淺談無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)工具中的應(yīng)用

孫超英

（ 博世電動(dòng)工具（中國(guó)）有限公司，杭州 310052 ）

淺談無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)工具中的應(yīng)用

孫超英

（ 博世電動(dòng)工具（中國(guó)）有限公司，杭州 310052 ）

介紹電動(dòng)工具制造企業(yè)應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)的大致情況，從結(jié)構(gòu)和原理上對(duì)比電動(dòng)工具用無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的技術(shù)性差異，結(jié)合無(wú)刷直流電機(jī)相比有刷直流電機(jī)的顯著優(yōu)缺點(diǎn)，從企業(yè)制造成本、質(zhì)量控制角度提出了電動(dòng)工具用電機(jī)選用無(wú)刷直流或有刷直流的建議方向。

電動(dòng)工具 無(wú)刷直流電機(jī) 有刷直流電機(jī)

0 引言

隨著鋰離子電池技術(shù)的普及，充電式電動(dòng)工具的市場(chǎng)需求在過(guò)去的十年里急速上升。在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)相對(duì)發(fā)達(dá)的歐洲與北美市場(chǎng)，充電式無(wú)繩電動(dòng)工具的銷量已趕超傳統(tǒng)的有繩電動(dòng)工具。在發(fā)展中的亞太、拉美市場(chǎng)，充電式電動(dòng)工具產(chǎn)品的增長(zhǎng)率也遠(yuǎn)高于有繩電動(dòng)工具。研發(fā)與生產(chǎn)充電式電動(dòng)工具，已成為各品牌電動(dòng)工具公司搶占市場(chǎng)份額的法寶之一。

傳統(tǒng)的充電式電動(dòng)工具采用的是普通有刷直流電機(jī)，缺點(diǎn)是電磁干擾大、噪音大、電機(jī)壽命短、電機(jī)效率低、單位電池容量可供的作業(yè)時(shí)間短。為了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，無(wú)刷直流電機(jī)正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于新一代充電式電動(dòng)工具。

1 概述

在上世紀(jì)60年代，工業(yè)制造公司首次使用無(wú)刷電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)輸送帶。2003年，無(wú)刷電機(jī)首次應(yīng)用于某電動(dòng)工具公司的裝配生產(chǎn)線。2009年，第一款使用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)工具上市（三檔可調(diào)速?zèng)_擊鉆）。

目前，應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)的電動(dòng)工具主要集中在電動(dòng)螺絲刀、電鉆、沖擊鉆等三類產(chǎn)品中。相信很快我們就會(huì)看到無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)工具行業(yè)展開(kāi)更廣泛的應(yīng)用。

1.1無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理對(duì)比

1）有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)由碳刷、定子（永磁磁環(huán)）、轉(zhuǎn)子以及換向器等四部分組成。其中，碳刷與定子固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)子與換向器可在定子圈內(nèi)以轉(zhuǎn)子軸為軸心旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。

有刷直流電機(jī)的工作原理：通電后，電池包的電流經(jīng)碳刷，通過(guò)換向器流入轉(zhuǎn)子的線圈。轉(zhuǎn)子上的線圈通電后因定子磁場(chǎng)的影響而轉(zhuǎn)動(dòng)，定子磁環(huán)和碳刷不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器和靜止的電刷在機(jī)械接觸下做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，致使轉(zhuǎn)子線圈的電流方向交替變化，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子不停旋轉(zhuǎn)。

圖1 有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

2) 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子（永磁）以及控制電板等三部分組成。與有刷電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)缺少了換向器與碳刷，增加了控制電路板及位置傳感器，永磁體從定子移到了轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子繞線轉(zhuǎn)換成了定子繞線。與有刷電機(jī)相同的是，無(wú)刷電機(jī)的定子也是固定不動(dòng)的，轉(zhuǎn)子可在定子圈內(nèi)以轉(zhuǎn)子軸為軸心旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是由電子換向代替碳刷與換向器的機(jī)械換向，依靠改變輸入到無(wú)刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

無(wú)刷電機(jī)的定子繞組多為三相對(duì)稱星形接法，與三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有已充磁的永磁體，位置傳感器（可集成在控制電板上）通過(guò)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極性來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)子位置，將轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)傳達(dá)給控制電板?？刂齐姲逯饕晒β孰娮悠骷图呻娐返葮?gòu)成，其功能是接受各種信號(hào)并按內(nèi)置的編碼識(shí)別、計(jì)算、判斷并執(zhí)行。包括：接受電機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。轉(zhuǎn)子上磁極的材料有許多不同的選擇，稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)、轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

無(wú)刷直流電機(jī)因?yàn)榫邆溆兴⒅绷麟姍C(jī)的特性，同時(shí)也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國(guó)際通用名詞為BLDC。無(wú)刷電機(jī)電氣原理如圖3所示。

圖3 無(wú)刷直流電機(jī)電氣原理圖

2 無(wú)刷電機(jī)對(duì)比有刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1）電機(jī)壽命長(zhǎng)，維護(hù)少。

普通有刷電機(jī)由于碳刷與換向器的機(jī)械磨擦，電機(jī)發(fā)熱較高。電機(jī)過(guò)熱而造成的燒毀是常見(jiàn)失效模式之一。另一方面，碳刷磨損限制工具的使用壽命，且更換碳刷費(fèi)時(shí)費(fèi)力。無(wú)刷電機(jī)由電子換向替代了機(jī)械換向，發(fā)熱少，無(wú)碳刷；極大地提高了電機(jī)的壽命，減少了電機(jī)的維護(hù)。

2）電機(jī)效率高。在相同的電池容量下，若所需輸出功率一致，無(wú)刷電機(jī)的作業(yè)時(shí)間更久。

從無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)分析，無(wú)刷電機(jī)采用電流波交變換向，避免了換向器與碳刷的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與磨擦，從而減少了發(fā)熱、噪音及電能損耗。從另一方面，無(wú)刷電機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的重量低于有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低于有刷電機(jī)，進(jìn)一步降低損耗，優(yōu)化電機(jī)性能，提高電機(jī)效率。

普通有刷電機(jī)的最高電機(jī)效率一般在70%左右，而無(wú)刷電機(jī)的最高電機(jī)效率可達(dá)80%以上。

3）同樣體積的電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)功率更大。

4）外形尺寸更緊湊，有利于整機(jī)的便攜性。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以自控式運(yùn)行，區(qū)別于變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)中轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，負(fù)載突變時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步。中小容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體在采用高磁能積的稀土釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料后，體積比普通的有刷電機(jī)縮小了一個(gè)機(jī)座號(hào)。從而使電動(dòng)工具的設(shè)計(jì)更緊湊。

5）電機(jī)發(fā)熱量少。

6）低噪音。

7) 更寬的速度范圍。

8) 更精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)工具多功能設(shè)計(jì)。

無(wú)刷電機(jī)的控制電板及位置傳感器能夠精確測(cè)知轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速及扭矩，不僅實(shí)現(xiàn)電機(jī)的基本功能，還有助實(shí)現(xiàn)電動(dòng)工具的多功能設(shè)計(jì)。

2.2無(wú)刷電機(jī)的缺點(diǎn)

1)價(jià)格高。無(wú)刷電機(jī)的制造和設(shè)計(jì)成本均高于有刷電機(jī)。

從上述結(jié)構(gòu)圖中可見(jiàn)，無(wú)刷電機(jī)雖比有刷電機(jī)省去了碳刷與換向器，但增加了控制電板及位置傳感器?？刂齐姲寮拔恢脗鞲衅魉璧脑骷r(jià)格遠(yuǎn)高于碳刷與換向器。另外，控制電板及位置傳感器需配套相對(duì)較強(qiáng)的電子設(shè)計(jì)技術(shù)及測(cè)試、調(diào)試設(shè)備，且實(shí)際生產(chǎn)中也需配備特殊的無(wú)刷電機(jī)功能測(cè)試設(shè)備來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品產(chǎn)線的質(zhì)量控制。

2)復(fù)雜。無(wú)刷電機(jī)的復(fù)雜之處在于控制電板及位置傳感器的制造與設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)，也是需要重點(diǎn)考慮的。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)刷直流電機(jī)或有刷直流電機(jī)的選擇并沒(méi)有現(xiàn)成的公式，應(yīng)根據(jù)電動(dòng)工具的市場(chǎng)定位、價(jià)格定位、使用場(chǎng)所、使用頻率、過(guò)載情況、尺寸和重量要求等各自的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。如針對(duì)使用頻率不高、作業(yè)時(shí)間較短的家用普通型電動(dòng)工具，建議選用有刷直流電機(jī)。針對(duì)需長(zhǎng)時(shí)間或頻繁使用，以及作業(yè)環(huán)境較為苛刻的專業(yè)或工業(yè)用電動(dòng)工具，可選用無(wú)刷直流電機(jī)，使其充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，做到物盡其用。

[1]劉剛，王志強(qiáng)，房建成等.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用[M]：北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

On the Application of Brushless DC Motor in Power Tools

Sun Chaoying
(Bosch Power Tools (China) Co., Ltd., Hangzhou 310052, China)

Make a general introduction to brushless DC motor application of power tools manufacturers, compare the technical difference between brushless DC motor and brush DC motor in powers tools from the structures and principles, combining with the significant advantages and disadvantages of brushless DC motor brushless compared with brush DC motor, to give advice of selection of brushless DC motor or brush DC motor in power tools motor from the cost of manufacturing and quality control.

Power tools Brushless DC motor Brush DC motor

TM08

A

1674-2796(2014)05-0001-03

2014-08-06

孫超英（1961—）女，大學(xué)，工程師，主要從事制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理工作。