一种电动工具用高速电机的分析与设计

黄平林，罗 妤

（1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.腾达电动科技镇江有限公司，江苏 镇江 212013）

1 引言

高速电动机在许多行业中都有应用，如电动工具行业。以往电动工具电机多采用单相串励交流电机，这类电机需要用到碳刷和换向器进行换向，这会影响到电机的使用寿命，特别是在高转速的情况下[1]。而采用电子换向的永磁无刷电机，因为不需要对电流进行机械换向，可实现电机的长寿命和免维护，具有较好的应用前景。

目前采用永磁无刷电动机的电动工具已不鲜见，如电动割草机、电动绿篱机等，特别是充电型电动工具，因其使用灵活，携带方便，在市场上更受欢迎。但这类产品对电机的要求极高，既要求电机体积小、重量轻，还需要效率高，以实现长时间的续航能力，普通的高速电机难以满足要求。文献[2]发明了一种可应用于无铁心电机的PCB绕组工艺，应用于电动除草机电机中，电机转速6000r/m以上，功率在150W，电机重量仅0.7kg，系统效率达到82%，其性能指标是同类产品中最高的。但该电机采用了较为复杂的多层电路板工艺，实现起来成本较高，而且由于采用了轴向磁通无铁心电机技术，电机绕组上的涡流损耗较大，发热明显，制约了电机功率和效率的进一步提升[3]。

为此，采用软磁复合材料设计了一款高速电机，结合转子HALBACH磁路的优化设计，实现了电机的高效和轻量化，并成功地将此款电机应用于电动打草机中，对其他行业用高速电机也具有较好的参考价值。

2 电机本体设计

拟开发的电机目标性能为：转速为（6000～10000）r/m，重量＜0.7kg，扭矩＞0.5nm，采用24V3500mah的锂电池供电，正常工作时续航时间超过60min。考虑到外转子电机可最大程度地提升电机转矩，初步确定电机的基本结构为外转子永磁无刷电机，为方便下线、并尽量减小绕组端部长度，宜采用集中绕组，从而进一步确定电机槽数为12，转子极数为10，电机初始磁路结构，如图1所示。采用MAXWELL RMxprt软件对初始电机方案进行性能计算，结果表明：当电机转速达到6000r/m时，电机铁心损耗显著增加，电机效率小于65%，电机发热严重，而且电机重量超过0.8kg。可见，采用常规的设计方案已不能满足要求。

图1 电机初始磁路结构Fig.1 Initial Magnetic Structure

为此，考虑采用高频性能更好的软磁复合材料来设计电机，同时还需要对电机的定转子以及磁路结构进行优化，进一步提高效率、减轻重量。

2.1 定子铁心设计与优化

若按照传统电机设计方法，定子铁心采用硅钢片冲片叠压而成，冲片尺寸，如图2（a）所示。当电机转速达到10000r/m时，电机的磁场频率可通过下式计算：

式中：n—电机转速；p—电机极对数。

由此得到10000r/m时电机磁场频率为833.3Hz。

考虑到铁心材料的损耗特性为[4]：

式中：右边对应的三项依次是磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗。

由式（2）可知，磁滞损耗随频率线性增加、涡流损耗随频率的平方线性增加，因此随着频率的增加涡流损耗在总损耗中的比重会迅速增加。拟开发的电机在833.3Hz的高频之下，定子铁心的损耗会非常大，从而降低电机效率。若采用减少电机极数的方法，虽然可降低磁场频率，但电机的体积会增加。为此，拟采用软磁复合材料（SMC）来设计电机定子铁心。软磁复合材料（Soft magnetic composites，SMC）是通过在铁磁颗粒表面包覆电绝缘薄膜而获得的一类电磁应用材料[5]，具有良好的高频特性和三维各向同性的磁性能，适合应用于高速电机中。

考虑到SMC材料的三维各向同性，在对电机定子铁心进行优化设计时，定子齿面还可设计成圆形或椭圆形，也可对齿边进行倒角设计，这样更方便加工，而且对绕线也有利，可避免定子齿部边缘破坏漆包线的绝缘，并可获得更高的槽满率，进一步提高电机的功率密度。

用SMC材料加工定子铁心倒角后的加工图，如图2（b）所示。SMC材料加工成椭圆形铁心的加工图，如图2（c）所示。可见，与硅钢片叠片相比，采用SMC材料设计电机铁心时，铁心设计可以变得更加灵活和精细。

图2 几种定子铁心结构图Fig.2 Several Iron Core Structure

2.2 转子设计

永磁无刷电动机的永磁转子由永磁体和转子磁轭组成，为了增加电机的功率密度，就需要通过多用永磁体来增强电机内的有效磁场，但多用永磁体后不但电机的成本增加，而且磁场增强后，构成永久磁路的磁轭部分也需要加长，以避免轭部的磁饱和，由此又带来电机重量和体积的增加。为解决增强磁场的同时永磁体用量和磁轭增加这一问题，采用了HALBACH阵列的磁路结构。

HALBACH阵列是一种奇特的永磁体结构，即将不同充磁方式的永磁体按照特定规律排列，可实现永磁体一侧增强磁场，而在另一侧减弱磁场，同时优化气隙磁场，使气隙磁场更接近正弦波[6-8]。HALBACH阵列中每两个相邻磁化矢量可存在90°、60°或者45°的夹角，对应的每极永磁体块数分别为2块、3块和4块。两个相邻磁化矢量夹角为90°时的平面排列的HALBACH阵列图，如图3（a）所示。沿圆周排列的HALBACH阵列，每个磁极均由两块磁体组成，如图3（b）所示。HALBACH阵列的磁场强度可通过理论式（3）可进行计算[9]。

图3 HALBACH阵列Fig.3 HALBACH Array

式中：Bm0—磁场的幅值；Br—永磁体的剩磁强度；β=2π/la，la是一对极的空间距离；nM—一对极包含的永磁体块数；hM—永磁体的厚度。理论上，永磁体块数越多，HALBACH阵列产生的磁密波形正弦性越好，但会带来永磁体的安装和充磁的难度增加。

采用的HALBACH阵列每极由2块永磁体拼装而成，结构简单，永磁体安装定位和充磁容易，转子磁路布置，如图3所示。共采用20片永磁体，磁体厚度为3mm，充磁方向互差90°，每4片构成一对磁极，组成一个5对极的永磁转子。利用式（3），计算得到磁场强度幅值为0.6T。

采用HALBACH阵列后，电机转子可以无需铁轭，磁路结构，如图4（a）所示。此时在磁阵列磁场减弱的一侧仅存在不大的漏磁，可以用很薄的铁片作为转子的铁轭，该铁轭同时起到增强电机转子机械强度和方便磁体安装的作用，增加薄铁轭后的电机磁路结构，如图4（b）所示。采用有限元分析方法，对不同厚度转子铁轭时的电机磁场进行分析计算，得到当轭铁厚度为2mm时，可获得最佳的电磁效果，此时磁场分布，如图5所示。电机有效磁场进一步增强，转子轭部未出现磁饱和，转子外部的空气中已没有漏磁。

图4 HALBACH阵列电机磁路结构Fig.4 Motor Magnetic Structure with HALBACH Array

图5 增加铁轭后的电机磁场分布Fig.5 Magnetic Field Distribution with Rotor Yoke

3 样机加工与测试

对上述电机进行试制，电机SMC铁心采用赫格纳斯公司的生产的SOMALOY 500软磁复合铁粉材料制作，利用其块状原料直接整体加工而成，加工过程中需要对加工的工艺进行严格的控制，如进行切削、车磨加工时，刀头的转速、进刀速度、冷却方式等都需要按照厂商的要求进行，否则会对材料的电磁性能产生影响。此外，块状的SMC材料机械加工性能较普通金属材料差，不当的加工方式将很难保证其加工精度。当批量加工时，铁心的制作宜采用SMC粉末压铸成型的工艺，可避免机加工过程对材料电磁性能的影响。电机测试性能，如表1所示。

为减轻电机总体重量，电机外壳采用铝合金材料。电机采用永磁无刷的控制方式，电机内部安装有三路霍尔传感器，三路霍尔传感器相互之间相差120°电角度，沿定子圆周方向固定，采用无刷直流电机驱动器带动电机工作，测试中的电机，如图6（a）所示。

图6 测试中的电机和电动工具Fig.6 Motor and Electric Mower in Test

表1 电机测试性能Tab.1 Measured Performance of Motor

将上述电机及其控制器应用于电动打草机中，进行现场测试。电动机的外转子直接驱动打草头旋转，进行打草测试，电动打草机实物，如图6（b）所示。测得电动打草机的综合性能，如表2所示。测试结果表明，开发的电动机具有体积小，重量轻，运行效率高等特点，电机适合于高转速场合，而且电机转速越高，优势越明显，应用于电动工具中能获得很好的实际效果。

表2 电动工具实测性能Tab.2 Measured Performance of the Electric Mower

4 结论

设计开发的高速外转子永磁电机，电机定子铁心采用软磁复合（SMC）材料制成，转子采用HALBACH磁阵列结构，在有效地增强电机磁场的同时，减轻电机转子轭部的重量，使得电机的体积小、重量减小，高速运行效率高。电机测试和应用实验很好地证明了以上设计方法的正确性，对高速电动机，特别是电动工具用高速电动机的设计具有较好的借鉴意义。

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