Michael Springer

無刷——刷新了什么？

Michael Springer

兩項科技的發(fā)展正在重新塑造電池式工具的發(fā)展路線，一個是正在風風火火進行中的電池功率升級競賽，另一個則是無刷電動機的崛起。現(xiàn)代無刷電動機技術(shù)已歷經(jīng)50年的發(fā)展，但是直到最近才在手持式電動工具領(lǐng)域找到方向。

從事電動工具行業(yè)的人們提出了一系列問題，集中表現(xiàn)在：無刷電動機與傳統(tǒng)電機相比有什么好處，無刷電動機成本的增加是否有所價值？本文試圖解釋這項技術(shù)以及相關(guān)制造商聲稱可以達到的性能。

串勵電動機

帶電源線的手持式和大部分可移式電動工具內(nèi)設(shè)串勵電動機，意味著這些工具可以使用交、直流電驅(qū)動，但實際上大部分該類產(chǎn)品只能運行于交流電下。

除了軸承和電線，串勵電動機有兩個基本組件：轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子是負責電動機旋轉(zhuǎn)的中心部件，定子是圍繞轉(zhuǎn)子的固定組件。定轉(zhuǎn)子包含勵磁繞組，通電后形成電磁體，由電磁體形成的磁場帶動電動機的運轉(zhuǎn)。

磁引力拖動轉(zhuǎn)子向兩個不同方向運動而產(chǎn)生力矩，從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于換向器的作用產(chǎn)生交變電磁場，維持了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，同時控制速度和轉(zhuǎn)向。

電刷換向

由于定子是固定的，可以通過硬導(dǎo)線聯(lián)接電源。但是轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動的，是通過跨接在換向器兩端的導(dǎo)電碳刷聯(lián)接電源的，換向器基本相當于一個旋轉(zhuǎn)的開關(guān)裝置。換向器是由換向片組成的，換向片之間的間隙導(dǎo)致間歇性的接觸，決定了轉(zhuǎn)子電磁場能量形成的時間和順序。無論是帶電源線的電動工具還是電池式電動工具，有刷電機都是這樣工作的。

永磁電動機

對于電池式電動工具而言，受電源供給和空間結(jié)構(gòu)的限制，有刷的電池式工具定子是永磁體，而不是繞組。采用強大的稀土材料作為永磁體的永磁電動機優(yōu)點體現(xiàn)在優(yōu)良的低速轉(zhuǎn)矩和制動特性。

無刷電動機

無刷電動機，也稱作電子換向（EC）電動機，基本上與永磁電動機相反，即：定子是電磁繞組，而轉(zhuǎn)子是永磁體。磁鐵不需要電源，因此也不需要碳刷和換向器。

既然沒有起旋轉(zhuǎn)換向作用的機械轉(zhuǎn)換開關(guān)，無刷電動機就包含了微處理器(一個微型的機載計算機) 以提供電子換向過程中的電子切換轉(zhuǎn)向。電子元件監(jiān)控轉(zhuǎn)子的位置，即時發(fā)送反映轉(zhuǎn)子電磁場變化的電脈沖，由此控制電動機的轉(zhuǎn)向和速度。

無刷電動機的特點

通過采訪工具制造商的工程師和產(chǎn)品經(jīng)理可以獲取他們對無刷電動機工具的評價。大家都基本認可以下內(nèi)容：

高效

不存在碳刷與換向器之間的摩擦損耗以及電子換向（程序控制），較機械換向更為精確高效。因此，這類電動機相比于同等尺寸的傳統(tǒng)電動機功率更大。

性能

無刷電動機運行時溫升較低、更安靜、振動更小。沒有碳刷的拉弧現(xiàn)象，從而降低影響電子元件工作的無線電頻率和電氣噪聲干擾。一般，有刷電動機總是在正向旋轉(zhuǎn)時更為強勁，反向旋轉(zhuǎn)時偏弱一些，而無刷電動機的正反轉(zhuǎn)則沒有差異。

耐久性

沒有電刷損耗，無刷電動機的使用時間更長久。轉(zhuǎn)子上沒有電磁繞組，可以降低工具核心區(qū)域的溫升，事實上這個區(qū)域的熱量很難散發(fā)。為防止電子控制被損壞并延長工具的壽命，一些制造商將電子控制部分封裝或灌裝在塑料內(nèi)以防塵或防潮。

設(shè)計

無刷電動機功率密度更大，因此在輸出功率相同時，無刷電動機較傳統(tǒng)電動機體積更小、更輕。借助于電子控制，無刷電動機更易于被附加一些功能，例如多重速度控制、軟啟動以及電源切斷后工具的平穩(wěn)停止。但是，用無刷電動機簡單替代標準電動機不會自動提升產(chǎn)品的性能。為了提升工具的性能，必須將電動機、電子控制和電池作為一個整體的系統(tǒng)來綜合考慮。

下表包含美國市場主要品牌采用無刷電動機的電動工具（不包括流水線專用的工業(yè)型號），包括我們所知的已經(jīng)在開發(fā)中的型號。列表中不包括這些工具的所有版本，尤其是一些通過組合銷售或與不同的電池包配套銷售，銷售量較小的型號。

無刷電動機的應(yīng)用

并非所有的工具都適合使用無刷電動機。迄今為止，沒有一個制造商的無刷電動機電池式工具在動力上超過其自身的標準電動機設(shè)計版本。大部分品牌僅在操作輕型和接近于恒定負載，即轉(zhuǎn)速不會發(fā)生大幅度變化的情況下使用無刷電動機。這類工具很難或不可能堵轉(zhuǎn)，例如旋轉(zhuǎn)電錘、沖擊起子、沖擊扳手等類似工具。

制造商通常避免將無刷電動機運用于負載會大幅度變化，且會出現(xiàn)瞬間峰值轉(zhuǎn)矩或大電流的場合（例如往復(fù)鋸或電圓鋸）。但也并非絕對如此，最新一代的無刷電池式工具就有一些適合于重型工作制的電鉆/起子和鏈鋸。

高端產(chǎn)品

因為有必不可少的電子元件包，含有無刷電動機工具的成本比含有標準電動機的工具要高得多。這個成本溢價就是為什么一些品牌的無刷型號與類似的有刷型號共同銷售，而不是直接替代的原因。這也是為什么無刷電動機一直受限于最流行的電池式工具，例如電鉆和沖擊起子，也不用于使用頻率低的帶有附加功能的電動工具。未來是無法預(yù)言的，希望能夠看到更多的來自主要品牌的無刷電動機工具，且具備更有競爭力的價格。

（編譯 顧菁）