无刷电机在变载荷电动工具的设计及选用

钱志存，杜 平，李忠鹏

（TTI创科实业有限公司， 广东 东莞 523960）



无刷电机在变载荷电动工具的设计及选用

钱志存，杜 平，李忠鹏

（TTI创科实业有限公司， 广东 东莞 523960）

摘要：通过对某工具的载荷变化，引入无刷电机在变载荷工具的设计和选取，结合仿真和样机实测数据进行验证得出结论，选用的无刷电机在变载荷工具的实际使用中偏差不大。

关键词：无刷电机；变载荷；电动工具；仿真

0 引言

直流无刷电机在医疗器械、家用电器以及电动工具领域的应用越来越广泛，因其寿命、体积、效率、噪声、无火花等多方面的优势逐渐得到了市场和用户的认可，越来越多的应用转而由无刷电机系统取代有刷或异步电机系统，尤其是在电动工具领域。如何设计及选用无刷电机成为行业共性技术的关键所在。

1 概述

一般而言，客户的需求基于一个BENCHMARK主机，即有样机的特性可以参考，包括电机的性能曲线、电源电压及频率或电池容量、高低速的齿轮比等参数，以表1为例，列出了某BENCHMARK主机参数：

表1　某BENCHMARK主机参数

要得到这样的主机，首先分析对于电机本体，其高速档空载转速以及堵转扭矩，经过初步计算可以得到空载转速为23 800 r/min，堵转扭矩为1.99 N·m。

通过以上两个参数和BENCHMARK主机上电机的外形尺寸，可以得到基本的需求，对于启动时间，可以得到控制器是否设置软启动方面的信息。

2 电机设计

独立的谈电机设计是较为复杂的课题，这里主要针对该种应用的概括性讨论。

首先，基座号的选择。从BENCHMARK主机的尺寸及客户ID对电机要求可以得到初步的电机尺寸，当然通过A×B∝P也可以得到电机的基本尺寸（A为电机的电负荷，B为电机的磁负荷），这里不具体阐述，主要讨论内转子电机。

其次，电机极槽配合的选择。通过尺寸的确定及类似产品的规格，基本可以确定极槽参数的特点，一般来说，4 p/6 s 、6 p/9 s、8 p/9 s、8 p/12 s、14 p/12 s（p为转子极个数，s为定子槽数）在电动工具无刷电机应用中较为常见，根据各自极槽配合的工艺特点和电气性能来选择较为实用，如外径为φ40 mm电机，选用4 p/6 s较为合适，如果选择8 p/12 s则其极槽配合将会增加工艺难度；但如果外径为φ90 mm的工具，选用4 p/6 s就相对不匹配，槽大，绕组跨距长，低压的线径会显得略粗，对结构方面产生不利影响。

再者，绕组方式的选择。从我们选择的极槽配合来看，绕组方式也已经基本确定为工艺简单的集中绕组，但具体采用三角形接法或星形接法，与基波绕组系数和三次谐波绕组系数有关。

表2将常见的分数槽绕组的基波绕组系数和三次谐波绕组系数列出。

表2　常规分数槽绕组参数对照

表2中，q为每极每相槽数，Z为槽数。可以看出，q值为1/2和1/4的三次谐波绕组系数为0，对于绕组接法没有明显不利影响。从目前市场上看，某些应用也不完全遵守这一规则，主要是从工艺方面的考量。

图1所示为在某工具中测试的负载电流波形。

3 变载荷参数

一般，工具的负载有二种类型，一种是应用载荷尽管不固定，但呈规则性变化，如打钉枪，冲击扳手等，另一种载荷根据应用的不同变化很大，如电钻，角磨机，打磨机，打草机，链锯等。

3.1 周期性变化载荷参数提取

针对周期性变化载荷，可根据BENCHMARK主机测试的曲线去拟合负载和时间的周期性关系，然后导入设计软件，添加控制方式、保护设置、转动惯量、阻尼系数等信息，进行初始的设计仿真。

图1　测试电流波形

通过BENCHMARK主机使用电机的测试特性曲线，可以推测出在不同电流下负载点，然后拟合成与时间对应的负载，得到负载随时间变化的规律。如图2所示，X轴代表时间，Y轴代表在不同时间下的载荷。

图2　拟合的负载随时间变化的拟合

考虑电机的启动，转动惯量的影响，需要周期数大于启动时间，这样得到的仿真结果将会是稳定的输出。

3.2 载荷不规则的负载

在载荷变化根据应用不同有较大差别的工具中，需要考量其在最恶劣工作条件下的负载状态。如某手持类工具会有一个使用环境最恶劣、负载最大，电流最高的测试项目，那么取该种状态的负载状态作为设计的边界条件是合适的，当然也包括测试项目中对控制器边界条件影响很大的诸如堵转、急停等项目。针对无绳工具还应考虑不同电池的容量，保护设置对电机及控制器的影响会引发起电机永磁体边界退磁，印制板焊接点松脱等风险。

4 仿真与验证

从现有的工具电流波形抽离的理想数据来看，电流呈现规律变化，18 ms为一个周期。为了简化模型，电流对应的转矩也进行了简化处理，形成三角变化的负向载荷加载在无刷电机的输出上，因电机变载时惯量，阻尼对输出有一定的影响：

式中：J——转动惯量

Tem——电磁转矩

Tload——负载转矩

ω——角速度

β——角加速度

λ——阻尼系数

将参数量化输入至无刷电机的模型，如图3所示。

图3　设置惯量和阻尼

仿真结果如图4所示，可以看出，负载也呈周期性变化。

图4　整个负载变化电流波形

放大稳定输出一个周期波形如图5所示。

图5　仿真一个周期的电流波形

参考仿真电机的参数，制作了两台样机组装在工具上，负载电流测试波形如图6所示。

图6　实测波形

对比仿真波形及实测波形数据见表3。

表3　仿真与样机数据分析

从仿真数据和实测数据对比来看，周期时间偏差为0.8%；最大负载电流偏差为5.4%；负载均方根电流偏差为7.6%。所有数据偏差都在10%以内，仿真数据与实测数据吻合度较高。

对于载荷不规则的工具，较难抽离载荷的具体情况，可以通过具体的恶劣载荷情况进行可靠性验证并积累数据作为设计参考。

5 结论

本文通过对某工具的载荷变化，引入到无刷电机在变载荷工具的设计和选取。从本文的仿真和样机实测数据不难看出，选用的无刷电机在变载荷工具的实际使用中偏差不大。因此，该设计思路对无刷电机在变载荷工具中的选用或许可以起到借鉴和参考作用。

参考文献

［1］程明.微特电机及系统［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］夏长亮.无刷直流电机控制系统［M］.北京：科学出版社，2009.

［3］海老原大树.电动机技术使用手册［M］.北京：科学出版社，2006.

［4］王秀和.永磁电机［M］.北京：中国电力出版社，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

中图分类号：TM930.1

文献标识码：A

文章编号：1674-2796（2016）02-0009-04

［收稿日期］2016-02-01

［作者简介］钱志存（1979—）男，硕士研究生，工程师，主要从事无刷电机及特种电机应用与设计工作。