磁電機系統(tǒng)最大效率ηmax可達90%，主要原因是因為這兩種電機的用銅量少，電機的主要損耗—銅耗下降。

提高電動工具的效率和相應(yīng)的輸出功率，對提高作業(yè)的速度和降低能耗具有重要意義。必須改變目前一些產(chǎn)品片面追求增加輸入功率，而不考慮效率的現(xiàn)象。

如效率值的檢測結(jié)果不理想，可采用以下措施：

1）對電機的沖片進行優(yōu)化設(shè)計，控制電機的用銅量。采用有限元素法對電機的磁路進行模擬和精確的計算。

2）合理選擇風(fēng)扇的形式、外徑、葉片數(shù)、寬度和曲率，提高有效的冷卻風(fēng)量，減少無效的冷卻風(fēng)量，降低風(fēng)阻。

3）對于多級變速或有往復(fù)機構(gòu)的電動工具，減少齒輪、軸承和傳動機構(gòu)的損耗，提高機構(gòu)的裝配精度。

4）完善電刷和換向器的配對試驗，提高換向器的精車質(zhì)量，減少換向損耗。

5）采用高壓高速永磁稀土無刷電機。

1.3功率因數(shù)曲線

功率因數(shù)為

式中 U—輸入端電壓

I—輸入電流

Ur—輸入端電壓的有功分量

Ux—輸入端電壓的無功分量

隨著電流和輸出轉(zhuǎn)矩的增加，電機的磁通密度與電抗和漏抗增加，輸入端電壓的無功分量增加，功率因數(shù)略微下降。

1.3.1 無功分量的大小和電機的電感有關(guān)

電機的鐵芯尺寸越大，電感量也越大，輸入端電壓的無功分量也大。Φ80、Φ90及以上規(guī)格的沖片功率因數(shù)為0.90～0.94；Φ72的沖片功率為0.94～0.95；Φ65、Φ58.5及以下規(guī)格的沖片功率因數(shù)為0.95～0.96。

1.3.2 無功分量的大小和電機的漏抗有關(guān)

如果功率因數(shù)異常低，應(yīng)考慮電機的漏磁和電氣氣隙是否太大。

1）轉(zhuǎn)子繞線機沒有調(diào)整好，使得轉(zhuǎn)子繞組端部過高，造成轉(zhuǎn)子漏抗大。如采用分槽繞法，可以有效降低繞組端部的高度。

2）定子繞線機未調(diào)整好，使得定子繞組端部過長。有的定子采用了淺槽，定子槽滿率過高，部分繞組位于極身外，定子繞組沒有下到槽底，造成定子漏抗大。

3）定轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計過飽和使得電機的漏磁和漏抗大。定轉(zhuǎn)子繞組的端部和電機的漏磁都不產(chǎn)生有效功率，因此，在電機的設(shè)計和制造時應(yīng)盡量減小，可降低用銅量，并對提高電機的功率因數(shù)和效率，提高供電電網(wǎng)的利用率具有重要的意義。

1.4輸出功率曲線

輸出功率曲線P2=F(M)

輸出功率為

式中 n—輸出轉(zhuǎn)矩

M—轉(zhuǎn)速

隨著轉(zhuǎn)矩的增大，輸出功率也增加，由于轉(zhuǎn)速以接近雙曲線的速率下降，因此，輸出轉(zhuǎn)矩的增速大于輸出功率的增加，輸出功率曲線是一條向上彎曲的曲線。對于用單相串激電機的電動工具，受測功機轉(zhuǎn)矩的限制，往往測不到完整的曲線，但是，曲線一定要過最大輸出功率點。最大輸出功率代表了電動工具做功的最大能力。

人們關(guān)注的是標(biāo)稱輸入功率時的輸出功率和轉(zhuǎn)矩，最大效率時的輸出功率和轉(zhuǎn)矩，最大輸出功率值和轉(zhuǎn)矩，做溫升檢測和壽命試驗時往往以這些數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的。我們在做實用性作業(yè)時超出最大輸出功率點是無意義的。

1.5輸入電流曲線

輸入電流曲線I=F(M)

輸入電流為

式中 CM—電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)

Φ—主磁通量

電流較小時，磁通沒有飽和，電流和磁通成正比，也就是說電流曲線的開始部分應(yīng)是拋物線。隨著電流增加，磁通趨于飽和，Φ為常數(shù)，輸入電流和轉(zhuǎn)矩成正比，電流曲線為一直線。由于輕載時風(fēng)磨耗和電機的機械損耗較大，產(chǎn)生了附加轉(zhuǎn)矩。因此，如果電機設(shè)計時磁路較飽和，往往測不到拋物線部分。

1.6輸入功率曲線

輸入功率曲線P1=F(M)

輸入功率為

電動工具性能曲線測定的精度受測試手段和隨機因素的影響，往往不是一組平滑的曲線，應(yīng)通過測功機內(nèi)部的程序模擬成平滑曲線，可以起到消除誤差和相互補償?shù)淖饔谩?/p>

Analysis of the Electric Tool Performance Curve

Lv Fengchui1Luo Xuanqiang2Wang Dian2
(Zhejiang Hengtai Crown Garden Tools Co., Ltd., Jinhua 321000, China Shanghai Electric Tool Research Institute, Shanghai 200031, China)

By single-phrase series motor electric tool load characteristic curve drawing, at the rated voltage, by the output torque variation as the independent variable, research the change regulation of the six parameters including speed, efficiency, power factor, output power, input current.

Characteristic curve Rated input power point Maximum efficiency point Maximum output power point

2 測試結(jié)果根據(jù)額定電壓為230 V，額定輸入功率2 600 W、Ф230 mm角磨機的性能曲線和相關(guān)的公式，計算和測試的結(jié)果如表1所示：

TM302

A

1674-2796（2014）02-0001-04

2014-02-12

呂鳳吹（1967—），女，本科，工程師，主要從事電動工具技術(shù)研發(fā)和企業(yè)管理工作。