一種電動(dòng)工具用高速電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)

黃平林，羅 妤

（1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.騰達(dá)電動(dòng)科技鎮(zhèn)江有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

高速電動(dòng)機(jī)在許多行業(yè)中都有應(yīng)用，如電動(dòng)工具行業(yè)。以往電動(dòng)工具電機(jī)多采用單相串勵(lì)交流電機(jī)，這類(lèi)電機(jī)需要用到碳刷和換向器進(jìn)行換向，這會(huì)影響到電機(jī)的使用壽命，特別是在高轉(zhuǎn)速的情況下[1]。而采用電子換向的永磁無(wú)刷電機(jī)，因?yàn)椴恍枰獙?duì)電流進(jìn)行機(jī)械換向，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)，具有較好的應(yīng)用前景。

目前采用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)工具已不鮮見(jiàn)，如電動(dòng)割草機(jī)、電動(dòng)綠籬機(jī)等，特別是充電型電動(dòng)工具，因其使用靈活，攜帶方便，在市場(chǎng)上更受歡迎。但這類(lèi)產(chǎn)品對(duì)電機(jī)的要求極高，既要求電機(jī)體積小、重量輕，還需要效率高，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力，普通的高速電機(jī)難以滿(mǎn)足要求。文獻(xiàn)[2]發(fā)明了一種可應(yīng)用于無(wú)鐵心電機(jī)的PCB繞組工藝，應(yīng)用于電動(dòng)除草機(jī)電機(jī)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速6000r/m以上，功率在150W，電機(jī)重量?jī)H0.7kg，系統(tǒng)效率達(dá)到82%，其性能指標(biāo)是同類(lèi)產(chǎn)品中最高的。但該電機(jī)采用了較為復(fù)雜的多層電路板工藝，實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本較高，而且由于采用了軸向磁通無(wú)鐵心電機(jī)技術(shù)，電機(jī)繞組上的渦流損耗較大，發(fā)熱明顯，制約了電機(jī)功率和效率的進(jìn)一步提升[3]。

為此，采用軟磁復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一款高速電機(jī)，結(jié)合轉(zhuǎn)子HALBACH磁路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高效和輕量化，并成功地將此款電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)打草機(jī)中，對(duì)其他行業(yè)用高速電機(jī)也具有較好的參考價(jià)值。

2 電機(jī)本體設(shè)計(jì)

擬開(kāi)發(fā)的電機(jī)目標(biāo)性能為：轉(zhuǎn)速為（6000～10000）r/m，重量＜0.7kg，扭矩＞0.5nm，采用24V3500mah的鋰電池供電，正常工作時(shí)續(xù)航時(shí)間超過(guò)60min?？紤]到外轉(zhuǎn)子電機(jī)可最大程度地提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩，初步確定電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)，為方便下線(xiàn)、并盡量減小繞組端部長(zhǎng)度，宜采用集中繞組，從而進(jìn)一步確定電機(jī)槽數(shù)為12，轉(zhuǎn)子極數(shù)為10，電機(jī)初始磁路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用MAXWELL RMxprt軟件對(duì)初始電機(jī)方案進(jìn)行性能計(jì)算，結(jié)果表明：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到6000r/m時(shí)，電機(jī)鐵心損耗顯著增加，電機(jī)效率小于65%，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，而且電機(jī)重量超過(guò)0.8kg?？梢?jiàn)，采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方案已不能滿(mǎn)足要求。

圖1 電機(jī)初始磁路結(jié)構(gòu)Fig.1 Initial Magnetic Structure

為此，考慮采用高頻性能更好的軟磁復(fù)合材料來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)，同時(shí)還需要對(duì)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子以及磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高效率、減輕重量。

2.1 定子鐵心設(shè)計(jì)與優(yōu)化

若按照傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法，定子鐵心采用硅鋼片沖片疊壓而成，沖片尺寸，如圖2（a）所示。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/m時(shí)，電機(jī)的磁場(chǎng)頻率可通過(guò)下式計(jì)算：

式中：n—電機(jī)轉(zhuǎn)速；p—電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由此得到10000r/m時(shí)電機(jī)磁場(chǎng)頻率為833.3Hz。

考慮到鐵心材料的損耗特性為[4]：

式中：右邊對(duì)應(yīng)的三項(xiàng)依次是磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗。

由式（2）可知，磁滯損耗隨頻率線(xiàn)性增加、渦流損耗隨頻率的平方線(xiàn)性增加，因此隨著頻率的增加渦流損耗在總損耗中的比重會(huì)迅速增加。擬開(kāi)發(fā)的電機(jī)在833.3Hz的高頻之下，定子鐵心的損耗會(huì)非常大，從而降低電機(jī)效率。若采用減少電機(jī)極數(shù)的方法，雖然可降低磁場(chǎng)頻率，但電機(jī)的體積會(huì)增加。為此，擬采用軟磁復(fù)合材料（SMC）來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)定子鐵心。軟磁復(fù)合材料（Soft magnetic composites，SMC）是通過(guò)在鐵磁顆粒表面包覆電絕緣薄膜而獲得的一類(lèi)電磁應(yīng)用材料[5]，具有良好的高頻特性和三維各向同性的磁性能，適合應(yīng)用于高速電機(jī)中。

考慮到SMC材料的三維各向同性，在對(duì)電機(jī)定子鐵心進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，定子齒面還可設(shè)計(jì)成圓形或橢圓形，也可對(duì)齒邊進(jìn)行倒角設(shè)計(jì)，這樣更方便加工，而且對(duì)繞線(xiàn)也有利，可避免定子齒部邊緣破壞漆包線(xiàn)的絕緣，并可獲得更高的槽滿(mǎn)率，進(jìn)一步提高電機(jī)的功率密度。

用SMC材料加工定子鐵心倒角后的加工圖，如圖2（b）所示。SMC材料加工成橢圓形鐵心的加工圖，如圖2（c）所示?？梢?jiàn)，與硅鋼片疊片相比，采用SMC材料設(shè)計(jì)電機(jī)鐵心時(shí)，鐵心設(shè)計(jì)可以變得更加靈活和精細(xì)。

圖2 幾種定子鐵心結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Several Iron Core Structure

2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子由永磁體和轉(zhuǎn)子磁軛組成，為了增加電機(jī)的功率密度，就需要通過(guò)多用永磁體來(lái)增強(qiáng)電機(jī)內(nèi)的有效磁場(chǎng)，但多用永磁體后不但電機(jī)的成本增加，而且磁場(chǎng)增強(qiáng)后，構(gòu)成永久磁路的磁軛部分也需要加長(zhǎng)，以避免軛部的磁飽和，由此又帶來(lái)電機(jī)重量和體積的增加。為解決增強(qiáng)磁場(chǎng)的同時(shí)永磁體用量和磁軛增加這一問(wèn)題，采用了HALBACH陣列的磁路結(jié)構(gòu)。

HALBACH陣列是一種奇特的永磁體結(jié)構(gòu)，即將不同充磁方式的永磁體按照特定規(guī)律排列，可實(shí)現(xiàn)永磁體一側(cè)增強(qiáng)磁場(chǎng)，而在另一側(cè)減弱磁場(chǎng)，同時(shí)優(yōu)化氣隙磁場(chǎng)，使氣隙磁場(chǎng)更接近正弦波[6-8]。HALBACH陣列中每?jī)蓚€(gè)相鄰磁化矢量可存在90°、60°或者45°的夾角，對(duì)應(yīng)的每極永磁體塊數(shù)分別為2塊、3塊和4塊。兩個(gè)相鄰磁化矢量夾角為90°時(shí)的平面排列的HALBACH陣列圖，如圖3（a）所示。沿圓周排列的HALBACH陣列，每個(gè)磁極均由兩塊磁體組成，如圖3（b）所示。HALBACH陣列的磁場(chǎng)強(qiáng)度可通過(guò)理論式（3）可進(jìn)行計(jì)算[9]。

圖3 HALBACH陣列Fig.3 HALBACH Array

式中：Bm0—磁場(chǎng)的幅值；Br—永磁體的剩磁強(qiáng)度；β=2π/la，la是一對(duì)極的空間距離；nM—一對(duì)極包含的永磁體塊數(shù)；hM—永磁體的厚度。理論上，永磁體塊數(shù)越多，HALBACH陣列產(chǎn)生的磁密波形正弦性越好，但會(huì)帶來(lái)永磁體的安裝和充磁的難度增加。

采用的HALBACH陣列每極由2塊永磁體拼裝而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，永磁體安裝定位和充磁容易，轉(zhuǎn)子磁路布置，如圖3所示。共采用20片永磁體，磁體厚度為3mm，充磁方向互差90°，每4片構(gòu)成一對(duì)磁極，組成一個(gè)5對(duì)極的永磁轉(zhuǎn)子。利用式（3），計(jì)算得到磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值為0.6T。

采用HALBACH陣列后，電機(jī)轉(zhuǎn)子可以無(wú)需鐵軛，磁路結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示。此時(shí)在磁陣列磁場(chǎng)減弱的一側(cè)僅存在不大的漏磁，可以用很薄的鐵片作為轉(zhuǎn)子的鐵軛，該鐵軛同時(shí)起到增強(qiáng)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和方便磁體安裝的作用，增加薄鐵軛后的電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，如圖4（b）所示。采用有限元分析方法，對(duì)不同厚度轉(zhuǎn)子鐵軛時(shí)的電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，得到當(dāng)軛鐵厚度為2mm時(shí)，可獲得最佳的電磁效果，此時(shí)磁場(chǎng)分布，如圖5所示。電機(jī)有效磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)，轉(zhuǎn)子軛部未出現(xiàn)磁飽和，轉(zhuǎn)子外部的空氣中已沒(méi)有漏磁。

圖4 HALBACH陣列電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)Fig.4 Motor Magnetic Structure with HALBACH Array

圖5 增加鐵軛后的電機(jī)磁場(chǎng)分布Fig.5 Magnetic Field Distribution with Rotor Yoke

3 樣機(jī)加工與測(cè)試

對(duì)上述電機(jī)進(jìn)行試制，電機(jī)SMC鐵心采用赫格納斯公司的生產(chǎn)的SOMALOY 500軟磁復(fù)合鐵粉材料制作，利用其塊狀原料直接整體加工而成，加工過(guò)程中需要對(duì)加工的工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制，如進(jìn)行切削、車(chē)磨加工時(shí)，刀頭的轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀速度、冷卻方式等都需要按照廠商的要求進(jìn)行，否則會(huì)對(duì)材料的電磁性能產(chǎn)生影響。此外，塊狀的SMC材料機(jī)械加工性能較普通金屬材料差，不當(dāng)?shù)募庸し绞綄⒑茈y保證其加工精度。當(dāng)批量加工時(shí)，鐵心的制作宜采用SMC粉末壓鑄成型的工藝，可避免機(jī)加工過(guò)程對(duì)材料電磁性能的影響。電機(jī)測(cè)試性能，如表1所示。

為減輕電機(jī)總體重量，電機(jī)外殼采用鋁合金材料。電機(jī)采用永磁無(wú)刷的控制方式，電機(jī)內(nèi)部安裝有三路霍爾傳感器，三路霍爾傳感器相互之間相差120°電角度，沿定子圓周方向固定，采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)工作，測(cè)試中的電機(jī)，如圖6（a）所示。

圖6 測(cè)試中的電機(jī)和電動(dòng)工具Fig.6 Motor and Electric Mower in Test

表1 電機(jī)測(cè)試性能Tab.1 Measured Performance of Motor

將上述電機(jī)及其控制器應(yīng)用于電動(dòng)打草機(jī)中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)打草頭旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行打草測(cè)試，電動(dòng)打草機(jī)實(shí)物，如圖6（b）所示。測(cè)得電動(dòng)打草機(jī)的綜合性能，如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機(jī)具有體積小，重量輕，運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，電機(jī)適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合，而且電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，優(yōu)勢(shì)越明顯，應(yīng)用于電動(dòng)工具中能獲得很好的實(shí)際效果。

表2 電動(dòng)工具實(shí)測(cè)性能Tab.2 Measured Performance of the Electric Mower

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高速外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，電機(jī)定子鐵心采用軟磁復(fù)合（SMC）材料制成，轉(zhuǎn)子采用HALBACH磁陣列結(jié)構(gòu)，在有效地增強(qiáng)電機(jī)磁場(chǎng)的同時(shí)，減輕電機(jī)轉(zhuǎn)子軛部的重量，使得電機(jī)的體積小、重量減小，高速運(yùn)行效率高。電機(jī)測(cè)試和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)很好地證明了以上設(shè)計(jì)方法的正確性，對(duì)高速電動(dòng)機(jī)，特別是電動(dòng)工具用高速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)具有較好的借鑒意義。

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