簡介永磁無刷直流電機的原理及特點

劉志剛

（ 上海銳奇工具股份有限公司 上海 201612 ）

簡介永磁無刷直流電機的原理及特點

劉志剛

（ 上海銳奇工具股份有限公司 上海 201612 ）

介紹無刷直流電機在電動工具中的運用概況，對無刷電機相比有刷電機的特點、結構和控制原理進行分析，展望對電動工具應用新型電機的未來趨勢。

鋰電工具 無刷電機 電動工具 控制原理

0 引言

交流電機的歷史超過百年，自第一臺電動工具誕生起就開始使用交流電機作為動力。啟動力矩大、轉速高、功率密度高、工藝成熟、成本低廉等諸多優(yōu)點使得串勵電機在電動工具電機選用中占據統(tǒng)治地位多年。

隨著動力電池技術進步，特別是動力鋰電池技術的快速發(fā)展，無繩、強勁、小巧便攜的鋰電工具層出不窮，逐步擴大了其與傳統(tǒng)電動工具的市場占比。有專家預言：電動工具的未來在于鋰電等新能源工具；

1 概述

目前，直流電動工具大多以永磁直流電機驅動為主。電池壽命越來越長，而相對的永磁直流電機技術卻沒有大的突破，存在壽命短、體積大、效率不高等缺點制約著鋰電直流工具整體性能的提升。隨著電子功率器件快速發(fā)展以及無刷電機控制技術的深入普及，無刷控制器體積縮小、成本降低，結合無刷電機具有體積小、重量輕、效率高、壽命長等特點已在高端的工業(yè)級、專業(yè)級鋰電直流工具領域應用中展露鋒芒。

相比永磁直流電機發(fā)展一百多年的歷史，無刷直流電機的歷史只有短短幾十年。1955年美國首次申請用晶體管換相電路代替機械電刷的專利構建了無刷直流電動機的雛形。1962年，由T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固態(tài)換相直流電機”(DC Machine wilh Solìd State Commutalion)專利，標志著現(xiàn)代無刷電動機的真正誕生。

1.1原理控制

無刷直流電機由電機與電子驅動器兩部份構成，如圖1所示。

圖1 無刷電機及其控制原理

電動工具常用的無刷電機是內轉子電機。如圖2、圖3所示分別為整體式和分體式無刷直流電機，由鑲嵌永磁體的轉子、繞有多相電樞的定子以及轉子位置傳感器構成。

圖2 內轉子一體無刷直流電機

圖3 內轉子分體無刷直流電機

從無刷電機結構上看即是一個定轉子倒置的直流電機。直流電機的電樞繞組在轉子上，永磁體在定子上，通過電刷和換向器完成相繞組電流轉換。無刷直流電機相繞組的換向則借助于位置傳感器和電子控制器的功率開關來完成，如圖4所示。由于電子換向代替了機械換向，從而提高可靠性并節(jié)省機械換向器的空間。

圖4 相繞組換向

控制器控制電機相電流的大小和方向，相電流供電電流波形及其反電動勢波形是方波，和直流永磁電機相電流相同的，稱為無刷電機。相電流供電電流波形及其反電動勢波形是正弦波的，稱為正弦波同步電機。

無刷電機控制軟件是無刷電機性能的關鍵因素之一。采用電子換向相對永磁直流電機固定的機械換向而言存在很大的靈活性，可以根據電機磁路進行優(yōu)化。控制軟件的核心是根據轉子磁鋼位置控制定子繞組相電流大小和方向。圖5所示為有霍爾無刷直流電機的相電流控制時序，也有根據定子繞組反電動勢來判斷轉子磁鋼位置的無位置傳感器無刷電機，一般運用于負載變化不大的工具，如打草機等。

圖5 有霍爾無刷直流電機的相電流控制時序

1.2功能特點

控制器除了控制電機相電流換向外，出于保護電機、電池包和開關等角度，可增加電子調速、電子換向、電子剎車、電流保護、溫度保護、電壓保護等功能。

綜上所述，無刷直流電機存在如下特點：

1）類似直流電動機的運行特性，有較好的可控性、寬調速范圍。

2）需要轉子位置反饋信息和電子控制器換向。

3）本質上是交流電機，由于沒有電刷和換向器的火花、磨損問題，可工作于高速，可得到較高的可靠性，工作壽命長，無需經常維護。

4）功率因數(shù)高，轉子的磨損和發(fā)熱低，有較高的效率，有資料表明可達到90%以上的效率。

5）必須有電子控制部分，所以總成本比有刷直流電機高。

6）轉子磁性材料限制了電機使用溫度，不耐高溫。

2 展望

綜上，永磁無刷直流電機雖然優(yōu)點多而明顯，但在實際應用中也需要因地制宜。電動工具的種類眾多，工作環(huán)境、工況情況千差萬別。在大范圍的震動、功率、溫度等環(huán)境下，對無刷電機的使用是一種考驗。另外，由于使用的是永磁材料，必須注意在有大量鐵屑的場所應避免使用。

隨著電子技術以及電機控制技術的發(fā)展，開關磁阻電機、感應變頻電機等也逐步在交流專業(yè)工具領域出現(xiàn)。運用此類電機的電動工具所具備的高效率、長壽命、耐高溫、耐過載、耐振動等特點，將會隨著其制造成本的不斷降低，逐步從專業(yè)的高端工具走向面向大眾的家庭用電動工具。

[1]張深.直流元刷電動饑原理及應用[M].北京：北京機械工業(yè)出版社，2004.

[2]葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動機的原理和設計[M].北京：北京科學出版社，2009.

[3]夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)[M].北京：北京科學出版社，2009.

Brief in Principle and Feature of Permanent Magnetic Brushless DC Motor

Liu Zhigang
( Shanghai Ken Tools Co., Ltd., Shanghai 201612, China )

Introduce the brushless DC motor used in power tools, analyze the characteristics, structures and control principles of brushless motor compared with brush motor, looking forward to the future trend of the new motor for power tools applications.

Lithium power tools Brushless motor Power tools Control principle

TM930.1文獻標示碼A

1674-2796（2014）-05-0004-03

2014-08-10

劉志剛（1976—），男，大學，工程師，主要從事電動工具測試與產品規(guī)劃等工作。