电动工具用高速开关磁阻电机设计与性能分析

朱金宝，高建平，刘丽坤

（1.江苏金飞达电动工具有限公司，江苏省高邮 225000；2.华中科技大学，武汉 430074）

电动工具用高速开关磁阻电机设计与性能分析

朱金宝1，高建平2，刘丽坤2

（1.江苏金飞达电动工具有限公司，江苏省高邮 225000；2.华中科技大学，武汉 430074）

电动工具是一类广泛存在于日常生活中的重要加工工具，目前很少采用开关磁阻电机作为驱动电机。本文将根据生产实际中电动工具对驱动电机的要求，主要运用Ansoft Maxwell2D软件设计出性能优良的适用于电动工具的开关磁阻电机。设计过程中，将重点考虑转矩脉动和效率，希望设计出转矩脉动小，效率相对较高的电机。根据该电机的实际应用环境，得知电机的尺寸较小，为了满足这一要求，同时考虑到开关磁阻电机适用于高速运行的特点，将开关磁阻电机的额定转速设定到25000r/min。

开关磁阻电机；电动工具；高速电机；转矩脉动

本文引用格式：朱金宝，高建平，刘丽坤.电动工具用高速开关磁阻电机设计与性能分析［J］. 新型工业化，2016，6（5）：55-61.

0 引言

1895年，德国泛音制造出世界上第一台直流电钻，这是已知的世界上最早的电动工具。经过几个世纪的发展，人们已经制造出了各种各样的电动工具。常见的电动工具有电钻、 电锯、电动砂轮机、 电动扳手和电动螺丝刀、电锤和冲击电钻、电刨等。这篇文章主要涉及电动工具中的电锯。目前，市场上的这些电动工具，主要使用三种电机，单相串激电机，异步电机和永磁同步电机。单相串励电机可交直流两用，具有低速大扭矩，过载能力强的特点，但是必须使用换向器，电刷和滑环的存在使得靠性低，使用场合受限，寿命短，维修成本高，功率受限，转速不能过高。异步电机是一种普遍使用的电机，它的结构简单，生产成本低，坚固耐用，但是需要消耗滞后的无功，电机效率相对较低，轻载时调速性能不佳。异步电机还有一个显著的问题，它的启动电流很大，但启动转矩很小。永磁同步电机是一种高效电机，效率可以做的很高，但是他需要使用永磁体，永磁体价格昂贵，造成电机成本很高。永磁体退磁的问题，也限制了电机的温升。

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种双凸极电机，定转子都是硅钢片叠压而成的凸极；定子上缠绕集中绕组，转子上无绕组。它的结构简单，成本低，坚固耐用，可以承受高的温升和高的转速；在宽广的转速范围内，都可以以较高的效率运行，是一种高效电机；启动转矩大，可以频繁启停及正反转变换；各相独立工作，功率电路简单，避免了直通短路现象，因而可靠性很高。开关磁阻的主要缺点是转矩脉动大，噪声严重。但对于电锯来说，工作过程中，锯片不是连续切割物体的，本身就有振动的问题，而且锯片与物体摩擦的噪音很大，电机的电磁噪声不突出。所以，开关磁阻电机适合应用到电锯中。

1 开关磁阻电机的原理和设计理论

开关磁阻电机的典型特征是开关性和磁阻性。开关性说的是开关磁阻电机必须工作在一种连续的开关模式，这也决定了开关磁阻电机必须与控制器结合才能够正常运行。磁阻性说的是它是一种磁阻电机，区别于电磁式电机，它的双凸极结构使得其在运行过程中回路磁阻不断变化。开关磁阻电机产生电磁转矩依据的是磁阻最小原则——即磁通总是趋向于沿着磁阻最小的路径闭合。当开关磁阻电机的定转子齿没有处于对齐位置时，就会产生磁拉力作用在转子上使得转子转动到定转子齿对齐的位置，即磁阻最小的位置。

开关磁阻电机的主要结构参数包括定转子的外径、内径、轭厚、齿宽以及定转子铁芯的长度，线圈的匝数。它的结构简单，需要计算的参数不多，但是仍然需要按照相关的理论正确计算。文献［1-2］中详细介绍了开关磁阻电机结构参数的计算过程。

2 开关磁阻电机的设计和仿真

2.1电机基本要求

结合电机的实际应用环境，首先提出对开关磁阻电机的基本要求，如表1所示。

表1　电锯用开关磁阻电机基本要求Tab.1 Basic requirements of SRM used by electric saw

电机采用单相220V/50Hz交流电整流后供电；额定工作转速为4000r/min，定子冲片外径要求不大于72mm。如果直接以4000r/min作为电机的额定转速来设计电机，定子外径不能满足要求。考虑到开关磁阻电机结构牢固，适用于高速运行的特点，可将电机的额定转速设置的比较高，通过减速箱，来调整输出的转速。最后设置额定转速为25000r/min。

2.2开关磁阻电机结构的选择

单相和两相开关磁阻电机需要考虑自启动问题，而且步距较大，转矩脉动大，所以先不采用。三相开关磁阻电机与单相和两相开关磁阻电机相比，没有自启动问题，转矩脉动小；与更多相开关磁阻电机相比，结构简单，成本相对低。更多相电机的主要目的是获得更平滑的转矩，考虑到电机的额定转速高达25000r/min，三相开关磁阻电机的转矩脉动可以做到很小，而且，高速下，更多相的电机，开关频率，磁场频率将更高，对控制和效率都有影响，所以，综合考虑后，采用三相结构。

2.3开关磁阻电机建模仿真

2.3.16/4极与12/8极结构

表2　SRM主要初始结构参数Tab.2 Key initial structure parameters of SRM

图1　转速25000r/min时两种结构开关磁阻电机转矩和电流波形Fig.1 The torque and current of two kinds SRM at 25000r/min

三相开关磁阻电机有两种典型的结构6/4极和12/8级结构。根据开关磁阻电机的设计流程，编写matlab M文件，只需输入电机的极对数，电压，功率等基本要求，即可直接计算出整个电机的初始结构参数。表2展示的两组参数是功率为1.5KW，电压为60V的情况下三相6/4极和12/8极电机的结构参数，目的是观察这两种结构的差异。可以发现，在相同的功率等级，电压，转速时，两种电机的体积相同，即这两种结构形式不影响电机的体积。

图1展示的是这两种结构开关磁阻电机的电流和转矩的仿真波形。需要注意的是，这四个波形的获得只要求电机转速相同，文中选取的是25000r/min，没有其他的条件限制。对比可以很容易的发现，相同转速下，12/8极结构开关磁阻电机的转矩步距小，可以获得更小的转矩脉动，但电流变化频率是6/4极结构的2倍，相应的开关频率也是6/4极的2倍，因此，开关损耗和铁耗会比较大，效率相对小。

考虑到本次设计的开关磁阻电机的转速高达25000r/min，而且转矩脉动将作为电机优化过程中主要的研究对象，使其尽可能低，所以，在选择电机结构时，偏重于考虑电机效率，因此，6/4极结构是一个很好的选择。

2.3.26/4极开关磁阻电机结构优化

改变要求，输入Matlab M文件，计算出一套开关磁阻电机的初始结构参数。然后在Ansoft中建立开关磁阻电机的二维模型，如图2和图3所示。

图4展示了电机主要结构的标志符号。本文中出现的所有标识符号代表的含义与图4 中相对应。其中Es指的是定子的极弧系数，他是定子齿尖的宽度除以定子的极距得到的。Er指转子极弧系数，他是转子齿尖宽度除以转子极距得到的。宽度和极距用度数表示。

图2　6/4 SRM仿真模型Fig. 2 Model of 6/4 SRM

图3　网格剖分Fig.3 Meshing generation

图4　结构参数标识Fig.4 Structural parameters identification

电机结构的优化的过程主要是：电机结构参数化；依次改变单个的结构参数，观察转矩、电流波形，磁场分布图，效率，得出该参数对电机性能的影响规律；总结所有仿真得到的规律，对初始结构参数进行调整，确定出合理的，使电机性能最优的结构参数。

图5展示的是改变转子外径和铁芯长度的转矩波形。按照相同的方法，改变定子外径，定转子轭厚，观察对应的转矩和电流波形。可以发现，改变铁芯长度、转轴的直径、定子外径、定转子轭厚，电机的转矩，电流的变化很小。由于优化过程中电机尺寸不可能大范围变动，所以，可以忽略它们的影响。

图5 改变转子内径和铁芯长度时转矩波形Fig.5 Torque of SRM with Dri changing and the length changing

图6展示的是转子外径变化时转矩和电流的波形。根据图6（a）可知，随着转子直径增加，转矩平均值会增大，但转矩峰值增加，而且出现明显的尖峰，尖峰对平均转矩贡献不大，但严重恶化转矩脉动，所以可适当增加转子外径，但不可过大。图6（b）表明，随着转外径增加，电流的峰值增加。造成这种想象的原因是，改变转子外径，转子槽深度将增加，转子运动过程中，电感的变化率增大，导致转矩会有所增加。

根据图7可知，定转子极弧对开关磁阻电机的转矩脉动影响非常显著。观察图7（a）（d），可以发现，定子极弧和转子极弧对转矩的影响相同，影响的强度也基本一致。随着定转子极弧的增加，转矩在中部很宽的一个区间内整体减小，这种减小效果很明显。同时转矩的谷值几乎没有变化，所以转矩脉动会大大减小，但是牺牲了转矩的平均值，可能导致电机的输出功率不够。定子极弧的增加会导致绕组空间减少，转子极弧的增加增大了转子的转动惯量，导致动态性能受影响。优化电机时，如果希望尽可能获得小的转矩脉动，可以在满足其他条件的情况下适当增大定子极弧或转子极弧。图7（f）是同时改变定子极弧和转子极弧得到的转矩波形，可以根据这个图，选择出最优的定转子极弧的组合。图7（b）（e），定转子极弧增加时，电感的变化范围增加，使得最小电感区域减小，这种情况下，电流就会下降，导致转矩会下降。图7（c）表明，极弧增加时，确实导致电流减小了。对于高速电机，需要较宽的最小电感区，使得开通角的调节范围足够大，从而获得高的转速。所以定转子极弧不可过大。

图6　改变转子外径Fig.6 Change Dr

图7　改变定转子极弧Fig.7 Change Es and Er

2.3.36/4极开关磁阻电机设计结果

根据以上仿真分析获得的规律和经验，对6/4极电机的参数进行合理的调整，最终设计出满意的电机参数，如表3所示。

图8展示了所设计开关磁阻电机的绕线形式。按图中所示进行绕线，磁场极性沿圆周就会以NNNSSS排布，这样可以有效减小转子中磁场的变化率，提高开关磁阻电机的效率。

表3　6/4极开关磁阻电机结构参数Tab.3 Structure parameters of 6/4 SRM

图9展示了电机中磁场分布范围最大的情况，此时电机的整个定子轭部，一对定子齿与一对转子齿的磁密都较高，平均值在1.3T～1.4T之间。图11展示的是齿尖局部饱和的情况。整体而言，电机的磁场处于合理范围。磁场饱和程度小一些，这有利于进一步减小铁耗，提高电机效率。

图8　电机绕组连接Fig.8 Winding connection

图9　电机磁密分布1Fig.9 Flux density distribution1

图10　电机磁密分布2Fig.10 Flux density distribution2

下面是利用Ansoft中RMxprt仿真的该电机额定运行时的主要数据结果：

输入电流3.8A；相电流有效值3.97A；相电流密度7A/mm^2；摩擦和风磨损耗50W；铁耗171.42W；绕组铜耗33.35W；总损耗266.19W；输出功率919W；效率77.55%；额定转速25000r/min；额定转矩0.351221N.m。

由结果可知，25000r/min时铁耗是主要损耗。高速时风磨损耗会很严重，仿真时需要设定这个值，所以取得值比较大，为50W。仿真的效率达到了77%，实际中希望能达到75%。输出功率为919W，这是设计时留了一定裕度。

图11展示了该电机实际中的三维效果图。

图11　SRM三维效果图Fig.11 Three-dimensional Renderings of SRM

3 总结

文章主要针对电动工具的实际应用要求，设计了一种适用于电锯的开关磁阻电机。设计过程中，分析比较了6/4极与12/8极的结构特点，重点分析了6/4极结构的结构参数对电机转矩的影响，得出了一些指导规律。这些规律也可以被应用到其他情况下开关磁阻电机的设计中。

此次设计的开关磁阻电机，转速高达25000r/min，高速运行时，铁耗成为最重要的损耗，而且数值很大。本文主要从电机的结构和绕组的连接形式方面来提高电机的效率。采用6/4极结构，NNNSSS的布线方式，尽可能的降低磁场的变化率，来降低铁耗。此外，电机的饱和度不够高，这也有利与降低铁耗。

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Design and Performance Analysis of the Switched Reluctance Motor used to Power Tools

ZHU Jin-bao1， GAO Jian-ping2， LIU Li-kun2
（1.Jiangsu Jinfeida Power Tools Co.， Ltd.， Jiangsu Province， Gaoyou 225000， China； 2.Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China）

Power tools are a class of important working tools widely usedin the daily life， but few of them use switched reluctance motor as the drive motor at present.This paper， based on requirements of the driving motor from power tools used in industry production， will design one excellent performance switched reluctance motor which is suitable for power tools， by the software Ansoft Maxwell2D.During the design process， the torque ripple and efficiency will be the key study objects ， so thatthemotorisone with small torque ripple and high efficiency.According to the actual application environment ， the size of the switched reluctance motor must be small enough.In order to meet this requirement and considering that the switched reluctance motor is suitable for high speed operation， the rated speed is set to 25000r/min.

Switched reluctance motor；Power tools；High speed motor；Torque ripple

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.05.009

ZHU Jin-bao， GAO Jian-ping， LIU Li-kun. Design and Performance Analysis of the Switched Reluctance Motor used to Power Tools［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（5）: 55-61.

朱金宝（1963-），男，工程师，机械设计制造，电机设计；高建平（1993-），男，学士，新型电机设计；刘丽坤（1990-），男，硕士研究生，电机控制