简介永磁无刷直流电机的原理及特点

刘志刚

（ 上海锐奇工具股份有限公司 上海 201612 ）

简介永磁无刷直流电机的原理及特点

刘志刚

（ 上海锐奇工具股份有限公司 上海 201612 ）

介绍无刷直流电机在电动工具中的运用概况，对无刷电机相比有刷电机的特点、结构和控制原理进行分析，展望对电动工具应用新型电机的未来趋势。

锂电工具 无刷电机 电动工具 控制原理

0 引言

交流电机的历史超过百年，自第一台电动工具诞生起就开始使用交流电机作为动力。启动力矩大、转速高、功率密度高、工艺成熟、成本低廉等诸多优点使得串励电机在电动工具电机选用中占据统治地位多年。

随着动力电池技术进步，特别是动力锂电池技术的快速发展，无绳、强劲、小巧便携的锂电工具层出不穷，逐步扩大了其与传统电动工具的市场占比。有专家预言：电动工具的未来在于锂电等新能源工具；

1 概述

目前，直流电动工具大多以永磁直流电机驱动为主。电池寿命越来越长，而相对的永磁直流电机技术却没有大的突破，存在寿命短、体积大、效率不高等缺点制约着锂电直流工具整体性能的提升。随着电子功率器件快速发展以及无刷电机控制技术的深入普及，无刷控制器体积缩小、成本降低，结合无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等特点已在高端的工业级、专业级锂电直流工具领域应用中展露锋芒。

相比永磁直流电机发展一百多年的历史，无刷直流电机的历史只有短短几十年。1955年美国首次申请用晶体管换相电路代替机械电刷的专利构建了无刷直流电动机的雏形。1962年，由T.G.Wilson和P.H.Trickey提出“固态换相直流电机”(DC Machine wilh Solìd State Commutalion)专利，标志着现代无刷电动机的真正诞生。

1.1原理控制

无刷直流电机由电机与电子驱动器两部份构成，如图1所示。

图1 无刷电机及其控制原理

电动工具常用的无刷电机是内转子电机。如图2、图3所示分别为整体式和分体式无刷直流电机，由镶嵌永磁体的转子、绕有多相电枢的定子以及转子位置传感器构成。

图2 内转子一体无刷直流电机

图3 内转子分体无刷直流电机

从无刷电机结构上看即是一个定转子倒置的直流电机。直流电机的电枢绕组在转子上，永磁体在定子上，通过电刷和换向器完成相绕组电流转换。无刷直流电机相绕组的换向则借助于位置传感器和电子控制器的功率开关来完成，如图4所示。由于电子换向代替了机械换向，从而提高可靠性并节省机械换向器的空间。

图4 相绕组换向

控制器控制电机相电流的大小和方向，相电流供电电流波形及其反电动势波形是方波，和直流永磁电机相电流相同的，称为无刷电机。相电流供电电流波形及其反电动势波形是正弦波的，称为正弦波同步电机。

无刷电机控制软件是无刷电机性能的关键因素之一。采用电子换向相对永磁直流电机固定的机械换向而言存在很大的灵活性，可以根据电机磁路进行优化。控制软件的核心是根据转子磁钢位置控制定子绕组相电流大小和方向。图5所示为有霍尔无刷直流电机的相电流控制时序，也有根据定子绕组反电动势来判断转子磁钢位置的无位置传感器无刷电机，一般运用于负载变化不大的工具，如打草机等。

图5 有霍尔无刷直流电机的相电流控制时序

1.2功能特点

控制器除了控制电机相电流换向外，出于保护电机、电池包和开关等角度，可增加电子调速、电子换向、电子刹车、电流保护、温度保护、电压保护等功能。

综上所述，无刷直流电机存在如下特点：

1）类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性、宽调速范围。

2）需要转子位置反馈信息和电子控制器换向。

3）本质上是交流电机，由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工作于高速，可得到较高的可靠性，工作寿命长，无需经常维护。

4）功率因数高，转子的磨损和发热低，有较高的效率，有资料表明可达到90%以上的效率。

5）必须有电子控制部分，所以总成本比有刷直流电机高。

6）转子磁性材料限制了电机使用温度，不耐高温。

2 展望

综上，永磁无刷直流电机虽然优点多而明显，但在实际应用中也需要因地制宜。电动工具的种类众多，工作环境、工况情况千差万别。在大范围的震动、功率、温度等环境下，对无刷电机的使用是一种考验。另外，由于使用的是永磁材料，必须注意在有大量铁屑的场所应避免使用。

随着电子技术以及电机控制技术的发展，开关磁阻电机、感应变频电机等也逐步在交流专业工具领域出现。运用此类电机的电动工具所具备的高效率、长寿命、耐高温、耐过载、耐振动等特点，将会随着其制造成本的不断降低，逐步从专业的高端工具走向面向大众的家庭用电动工具。

[1]张深.直流元刷电动饥原理及应用[M].北京：北京机械工业出版社，2004.

[2]叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计[M].北京：北京科学出版社，2009.

[3]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京：北京科学出版社，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文献标示码A

1674-2796（2014）-05-0004-03

2014-08-10

刘志刚（1976—），男，大学，工程师，主要从事电动工具测试与产品规划等工作。