錢志存，杜 平，李忠鵬

（TTI創(chuàng)科實(shí)業(yè)有限公司， 廣東 東莞 523960）

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無刷電機(jī)在變載荷電動(dòng)工具的設(shè)計(jì)及選用

錢志存，杜 平，李忠鵬

（TTI創(chuàng)科實(shí)業(yè)有限公司， 廣東 東莞 523960）

摘要：通過對(duì)某工具的載荷變化，引入無刷電機(jī)在變載荷工具的設(shè)計(jì)和選取，結(jié)合仿真和樣機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證得出結(jié)論，選用的無刷電機(jī)在變載荷工具的實(shí)際使用中偏差不大。

關(guān)鍵詞：無刷電機(jī)；變載荷；電動(dòng)工具；仿真

0 引言

直流無刷電機(jī)在醫(yī)療器械、家用電器以及電動(dòng)工具領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，因其壽命、體積、效率、噪聲、無火花等多方面的優(yōu)勢逐漸得到了市場和用戶的認(rèn)可，越來越多的應(yīng)用轉(zhuǎn)而由無刷電機(jī)系統(tǒng)取代有刷或異步電機(jī)系統(tǒng)，尤其是在電動(dòng)工具領(lǐng)域。如何設(shè)計(jì)及選用無刷電機(jī)成為行業(yè)共性技術(shù)的關(guān)鍵所在。

1 概述

一般而言，客戶的需求基于一個(gè)BENCHMARK主機(jī)，即有樣機(jī)的特性可以參考，包括電機(jī)的性能曲線、電源電壓及頻率或電池容量、高低速的齒輪比等參數(shù)，以表1為例，列出了某BENCHMARK主機(jī)參數(shù)：

表1　某BENCHMARK主機(jī)參數(shù)

要得到這樣的主機(jī)，首先分析對(duì)于電機(jī)本體，其高速檔空載轉(zhuǎn)速以及堵轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)過初步計(jì)算可以得到空載轉(zhuǎn)速為23 800 r/min，堵轉(zhuǎn)扭矩為1.99 N·m。

通過以上兩個(gè)參數(shù)和BENCHMARK主機(jī)上電機(jī)的外形尺寸，可以得到基本的需求，對(duì)于啟動(dòng)時(shí)間，可以得到控制器是否設(shè)置軟啟動(dòng)方面的信息。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)

獨(dú)立的談電機(jī)設(shè)計(jì)是較為復(fù)雜的課題，這里主要針對(duì)該種應(yīng)用的概括性討論。

首先，基座號(hào)的選擇。從BENCHMARK主機(jī)的尺寸及客戶ID對(duì)電機(jī)要求可以得到初步的電機(jī)尺寸，當(dāng)然通過A×B∝P也可以得到電機(jī)的基本尺寸（A為電機(jī)的電負(fù)荷，B為電機(jī)的磁負(fù)荷），這里不具體闡述，主要討論內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。

其次，電機(jī)極槽配合的選擇。通過尺寸的確定及類似產(chǎn)品的規(guī)格，基本可以確定極槽參數(shù)的特點(diǎn)，一般來說，4 p/6 s 、6 p/9 s、8 p/9 s、8 p/12 s、14 p/12 s（p為轉(zhuǎn)子極個(gè)數(shù)，s為定子槽數(shù)）在電動(dòng)工具無刷電機(jī)應(yīng)用中較為常見，根據(jù)各自極槽配合的工藝特點(diǎn)和電氣性能來選擇較為實(shí)用，如外徑為φ40 mm電機(jī)，選用4 p/6 s較為合適，如果選擇8 p/12 s則其極槽配合將會(huì)增加工藝難度；但如果外徑為φ90 mm的工具，選用4 p/6 s就相對(duì)不匹配，槽大，繞組跨距長，低壓的線徑會(huì)顯得略粗，對(duì)結(jié)構(gòu)方面產(chǎn)生不利影響。

再者，繞組方式的選擇。從我們選擇的極槽配合來看，繞組方式也已經(jīng)基本確定為工藝簡單的集中繞組，但具體采用三角形接法或星形接法，與基波繞組系數(shù)和三次諧波繞組系數(shù)有關(guān)。

表2將常見的分?jǐn)?shù)槽繞組的基波繞組系數(shù)和三次諧波繞組系數(shù)列出。

表2　常規(guī)分?jǐn)?shù)槽繞組參數(shù)對(duì)照

表2中，q為每極每相槽數(shù)，Z為槽數(shù)?？梢钥闯?，q值為1/2和1/4的三次諧波繞組系數(shù)為0，對(duì)于繞組接法沒有明顯不利影響。從目前市場上看，某些應(yīng)用也不完全遵守這一規(guī)則，主要是從工藝方面的考量。

圖1所示為在某工具中測試的負(fù)載電流波形。

3 變載荷參數(shù)

一般，工具的負(fù)載有二種類型，一種是應(yīng)用載荷盡管不固定，但呈規(guī)則性變化，如打釘槍，沖擊扳手等，另一種載荷根據(jù)應(yīng)用的不同變化很大，如電鉆，角磨機(jī)，打磨機(jī)，打草機(jī)，鏈鋸等。

3.1 周期性變化載荷參數(shù)提取

針對(duì)周期性變化載荷，可根據(jù)BENCHMARK主機(jī)測試的曲線去擬合負(fù)載和時(shí)間的周期性關(guān)系，然后導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件，添加控制方式、保護(hù)設(shè)置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)等信息，進(jìn)行初始的設(shè)計(jì)仿真。

圖1　測試電流波形

通過BENCHMARK主機(jī)使用電機(jī)的測試特性曲線，可以推測出在不同電流下負(fù)載點(diǎn)，然后擬合成與時(shí)間對(duì)應(yīng)的負(fù)載，得到負(fù)載隨時(shí)間變化的規(guī)律。如圖2所示，X軸代表時(shí)間，Y軸代表在不同時(shí)間下的載荷。

圖2　擬合的負(fù)載隨時(shí)間變化的擬合

考慮電機(jī)的啟動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，需要周期數(shù)大于啟動(dòng)時(shí)間，這樣得到的仿真結(jié)果將會(huì)是穩(wěn)定的輸出。

3.2 載荷不規(guī)則的負(fù)載

在載荷變化根據(jù)應(yīng)用不同有較大差別的工具中，需要考量其在最惡劣工作條件下的負(fù)載狀態(tài)。如某手持類工具會(huì)有一個(gè)使用環(huán)境最惡劣、負(fù)載最大，電流最高的測試項(xiàng)目，那么取該種狀態(tài)的負(fù)載狀態(tài)作為設(shè)計(jì)的邊界條件是合適的，當(dāng)然也包括測試項(xiàng)目中對(duì)控制器邊界條件影響很大的諸如堵轉(zhuǎn)、急停等項(xiàng)目。針對(duì)無繩工具還應(yīng)考慮不同電池的容量，保護(hù)設(shè)置對(duì)電機(jī)及控制器的影響會(huì)引發(fā)起電機(jī)永磁體邊界退磁，印制板焊接點(diǎn)松脫等風(fēng)險(xiǎn)。

4 仿真與驗(yàn)證

從現(xiàn)有的工具電流波形抽離的理想數(shù)據(jù)來看，電流呈現(xiàn)規(guī)律變化，18 ms為一個(gè)周期。為了簡化模型，電流對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也進(jìn)行了簡化處理，形成三角變化的負(fù)向載荷加載在無刷電機(jī)的輸出上，因電機(jī)變載時(shí)慣量，阻尼對(duì)輸出有一定的影響：

式中：J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Tem——電磁轉(zhuǎn)矩

Tload——負(fù)載轉(zhuǎn)矩

ω——角速度

β——角加速度

λ——阻尼系數(shù)

將參數(shù)量化輸入至無刷電機(jī)的模型，如圖3所示。

圖3　設(shè)置慣量和阻尼

仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出，負(fù)載也呈周期性變化。

圖4　整個(gè)負(fù)載變化電流波形

放大穩(wěn)定輸出一個(gè)周期波形如圖5所示。

圖5　仿真一個(gè)周期的電流波形

參考仿真電機(jī)的參數(shù)，制作了兩臺(tái)樣機(jī)組裝在工具上，負(fù)載電流測試波形如圖6所示。

圖6　實(shí)測波形

對(duì)比仿真波形及實(shí)測波形數(shù)據(jù)見表3。

表3　仿真與樣機(jī)數(shù)據(jù)分析

從仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比來看，周期時(shí)間偏差為0.8%；最大負(fù)載電流偏差為5.4%；負(fù)載均方根電流偏差為7.6%。所有數(shù)據(jù)偏差都在10%以內(nèi)，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度較高。

對(duì)于載荷不規(guī)則的工具，較難抽離載荷的具體情況，可以通過具體的惡劣載荷情況進(jìn)行可靠性驗(yàn)證并積累數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)參考。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)某工具的載荷變化，引入到無刷電機(jī)在變載荷工具的設(shè)計(jì)和選取。從本文的仿真和樣機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)不難看出，選用的無刷電機(jī)在變載荷工具的實(shí)際使用中偏差不大。因此，該設(shè)計(jì)思路對(duì)無刷電機(jī)在變載荷工具中的選用或許可以起到借鑒和參考作用。

參考文獻(xiàn)

［1］程明.微特電機(jī)及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］海老原大樹.電動(dòng)機(jī)技術(shù)使用手冊(cè)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［4］王秀和.永磁電機(jī)［M］.北京：中國電力出版社，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

中圖分類號(hào)：TM930.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2796（2016）02-0009-04

［收稿日期］2016-02-01

［作者簡介］錢志存（1979—）男，碩士研究生，工程師，主要從事無刷電機(jī)及特種電機(jī)應(yīng)用與設(shè)計(jì)工作。