一種電動工具用高速電機的分析與設計

黃平林，羅 妤

（1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.騰達電動科技鎮江有限公司，江蘇 鎮江 212013）

1 引言

高速電動機在許多行業中都有應用，如電動工具行業。以往電動工具電機多采用單相串勵交流電機，這類電機需要用到碳刷和換向器進行換向，這會影響到電機的使用壽命，特別是在高轉速的情況下[1]。而采用電子換向的永磁無刷電機，因為不需要對電流進行機械換向，可實現電機的長壽命和免維護，具有較好的應用前景。

目前采用永磁無刷電動機的電動工具已不鮮見，如電動割草機、電動綠籬機等，特別是充電型電動工具，因其使用靈活，攜帶方便，在市場上更受歡迎。但這類產品對電機的要求極高，既要求電機體積小、重量輕，還需要效率高，以實現長時間的續航能力，普通的高速電機難以滿足要求。文獻[2]發明了一種可應用于無鐵心電機的PCB繞組工藝，應用于電動除草機電機中，電機轉速6000r/m以上，功率在150W，電機重量僅0.7kg，系統效率達到82%，其性能指標是同類產品中最高的。但該電機采用了較為復雜的多層電路板工藝，實現起來成本較高，而且由于采用了軸向磁通無鐵心電機技術，電機繞組上的渦流損耗較大，發熱明顯，制約了電機功率和效率的進一步提升[3]。

為此，采用軟磁復合材料設計了一款高速電機，結合轉子HALBACH磁路的優化設計，實現了電機的高效和輕量化，并成功地將此款電機應用于電動打草機中，對其他行業用高速電機也具有較好的參考價值。

2 電機本體設計

擬開發的電機目標性能為：轉速為（6000～10000）r/m，重量＜0.7kg，扭矩＞0.5nm，采用24V3500mah的鋰電池供電，正常工作時續航時間超過60min。考慮到外轉子電機可最大程度地提升電機轉矩，初步確定電機的基本結構為外轉子永磁無刷電機，為方便下線、并盡量減小繞組端部長度，宜采用集中繞組，從而進一步確定電機槽數為12，轉子極數為10，電機初始磁路結構，如圖1所示。采用MAXWELL RMxprt軟件對初始電機方案進行性能計算，結果表明：當電機轉速達到6000r/m時，電機鐵心損耗顯著增加，電機效率小于65%，電機發熱嚴重，而且電機重量超過0.8kg。可見，采用常規的設計方案已不能滿足要求。

圖1 電機初始磁路結構Fig.1 Initial Magnetic Structure

為此，考慮采用高頻性能更好的軟磁復合材料來設計電機，同時還需要對電機的定轉子以及磁路結構進行優化，進一步提高效率、減輕重量。

2.1 定子鐵心設計與優化

若按照傳統電機設計方法，定子鐵心采用硅鋼片沖片疊壓而成，沖片尺寸，如圖2（a）所示。當電機轉速達到10000r/m時，電機的磁場頻率可通過下式計算：

式中：n—電機轉速；p—電機極對數。

由此得到10000r/m時電機磁場頻率為833.3Hz。

考慮到鐵心材料的損耗特性為[4]：

式中：右邊對應的三項依次是磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗。

由式（2）可知，磁滯損耗隨頻率線性增加、渦流損耗隨頻率的平方線性增加，因此隨著頻率的增加渦流損耗在總損耗中的比重會迅速增加。擬開發的電機在833.3Hz的高頻之下，定子鐵心的損耗會非常大，從而降低電機效率。若采用減少電機極數的方法，雖然可降低磁場頻率，但電機的體積會增加。為此，擬采用軟磁復合材料（SMC）來設計電機定子鐵心。軟磁復合材料（Soft magnetic composites，SMC）是通過在鐵磁顆粒表面包覆電絕緣薄膜而獲得的一類電磁應用材料[5]，具有良好的高頻特性和三維各向同性的磁性能，適合應用于高速電機中。

考慮到SMC材料的三維各向同性，在對電機定子鐵心進行優化設計時，定子齒面還可設計成圓形或橢圓形，也可對齒邊進行倒角設計，這樣更方便加工，而且對繞線也有利，可避免定子齒部邊緣破壞漆包線的絕緣，并可獲得更高的槽滿率，進一步提高電機的功率密度。

用SMC材料加工定子鐵心倒角后的加工圖，如圖2（b）所示。SMC材料加工成橢圓形鐵心的加工圖，如圖2（c）所示。可見，與硅鋼片疊片相比，采用SMC材料設計電機鐵心時，鐵心設計可以變得更加靈活和精細。

圖2 幾種定子鐵心結構圖Fig.2 Several Iron Core Structure

2.2 轉子設計

永磁無刷電動機的永磁轉子由永磁體和轉子磁軛組成，為了增加電機的功率密度，就需要通過多用永磁體來增強電機內的有效磁場，但多用永磁體后不但電機的成本增加，而且磁場增強后，構成永久磁路的磁軛部分也需要加長，以避免軛部的磁飽和，由此又帶來電機重量和體積的增加。為解決增強磁場的同時永磁體用量和磁軛增加這一問題，采用了HALBACH陣列的磁路結構。

HALBACH陣列是一種奇特的永磁體結構，即將不同充磁方式的永磁體按照特定規律排列，可實現永磁體一側增強磁場，而在另一側減弱磁場，同時優化氣隙磁場，使氣隙磁場更接近正弦波[6-8]。HALBACH陣列中每兩個相鄰磁化矢量可存在90°、60°或者45°的夾角，對應的每極永磁體塊數分別為2塊、3塊和4塊。兩個相鄰磁化矢量夾角為90°時的平面排列的HALBACH陣列圖，如圖3（a）所示。沿圓周排列的HALBACH陣列，每個磁極均由兩塊磁體組成，如圖3（b）所示。HALBACH陣列的磁場強度可通過理論式（3）可進行計算[9]。

圖3 HALBACH陣列Fig.3 HALBACH Array

式中：Bm0—磁場的幅值；Br—永磁體的剩磁強度；β=2π/la，la是一對極的空間距離；nM—一對極包含的永磁體塊數；hM—永磁體的厚度。理論上，永磁體塊數越多，HALBACH陣列產生的磁密波形正弦性越好，但會帶來永磁體的安裝和充磁的難度增加。

采用的HALBACH陣列每極由2塊永磁體拼裝而成，結構簡單，永磁體安裝定位和充磁容易，轉子磁路布置，如圖3所示。共采用20片永磁體，磁體厚度為3mm，充磁方向互差90°，每4片構成一對磁極，組成一個5對極的永磁轉子。利用式（3），計算得到磁場強度幅值為0.6T。

采用HALBACH陣列后，電機轉子可以無需鐵軛，磁路結構，如圖4（a）所示。此時在磁陣列磁場減弱的一側僅存在不大的漏磁，可以用很薄的鐵片作為轉子的鐵軛，該鐵軛同時起到增強電機轉子機械強度和方便磁體安裝的作用，增加薄鐵軛后的電機磁路結構，如圖4（b）所示。采用有限元分析方法，對不同厚度轉子鐵軛時的電機磁場進行分析計算，得到當軛鐵厚度為2mm時，可獲得最佳的電磁效果，此時磁場分布，如圖5所示。電機有效磁場進一步增強，轉子軛部未出現磁飽和，轉子外部的空氣中已沒有漏磁。

圖4 HALBACH陣列電機磁路結構Fig.4 Motor Magnetic Structure with HALBACH Array

圖5 增加鐵軛后的電機磁場分布Fig.5 Magnetic Field Distribution with Rotor Yoke

3 樣機加工與測試

對上述電機進行試制，電機SMC鐵心采用赫格納斯公司的生產的SOMALOY 500軟磁復合鐵粉材料制作，利用其塊狀原料直接整體加工而成，加工過程中需要對加工的工藝進行嚴格的控制，如進行切削、車磨加工時，刀頭的轉速、進刀速度、冷卻方式等都需要按照廠商的要求進行，否則會對材料的電磁性能產生影響。此外，塊狀的SMC材料機械加工性能較普通金屬材料差，不當的加工方式將很難保證其加工精度。當批量加工時，鐵心的制作宜采用SMC粉末壓鑄成型的工藝，可避免機加工過程對材料電磁性能的影響。電機測試性能，如表1所示。

為減輕電機總體重量，電機外殼采用鋁合金材料。電機采用永磁無刷的控制方式，電機內部安裝有三路霍爾傳感器，三路霍爾傳感器相互之間相差120°電角度，沿定子圓周方向固定，采用無刷直流電機驅動器帶動電機工作，測試中的電機，如圖6（a）所示。

圖6 測試中的電機和電動工具Fig.6 Motor and Electric Mower in Test

表1 電機測試性能Tab.1 Measured Performance of Motor

將上述電機及其控制器應用于電動打草機中，進行現場測試。電動機的外轉子直接驅動打草頭旋轉，進行打草測試，電動打草機實物，如圖6（b）所示。測得電動打草機的綜合性能，如表2所示。測試結果表明，開發的電動機具有體積小，重量輕，運行效率高等特點，電機適合于高轉速場合，而且電機轉速越高，優勢越明顯，應用于電動工具中能獲得很好的實際效果。

表2 電動工具實測性能Tab.2 Measured Performance of the Electric Mower

4 結論

設計開發的高速外轉子永磁電機，電機定子鐵心采用軟磁復合（SMC）材料制成，轉子采用HALBACH磁陣列結構，在有效地增強電機磁場的同時，減輕電機轉子軛部的重量，使得電機的體積小、重量減小，高速運行效率高。電機測試和應用實驗很好地證明了以上設計方法的正確性，對高速電動機，特別是電動工具用高速電動機的設計具有較好的借鑒意義。

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