浅谈无刷直流电机在电动工具中的应用

孙超英

（ 博世电动工具（中国）有限公司，杭州 310052 ）

浅谈无刷直流电机在电动工具中的应用

孙超英

（ 博世电动工具（中国）有限公司，杭州 310052 ）

介绍电动工具制造企业应用无刷直流电机的大致情况，从结构和原理上对比电动工具用无刷直流电机与有刷直流电机的技术性差异，结合无刷直流电机相比有刷直流电机的显著优缺点，从企业制造成本、质量控制角度提出了电动工具用电机选用无刷直流或有刷直流的建议方向。

电动工具 无刷直流电机 有刷直流电机

0 引言

随着锂离子电池技术的普及，充电式电动工具的市场需求在过去的十年里急速上升。在经济和技术相对发达的欧洲与北美市场，充电式无绳电动工具的销量已赶超传统的有绳电动工具。在发展中的亚太、拉美市场，充电式电动工具产品的增长率也远高于有绳电动工具。研发与生产充电式电动工具，已成为各品牌电动工具公司抢占市场份额的法宝之一。

传统的充电式电动工具采用的是普通有刷直流电机，缺点是电磁干扰大、噪音大、电机寿命短、电机效率低、单位电池容量可供的作业时间短。为了弥补这些缺点，无刷直流电机正在被越来越广泛地应用于新一代充电式电动工具。

1 概述

在上世纪60年代，工业制造公司首次使用无刷电机来驱动输送带。2003年，无刷电机首次应用于某电动工具公司的装配生产线。2009年，第一款使用无刷电机驱动的电动工具上市（三档可调速冲击钻）。

目前，应用无刷直流电机的电动工具主要集中在电动螺丝刀、电钻、冲击钻等三类产品中。相信很快我们就会看到无刷直流电机在电动工具行业展开更广泛的应用。

1.1无刷直流电机与有刷直流电机结构与工作原理对比

1）有刷直流电机结构与工作原理

传统直流有刷电机由碳刷、定子（永磁磁环）、转子以及换向器等四部分组成。其中，碳刷与定子固定不动，转子与换向器可在定子圈内以转子轴为轴心旋转，如图1所示。

有刷直流电机的工作原理：通电后，电池包的电流经碳刷，通过换向器流入转子的线圈。转子上的线圈通电后因定子磁场的影响而转动，定子磁环和碳刷不转，转动的换向器和静止的电刷在机械接触下做相对运动，致使转子线圈的电流方向交替变化，从而推动转子不停旋转。

图1 有刷直流电机结构

2) 无刷直流电机结构与工作原理

无刷直流电机由定子、转子（永磁）以及控制电板等三部分组成。与有刷电机相比，无刷直流电机缺少了换向器与碳刷，增加了控制电路板及位置传感器，永磁体从定子移到了转子，转子绕线转换成了定子绕线。与有刷电机相同的是，无刷电机的定子也是固定不动的，转子可在定子圈内以转子轴为轴心旋转，如图2所示。

无刷直流电机的工作原理：简单来说就是由电子换向代替碳刷与换向器的机械换向，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，从而拉动转子旋转。

图2 无刷直流电机结构

无刷电机的定子绕组多为三相对称星形接法，与三相异步电动机十分相似。电机的转子上装有已充磁的永磁体，位置传感器（可集成在控制电板上）通过检测电机转子的极性来识别转子位置，将转子的位置信号传达给控制电板。控制电板主要由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是接受各种信号并按内置的编码识别、计算、判断并执行。包括：接受电机的启动、停止、制动信号，以控制电机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。转子上磁极的材料有许多不同的选择，稀土永磁无刷直流电动机以其宽调速、小体积、高效率和稳态、转速误差小等特点在调速领域显现优势。

无刷直流电机因为具备有刷直流电机的特性，同时也是频率变化的装置，所以又名直流变频，国际通用名词为BLDC。无刷电机电气原理如图3所示。

图3 无刷直流电机电气原理图

2 无刷电机对比有刷电机的优缺点分析

2.1无刷电机的优点

1）电机寿命长，维护少。

普通有刷电机由于碳刷与换向器的机械磨擦，电机发热较高。电机过热而造成的烧毁是常见失效模式之一。另一方面，碳刷磨损限制工具的使用寿命，且更换碳刷费时费力。无刷电机由电子换向替代了机械换向，发热少，无碳刷；极大地提高了电机的寿命，减少了电机的维护。

2）电机效率高。在相同的电池容量下，若所需输出功率一致，无刷电机的作业时间更久。

从无刷电机的结构来分析，无刷电机采用电流波交变换向，避免了换向器与碳刷的机械运动与磨擦，从而减少了发热、噪音及电能损耗。从另一方面，无刷电机采用永磁转子，转子的重量低于有刷电机的转子，使无刷电机转子转动惯量低于有刷电机，进一步降低损耗，优化电机性能，提高电机效率。

普通有刷电机的最高电机效率一般在70%左右，而无刷电机的最高电机效率可达80%以上。

3）同样体积的电机，无刷电机功率更大。

4）外形尺寸更紧凑，有利于整机的便携性。

无刷直流电动机以自控式运行，区别于变频调速下重载启动的同步电机中转子上另加启动绕组，负载突变时不会产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体在采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料后，体积比普通的有刷电机缩小了一个机座号。从而使电动工具的设计更紧凑。

5）电机发热量少。

6）低噪音。

7) 更宽的速度范围。

8) 更精准，可实现电动工具多功能设计。

无刷电机的控制电板及位置传感器能够精确测知转子的位置、转速及扭矩，不仅实现电机的基本功能，还有助实现电动工具的多功能设计。

2.2无刷电机的缺点

1)价格高。无刷电机的制造和设计成本均高于有刷电机。

从上述结构图中可见，无刷电机虽比有刷电机省去了碳刷与换向器，但增加了控制电板及位置传感器。控制电板及位置传感器所需的元器件价格远高于碳刷与换向器。另外，控制电板及位置传感器需配套相对较强的电子设计技术及测试、调试设备，且实际生产中也需配备特殊的无刷电机功能测试设备来进行产品产线的质量控制。

2)复杂。无刷电机的复杂之处在于控制电板及位置传感器的制造与设计。这一点，也是需要重点考虑的。

3 结语

无刷直流电机或有刷直流电机的选择并没有现成的公式，应根据电动工具的市场定位、价格定位、使用场所、使用频率、过载情况、尺寸和重量要求等各自的实际情况进行选择。如针对使用频率不高、作业时间较短的家用普通型电动工具，建议选用有刷直流电机。针对需长时间或频繁使用，以及作业环境较为苛刻的专业或工业用电动工具，可选用无刷直流电机，使其充分发挥优势，做到物尽其用。

[1]刘刚，王志强，房建成等.永磁无刷直流电机控制技术与应用[M]：北京，机械工业出版社，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

孙超英（1961—）女，大学，工程师，主要从事制造业企业生产管理工作。