电动工具用无刷直流电机的设计 吕新明 湖州职业技术学院 摘 要： 论文给出了一种锂电池供电的电动工具用无刷直流电机设计方法研究了这类电机的定子铁心尺寸、绕组匝数、导线直径、永磁体牌号尺寸等主要结构参数的计算给出了简洁而实用的计算顺序, 校核了电机的堵转扭矩, 并给出了一个工程样机的设计案例最后对工程样机进行了测试, 给出了实测结果, 证明了设计方法的正确性关键词： 电动工具; 无刷直流电机; 高速电机; 作者简介：吕新明, 男, 博士主要研究方向:机电产品的设计Design of the Brushless DC Motor Used for Electric ToolsLV Xin-Ming Huzhou Vocational Abstract： Design method of the brushless dc motor used for lithium battery electric tools was presented. The calculation of main structure parameters was studied, such as the core size, the winding circle number, the wire diameter, the Permanent magnet type and size, and so on.Concise and practical calculation sequence was presented. The locked-rotor torque of the motor was checked, and an engineering prototype design case was given. Finally, the designed engineering prototype was tested, and the measured results were given. The results show that the design method is correct.Keyword： electric tools; brushless DC motor; parameter design; 0 引言近年来我国电动工具产业发展很快, 已连续几年产量超过 3 亿台。
然而我国电动工具产量虽大, 所用电机却大多是落后的有刷电机, 主要有串励电机和永磁直流电机两类[1], 其主要缺点是电机效率低, 能耗大, 而且使用寿命短, 有的仅能连续使用 20 多小时就会因碳刷磨完而报废, 造成严重的资源和能源浪费因此, 用无刷直流电机取代有刷电机, 提高电机寿命和运行效率是当务之急[1]本文给出了一种电动工具用无刷电机的设计案例, 可为此类电机的设计提供参考1 电机主要结构设计1.1 主要性能指标的确定本文设计的专用无刷直流电机用于手电钻根据现有技术规格, 提出主要性能指标如下:外形尺寸:外径 36mm, 轴向高度 58mm;额定工作电压:U=18V;额定输出功率:Pe=120W, 额定转速:n e=19000rpm, 堵转转矩:T d=0.5N.m为了延长电池使用时间, 对电机效率要求较高, 把额定工作点的运行效率设计为:η=80%根据以上参数, 就可进一步计算出电机的额定电流、额定扭矩和转矩常数, 如下:额定电流:额定扭矩:转矩常数:代入已知参数, 算得电机的额定电流为:8.3A, 额定扭矩为:0.06 N·m, 转矩常数为:K T=0.007237N.m/A。
1.2 电机永磁体的选择该电机功率密度很高, 对堵转转矩要求也高, 因此选取了高温烧结钕铁硼作转子磁体, 具体牌号为:45SH, 工作温度 150°C, 表面剩磁 1.3T, 磁感应矫顽力1003KA/m, 内禀矫顽力大于 1592KA/m手电钻要求电机在堵转条件下能承受大电流冲击而不退磁, 并能提供足够的堵转扭矩, 因此转子磁钢要有足够的厚度, 这里取厚度为 3mm1.3 电机极数与槽数的选择该电机额定转速 19000rpm, 属于高速电机, 所产生的高频交变强磁场会带来很高的铁耗为降低铁耗, 需尽可能降低转子磁场频率由于不可能改变转速, 也就只能减小极对数, 故采用转子 2 极、定子 3 槽结构的组合模式, 可最大限度地减小电机铁耗1.4 定子铁心主要结构和尺寸根据手电钻所要求的电机安装尺寸, 设计了定子冲片结构如图 1 所示铁心外径取 36mm;极宽 4mm;定子轭宽度应大于极宽的一半, 取为 2.2mm;极靴宽度 2mm, 结构如图 1 所示另外取定子铁心轴向叠片长 l 为 27mm图 1 定子铁心主要结构和尺寸 Fig.1 The structure and size of the stator core 下载原图1.5 定子线圈匝数的设计设定子极内部磁通密度为 Bp, 定子极宽为 bp, 定子铁心的轴向长度为 l, 那么穿过一个定子极的磁通为:无刷电机采用三相星形接法, 任意时刻都有 2 相绕组串联工作, 也就有 2 个定子极的磁通在同时作用。
考虑到永磁电机的转矩常数与产生电磁力的有效导体数的关系, 可得电机的有效工作导体数为[2]:将式 (4) 代入式 (5) 即可算得导体数 N由于烧结钕铁硼磁钢有充足的磁势, 因此定子极工作于磁饱和状态, 一般取其磁感应强度 Bp=2.4T;又根据图 1 可知bp=4mm, l=27mm, 代入算得电机有效工作导体数为:87.7, 取整为 88需注意, 算出的 N 是 2 相绕组的有效导体数, 而每一匝线圈又有 2 条有效工作导体;因此每一相的绕组匝数 Np为:算得 Np=22由此完成了电机的绕组匝数设计1.6 线径的求取选取线径须考虑导体的电流密度和定子槽利用率设定子槽面积为 AS, 槽满率为 KSF, 由于每匝线圈都有 2 根导线穿过定子槽, 可得允许的导线截面积 Scu为:根据图 1 尺寸可算得定子槽面积为 AS=113mm若取槽满率为 KSF=38%, 则可用槽面积为 41.7mm算得每根导线截面积为:1.03mm, 线径为 1.145mm最后按漆包线规格系列, 取线径为 1.12mm, 截面积为 0.9852mm校核导体电流密度:工具电机为断续工作, 考虑到电机的散热条件不佳, 导体电流密度 J 选在 5~10A/mm 范围内。
该电机的额定工作电流 I=8.3A, 算得额定电流密度为 8.4A/mm, 在允许范围内2 电机堵转扭矩的计算电动工具对电机的堵转扭矩有很高要求, 所设计的电机必须达到预期目标才算合格下面计算电机堵转扭矩, 以校验电机设计的合理性2.1 计算线圈电阻一相绕组嵌在定子槽中的分布范围大致如图 2 的阴影部分所示在图 2 所示绕组分布区域中, 处于阴影面积正中心的线圈长度可认为是所有线圈平均长度结合已知尺寸, 可得出线圈的平均展开尺寸如图 3 所示算得绕组图 2 一相绕组在定子槽内的分布范围 Fig.2 The distribution of a phase winding in the stator slot 下载原图图 3 线圈的平均尺寸 Fig.3 The average size of the coil 下载原图平均长度为:L av=98mm=0.098m, 那么一相绕组的长度为:一相绕组的电阻为:温度为 75°C 时, 铜线的电阻率为 0.0217Ω.mm/m, 算得一相绕组的电阻为:R=0.0475Ω2.2 计算电机的堵转转矩电动工具需要足够的输出扭矩, 因此电机的堵转转矩必须达到预期目标。
前面已经计算了电机的转矩常数, 那么要达到预期的堵转转矩, 需要的电流为:算得需要的堵转电流为:I d=69A如果电机能够达到该电流, 就能提供所需的扭矩堵转时电机没有反电势, 电机的电流取决于电压和铜线电阻, 理论上堵转时电机可达到的最大电流为:算得最大电流为 Imax=189A, 远大于所需的堵转电流, 因此电机是能够达到所需的堵转扭矩的由于该电流过大, 为了减小对功率器件的冲击, 在控制电路设计时可以把保护电流设置在 70A 左右, 既能达到所要求的堵转扭矩, 又可减小功率器件的伏安容量, 降低成本3 样机的测试结果电动工具用电机最关心的是堵转扭矩和效率, 因此对样机的两个关键参数进行测试首先测试电机输出扭矩, 图 4 为电机的转速-扭矩曲线, 可见当扭矩为0.06Nm 时, 电机转速接近额定转速, 符合设计要求进一步增加负载扭矩, 转速线性下降, 在 0.2N·m 时仍有大约 17000 转, 照此规律, 当达到预期的堵转扭矩 0.5N·m 时, 转速仍能维持在 10000 转上下, 远大于零因此当电机堵转时, 其扭矩会大于 0.5N·m, 达到预期的堵转扭矩是没问题的图 4 样机的扭矩-转速曲线 Fig.4 The torque-speed curve of the prototype 下载原图对电机连续加载, 测得效率曲线如图 5 所示。
图 5 的效率曲线显示, 该电机在额定扭矩附近效率略小于 80%, 但在 1.5 倍扭矩附近效率大于 80%, 可见该电机效率高于设计要求这主要得益于绕组电阻的减小图 5 样机的效率曲线 Fig.5 The efficiency curve of the prototype 下载原图4 结束语本文设计了电动工具用的无刷直流电机, 给出了电机定子铁心尺寸、绕组匝数、导线直径、转子永磁体等主要结构参数的设计方法和步骤, 并对原理样机进行了测试测试结果表明, 该电机的输出扭矩和效率达到了预期的设计目标和效果, 验证了设计方法的正确性参考文献[1]徐鹏.电动工具行业创新转型的契机——从无刷电机看行业技术发展趋势[J].电动工具, 2014, S2:4~5. [2]邱国平, 邱明.永磁直流电机使用设计及应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2009. 。