电动工具串励电机工程设计改进实例

张燎原

（ 浙江宝源电器有限公司，金华 321000 ）

电动工具串励电机工程设计改进实例

张燎原

（ 浙江宝源电器有限公司，金华 321000 ）

以100型角向磨光机为例对电机冲片优化设计，提出改进方法并通过试验验证以提高工具的整机功率。总结出3种不同规格冲片应用范围，其原理也可用于其他电动工具冲片的设计与开发。

串励电机 角向磨光机 冲片 整机功率

0 引言

我国是电动工具生产大国，随着电动工具行业提高产品性能和对生产成本控制的不断深化，企业对于单位体积的电机功率期望值也越来越高。近几年，在市场需求驱动下，电动工具致力于努力降低产品生产成本，提高整机功率及整机性能。Φ55 mm冲片55 mm叠高的电机功率已从550～600 W提高到了800～900 W。特别是100型小角磨机，从目前的市场需求看，Φ53 mm冲片的电机也已经被要求能够达到此功率。本文通过工程实例，叙述通过对电机冲片的设计改进，借以提高工具整机功率。

1 概述

采用Φ51 mm冲片，设计机身为58 mm的100型细机身小角磨是国内各电动工具制造企业很想做却很难做好的一款产品。几年前，笔者遇到一款Φ51 mm冲片叠高55 mm的100型小角磨，企业开发已经两年，却未能形成量产，究其原因是碳刷负载耐久仅能维持20 h左右，650 W温升合格，但效率仅为40%，达不到设计开发之初的要求。

2 实例与改进

图1所示为Φ51 mm冲片叠高55 mm的100型小角磨机采用的定子冲片。从图中可见，冲片定子轭宽度为3.5 mm，而定子螺丝最小处仅为2.3 mm。电磁计算得负载650 W时，此处磁通密度为2.4 T，处于严重磁饱和状态。负载时，特别在过载时会引起大量火花，这是碳刷负载耐久达不到时间要求的根源。

图1 原始冲片

图2为改进后的定子冲片。定子轭宽度采用3.6 mm等值设计，定子线窗面积增加了4.5 mm2。按700 W计算定子磁通密度为1.75 T。按此图做的冲片叠高53 mm时，以650 W绕线参数试制电机，0.94倍额定电压下测试温升参数见表1。此外，1.06倍额定电压下测试时，定子温升55.68 K，转子温升71.85 K。

图2 改进后冲片

表1 温升参数

经过对电机冲片的改进，电机性能得到明显提高，效率达到55%，整机负载耐久一付碳刷寿命可达100 h以上。

定转子冲片的工程设计要求对冲片的每个尺寸进行电磁校对，特别对定子轭宽度、转子齿宽、转子轭高、转子线窗和定子线窗面积等，都要按不同功率的电机进行计算并优化改进，这样才能得到相对合理的冲片，既节省电机制造成本，又能提高电机功率。

图3所示冲片对图2的Φ51 mm冲片作了进一步改进，提高电机功率。为增加定子线窗面积和输出功率，调整并增加了极弧系数；为改善换向火花，采用极尖削尖设计，对极尖圆角半径进行调整，使定子轭宽度增加到3.9 mm、定子线窗面积达到41.2 mm2；转子冲片外径为了增加线窗面积作了适当调整，由原先的31.7 mm增加至32 mm，转子线窗面积增加了1 mm2，冲片各重要部位电磁校对后都在合理范围内。图3中的改进达到750 W电机制作要求，为设计100型细手柄小角磨机提供保证。

图3 新设计冲片

图4所示为功率1 100 W的100型角磨而设计的Φ58.5 mm冲片，机身手握最大处可设计为Φ61×66 mm，是100型角磨机型中最大的一款。冲片极弧系数0.718，采用极尖削尖设计以减低火花。定子轭宽度4.6 mm，线窗面积47.9 mm2，转子冲片Φ35 mm，叠高55 mm。按1 100 W参数绕制电机，测试电机温升参数见表2。在0.94倍额定电压下，定子温升为72.39 K，转子温升为71.7 K；在1.06倍额定电压下，定子温升为66 K，转子温升为78 K。

图4 Φ58.5 mm冲片

表2 温升参数

图5 Φ56 mm冲片

图4中Φ58.5 mm冲片应用在1 100 W角磨机上，从温升测试及实际工况测试来看其性能提升还有余量，但机身偏大且手握尺寸过大导致操作不便。图5是Φ56 mm冲片，是在图4的Φ58.5 mm冲片基础上改善手握舒适性而优化的冲片，虽然外径小了2.5 mm，但冲片定子轭宽度仍保持为4.6 mm，转子冲片外径为34.5 mm，定转子线窗面积分别为49.7 mm2和24.13 mm2，符合1 100 W角磨机绕线要求。冲片按叠高Φ55 mm、1 100 W进行电磁校算，定子轭电磁密度1.86 T，电枢齿部电磁密度1.73 T，电枢轭部磁密1.45 T、气隙磁密0.405 T，符合设计要求。可见，Φ56 mm冲片应用于1 100 W角磨机，手握处比Φ58.5 mm的冲片减少2.5 mm，更符合人机工程要求。

3 结语

电机设计是电动工具整体设计中的重要环节。

结合对以上两款角磨设计开发的总结及市场需求，100型小角磨机可设计以下三款机型：

1）Φ51 mm冲片750 W，手握尺寸最大处58 mm；

2）Φ53 mm冲片850～950 W，手握尺寸最大处60.5 mm；

3）Φ56 mm冲片1 050～1 100 W，手握尺寸最大处64 mm。

在产品性能不变的情况下，手握尺寸缩小2～3 mm，可有效降低电机成本。

[1]汪镇国.单相串激电机的原理设计制造[M].上海：上海科技文献出版社，1993.

Electric tools series motor engineering design improvement examples

Zhang Liaoyuan
( Zhejiang Booyuan Electric Co., Ltd., jinhua, 321000, China )

Take 100 type Angle grinder as example to optimize the motor lamination design, and put forward the improvement method and the test to improve overall power. Sum up the three kinds of different laminations application range, and its principle can be also be used for other electric tools lamination design and development.

Series motor Angle grinder Lamination Overall power

TM08

A

1674-2796（2014）05-0007-04

2014-03-11

张燎原（1961—），男，大专，工程师，主要从事齿轮设计及电动工具产品开发工作。