無刷電機在變載荷電動工具的設計及選用

錢志存，杜 平，李忠鵬

（TTI創(chuàng)科實業(yè)有限公司， 廣東 東莞 523960）

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無刷電機在變載荷電動工具的設計及選用

錢志存，杜 平，李忠鵬

（TTI創(chuàng)科實業(yè)有限公司， 廣東 東莞 523960）

摘要：通過對某工具的載荷變化，引入無刷電機在變載荷工具的設計和選取，結合仿真和樣機實測數(shù)據(jù)進行驗證得出結論，選用的無刷電機在變載荷工具的實際使用中偏差不大。

關鍵詞：無刷電機；變載荷；電動工具；仿真

0 引言

直流無刷電機在醫(yī)療器械、家用電器以及電動工具領域的應用越來越廣泛，因其壽命、體積、效率、噪聲、無火花等多方面的優(yōu)勢逐漸得到了市場和用戶的認可，越來越多的應用轉而由無刷電機系統(tǒng)取代有刷或異步電機系統(tǒng)，尤其是在電動工具領域。如何設計及選用無刷電機成為行業(yè)共性技術的關鍵所在。

1 概述

一般而言，客戶的需求基于一個BENCHMARK主機，即有樣機的特性可以參考，包括電機的性能曲線、電源電壓及頻率或電池容量、高低速的齒輪比等參數(shù)，以表1為例，列出了某BENCHMARK主機參數(shù)：

表1　某BENCHMARK主機參數(shù)

要得到這樣的主機，首先分析對于電機本體，其高速檔空載轉速以及堵轉扭矩，經(jīng)過初步計算可以得到空載轉速為23 800 r/min，堵轉扭矩為1.99 N·m。

通過以上兩個參數(shù)和BENCHMARK主機上電機的外形尺寸，可以得到基本的需求，對于啟動時間，可以得到控制器是否設置軟啟動方面的信息。

2 電機設計

獨立的談電機設計是較為復雜的課題，這里主要針對該種應用的概括性討論。

首先，基座號的選擇。從BENCHMARK主機的尺寸及客戶ID對電機要求可以得到初步的電機尺寸，當然通過A×B∝P也可以得到電機的基本尺寸（A為電機的電負荷，B為電機的磁負荷），這里不具體闡述，主要討論內(nèi)轉子電機。

其次，電機極槽配合的選擇。通過尺寸的確定及類似產(chǎn)品的規(guī)格，基本可以確定極槽參數(shù)的特點，一般來說，4 p/6 s 、6 p/9 s、8 p/9 s、8 p/12 s、14 p/12 s（p為轉子極個數(shù)，s為定子槽數(shù)）在電動工具無刷電機應用中較為常見，根據(jù)各自極槽配合的工藝特點和電氣性能來選擇較為實用，如外徑為φ40 mm電機，選用4 p/6 s較為合適，如果選擇8 p/12 s則其極槽配合將會增加工藝難度；但如果外徑為φ90 mm的工具，選用4 p/6 s就相對不匹配，槽大，繞組跨距長，低壓的線徑會顯得略粗，對結構方面產(chǎn)生不利影響。

再者，繞組方式的選擇。從我們選擇的極槽配合來看，繞組方式也已經(jīng)基本確定為工藝簡單的集中繞組，但具體采用三角形接法或星形接法，與基波繞組系數(shù)和三次諧波繞組系數(shù)有關。

表2將常見的分數(shù)槽繞組的基波繞組系數(shù)和三次諧波繞組系數(shù)列出。

表2　常規(guī)分數(shù)槽繞組參數(shù)對照

表2中，q為每極每相槽數(shù)，Z為槽數(shù)?？梢钥闯?，q值為1/2和1/4的三次諧波繞組系數(shù)為0，對于繞組接法沒有明顯不利影響。從目前市場上看，某些應用也不完全遵守這一規(guī)則，主要是從工藝方面的考量。

圖1所示為在某工具中測試的負載電流波形。

3 變載荷參數(shù)

一般，工具的負載有二種類型，一種是應用載荷盡管不固定，但呈規(guī)則性變化，如打釘槍，沖擊扳手等，另一種載荷根據(jù)應用的不同變化很大，如電鉆，角磨機，打磨機，打草機，鏈鋸等。

3.1 周期性變化載荷參數(shù)提取

針對周期性變化載荷，可根據(jù)BENCHMARK主機測試的曲線去擬合負載和時間的周期性關系，然后導入設計軟件，添加控制方式、保護設置、轉動慣量、阻尼系數(shù)等信息，進行初始的設計仿真。

圖1　測試電流波形

通過BENCHMARK主機使用電機的測試特性曲線，可以推測出在不同電流下負載點，然后擬合成與時間對應的負載，得到負載隨時間變化的規(guī)律。如圖2所示，X軸代表時間，Y軸代表在不同時間下的載荷。

圖2　擬合的負載隨時間變化的擬合

考慮電機的啟動，轉動慣量的影響，需要周期數(shù)大于啟動時間，這樣得到的仿真結果將會是穩(wěn)定的輸出。

3.2 載荷不規(guī)則的負載

在載荷變化根據(jù)應用不同有較大差別的工具中，需要考量其在最惡劣工作條件下的負載狀態(tài)。如某手持類工具會有一個使用環(huán)境最惡劣、負載最大，電流最高的測試項目，那么取該種狀態(tài)的負載狀態(tài)作為設計的邊界條件是合適的，當然也包括測試項目中對控制器邊界條件影響很大的諸如堵轉、急停等項目。針對無繩工具還應考慮不同電池的容量，保護設置對電機及控制器的影響會引發(fā)起電機永磁體邊界退磁，印制板焊接點松脫等風險。

4 仿真與驗證

從現(xiàn)有的工具電流波形抽離的理想數(shù)據(jù)來看，電流呈現(xiàn)規(guī)律變化，18 ms為一個周期。為了簡化模型，電流對應的轉矩也進行了簡化處理，形成三角變化的負向載荷加載在無刷電機的輸出上，因電機變載時慣量，阻尼對輸出有一定的影響：

式中：J——轉動慣量

Tem——電磁轉矩

Tload——負載轉矩

ω——角速度

β——角加速度

λ——阻尼系數(shù)

將參數(shù)量化輸入至無刷電機的模型，如圖3所示。

圖3　設置慣量和阻尼

仿真結果如圖4所示，可以看出，負載也呈周期性變化。

圖4　整個負載變化電流波形

放大穩(wěn)定輸出一個周期波形如圖5所示。

圖5　仿真一個周期的電流波形

參考仿真電機的參數(shù)，制作了兩臺樣機組裝在工具上，負載電流測試波形如圖6所示。

圖6　實測波形

對比仿真波形及實測波形數(shù)據(jù)見表3。

表3　仿真與樣機數(shù)據(jù)分析

從仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比來看，周期時間偏差為0.8%；最大負載電流偏差為5.4%；負載均方根電流偏差為7.6%。所有數(shù)據(jù)偏差都在10%以內(nèi)，仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合度較高。

對于載荷不規(guī)則的工具，較難抽離載荷的具體情況，可以通過具體的惡劣載荷情況進行可靠性驗證并積累數(shù)據(jù)作為設計參考。

5 結論

本文通過對某工具的載荷變化，引入到無刷電機在變載荷工具的設計和選取。從本文的仿真和樣機實測數(shù)據(jù)不難看出，選用的無刷電機在變載荷工具的實際使用中偏差不大。因此，該設計思路對無刷電機在變載荷工具中的選用或許可以起到借鑒和參考作用。

參考文獻

［1］程明.微特電機及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2004.

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

［3］海老原大樹.電動機技術使用手冊［M］.北京：科學出版社，2006.

［4］王秀和.永磁電機［M］.北京：中國電力出版社，2007.

Design and Selection of BLDC in Variable Loading for Power Tools

Qian Zhicun， Du Ping， Li Zhongpeng
（TTI Group， Dongguan 523960， China）

Abstract:The article introduces one method to design and select BLDC in variable loading for power tools. Through simulation and testing verified of one tool proves that the method can be applied effectively in power tools since there is little deviation between simulation and real performances.

Keywords:BLDC； Variable loading； Power tool； Simulation

中圖分類號：TM930.1

文獻標識碼：A

文章編號：1674-2796（2016）02-0009-04

［收稿日期］2016-02-01

［作者簡介］錢志存（1979—）男，碩士研究生，工程師，主要從事無刷電機及特種電機應用與設計工作。