充电式系列电锤用永磁无刷电机研制

罗选强，王典，杨闯，王杰吕煜荣，李艳春

（ 1.上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海电动工具工程技术研究中心 上海 200233；2.深圳市高科润电子有限公司，广东 深圳 518055 ）

充电式系列电锤用永磁无刷电机研制

罗选强1，王典1，杨闯1，王杰1吕煜荣2，李艳春2

（ 1.上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海电动工具工程技术研究中心 上海 200233；2.深圳市高科润电子有限公司，广东 深圳 518055 ）

以充电式系列电锤用永磁无刷电机研制过程为例，介绍其技术参数和性能指标，电机结构、磁场分析以及控制基本原理。经电机系统试验和整机试验结果显示，产品的电机系统效率以及机械特性系数等实测数值均超过80%。

无刷电机；直流；电锤；磁场；磁路；控制

0 引言

近年来，随着电子技术、计算机技术、稀土永磁材料、传感器技术、电机控制理论的发展，以及锂电在电动工具领域中的广泛应用，推动了无刷技术在电动工具中的发展。本文以上动所和深圳高科润联合研发的36 V充电式电锤用永磁无刷电机为例，介绍其技术参数和性能指标，电机的结构和磁场分析，控制基本原理以及电机系统试验和整机试验的结果。

1 概述

无刷电机是集新型永磁材料、电力电子器件、集成电路芯片、计算机（MCU、DSP）及电机技术于一体的产品。随着相关领域的技术发展，永磁电机的成本和可靠性更趋合理，在电动工具和园林工具产品上的应用也日趋成熟，在结构设计、控制驱动方案以及制造工艺等方面有较大进步。

2 电机参数

2.1 技术要求

36 V充电式电锤用无刷电机技术要求如下，其电气原理见图1。

1）额定电压：36 V；充电保护电压：

42 V；放电保护电压：28 V；

2）最大输入功率（电压36 V）：900 W；

3）最大输入电流：25 A；

4）电锤实用性操作时，工作区域输入功率：500 W～800 W；

5）电机闭环转速：15 500 r/min（开环转速：20 000 r/min )；

6）电机系统最大效率大于82%；

7）电机具有调速功能、闭环反馈功能、刹车功能、正反转功能、LED灯照明和报警功能。

图1 电气原理

2.2 磁场及磁路CAE分析

空载磁通密度及磁路见图2。通过空载静态磁场分析可知，电机各部分磁通密度分布合理。

定子轭部： 1.07 T，定子齿部： 1.62 T，转子轭部： 1.45 T。

图2 空载磁通密度及磁路

负载磁通密度及磁路见图3。通过负载磁场分析可知，电机各部分磁通密度分布合理。

定子轭部： 1.30 T，定子齿部： 1.85 T，转子轭部： 1.65 T。

图3 负载磁通密度及磁路

在负载20 A的情况下，转子稀土磁钢的两个端部附近磁场过饱和且局部发生畸变。这是同类电机进行磁路设计时需重点关注的地方，应在两端增加磁阻，削弱磁通。

2.3 本体爆炸图和三维结构

电机采用整体式结构，可防止灰尘和金属粉末进入定转子的间隙；定子六槽，转子四极；三相绕组按三角形接法；定子叠长30 mm，转子叠长30 mm；稀土磁钢的传感部分采用塑料支架；为了增加轴的强度和刚度，齿轮和轴是一体的；电机的驱动器要求防震防尘，并按规定的装配尺寸封装制作。电机采用霍尔传感，采用轴向的冷却风路，具体结构见图4与图5。

图4 电机本体爆炸图

图5 电机三维显示

3 控制原理

直流永磁无刷系统是由直流永磁无刷电动机本体、位置检测器、控制器组成的自控式变频同步电动机系统。通过位置检测器检测转子磁极的位置信号，由控制器对转子位置信号进行分析，通过逻辑处理产生相应的场效应管驱动开关信号，开关信号以一定顺序打开或关闭逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩，最终实现电动机平稳运转。

控制对象采用理想化的，用状态方程表示的数学模型，电流为理想的方波，反电势为理想的梯形波，并作如下假设：不计磁路饱和；电机涡流损耗和磁滞损耗；忽略定子电流的电枢反应。

在PWM占波调制过程中的电压等效方程式：

其中，uA， uB， uC为电机三相相电压，R为电机相电阻，L与M为相绕组的自感和互感，iA， iB， iC为相电流，eA， eB， eC为相反电动势，p为微分因子；

在任何时刻，若定子上只有两相同时导通，且导通相的定子电流幅值保持不变：

其中Tem为电机转矩，Pn为极对数，KM称为电机转矩系数，N为绕组匝数，Bg为气隙磁密，l为电感，r为电阻。

从上述公式计算得知，电机转矩系数KM随电机本体的参数确定后是固定不变的，当两相同时导通，PWM调制开度恒定，导通相的定子电流幅值保持不变，电机产生的转矩保持不变，转矩大小可根据PWM调制开度的变化而变化。因此，只需对逆变器中的功率器件进行两两导通控制，并调控PWM调制开度，即可控制电机转矩的大小和方向。

三角形接法与星型接法，都存在两两导通和三三导通的控制方式。

针对两两导通方式，三角形接法与星型接法换相时刻相差30°电角度，因此可在霍尔期间的定位上相对星型接法放置霍尔期间位置偏移30°电角度，即可实现三角形接法电机的两两导通控制方法。

逆变器的电路模型见图6。

图6 逆变器的电路模型

图中，Ud为直流电源（V），Cd为滤波电容（F），T1～T6为6个功率开关管，D1～D6为6个续流二极管。

采用120°的两两导通方式，对T1～T6分别在各自120°导通时间内根据不同的调制方式进行PWM调制，调制开度的大小根据电机应用需求实时调整。

控制效果见图7。

4 产品应用

以DC36 V电锤项目为例，电锤电机本体采用永磁无刷电机，与电机控制器一起组成实用性强，可靠性高的直流无刷驱动系统。系统架构见图8。

HALL状态 101 100 110 010 011 001导通功率管 T1，T6 T1，T2 T3，T2 T3，T4 T5，T4 T5，T6

图7 控制效果

图8 系统架构

该系统控制控制板参数：输入电压：DC36 V，功率：900 W，电机空载转速：20 000 r/min。

整体方案采用成熟的BLDC驱动方案，锂电池供电，可在DC26 V～DC42 V范围内稳定工作，可靠性高。采用了硬件电路休眠控制，完善的软件动态相位补偿控制算法为系统的高效率提供大扭矩，使其节能省电、响应更快、更安全，且噪音值低。

该系统使用BLDC驱动技术，具备霍尔位置传感器实时监测转子位置信号，采用120°方波控制算法进行PWM调制；具有可编程性，能根据产品需求增加相应功能，如LED灯人性化照明、电子刹车、故障保护等；稳定性强、

可靠性高，控制器效率高达98%以上，系统效率可高达82%以上，充分体现出直流永磁无刷系统相对传统永磁有刷系统的优势之处。

根据产品性能需要，该系统附加了辅助的功能算法，如速度闭环算法，电流闭环算法，电子刹车策略，同步续流策略等。

速度闭环算法，其作用在于让电机在任何负载下的输出保持转速恒定；电流闭环算法，作用在于能根据需要让电机保持恒定的电机转矩；电子刹车策略，可使电机在20 000 r/min下短时间内快速刹车到0转速；同步续流策略，减小控制器发热，降低控制器温升；先进的制动能量回充控制，有效中和锂电池的局部过放电，延长电池使用寿命；线锁功能，在首次启动阶段，当开关进入调速阶段状态(有调速信号)，此时接入电池，整个系统不运行，直至松开开关后才可再次启动电机。

系统控制板通过电源管理芯片，实时监控系统运行情况，工具关断10 s后，系统进入睡眠模式，电流衰减，最终小于10 μA。

过热、过放保护功能，触发电池保护，整机停止工作；刹车功能，关断电源后电机即刻刹车，刹车时间小于100 ms；LED指示功能，当开关接通以后电机工作指示灯点亮，断电工作灯10 s后关断，灯光亮度可调，可照亮整个工作区。

无极调速，PWM调速范围0～100%。系统具备电子刹车功能，当松开开关后系统启动刹车功能，刹车时间小于1 s；

具有3倍以上的短时转矩过载能力；功率板采用全桥驱动，功率板管采用了IR的低功耗MOSFET，通过散热板和电机风叶散热。正反转按键寿命可达50万次以上。带有电机和功率管的温度检测功能，实时监控系统温度，反馈单片机调整PWM以调整负载，从而达到最佳的效率控制点。

软件和硬件结合保护，设置欠压保护、过压保护、过载保护、过温保护、过流保护，短路保护，霍尔失效保护，电机缺相短路保护，FET失效保护等使系统更安全。

5 控制效果

通过示波器对电压电流的波形监测（波形见图9、图10）可见，大负载或是空载状态下，电机相电压几乎都呈现三相对称的梯形波，其波顶宽为120°；电流为三相对称的方波，在大负载状态下存在转矩脉动；梯形波电压与方波电流在相位上接近同步，电机输出转矩最大，效率最优。

图9 轻载运行的电压波形和电流波形

图10 重载运行的电压波形和电流波形

6 测试报告

36 V电锤用无刷电机的特性曲线，特征点和详细的测试参数见图11。

图11 测试数据

根据测试参数，分析如下：

1）在输入功率400 W～850 W区域内，电机的系统效率都大于80%，说明了在电锤工作的范围内，都能达到较高效率；

2）转速从空载至输入功率达800 W时，机械特性系数大于82%，转速无明显下降现象，确保电锤的高效钻削性能；

3）电机的保护电流为25 A，输入功率为895 W，输出功率为710 W，完全能满足26电锤的需要（其输出功率超过相同规格的交流电锤）；

4）电机具有较高的单位重量功率比；

5）电机带载启动顺利，运行平稳。

7 结语

36 V电锤搭配使用Φ26建工钻，采用300#标准水泥，电锤钻削率大于32 cm3/min（18 V和21.6 V电锤使用Φ18建工钻，采用300#标准水泥，电锤的钻削率大于35 cm3/ min）；电锤可使用Φ13 mm麻花钻对钢板进行钻削，使用Φ30 mm木工钻对硬木进行钻削，钻孔数均达到和超过了国内外同类产品的水平，并具有优良的锤铲功能。

上海电动工具研究所（集团）有限公司与深圳市高科润电子有限公司联合研制的18 V、21.6 V和36 V系列电锤用永磁无刷电机已经通过测功试验和实用性试验，正投入小批量试产。电机本体将进一步派生18 V角向磨光机、电圆锯、往复锯和曲线锯，派生36 V、1 200 W电链锯和500 N·m电扳手等多种产品用永磁无刷电机。

[1]张琛.直流无刷电机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]王芳，厉虹.无刷直流电动机控制技术研究[J].北京机械工业学院学报，2007.(01).

Research of DC Brushless Motor of Cordless Electric Hammer

Luo Xuanqiang1, Wang Dian1, Yang Chuang1, Wang Jie1, Lv Yurong2, Li Yanchun2

SETRI (Group) Co., Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center, Shanghai, 200233, China Shenzhen Gold Corolla Electronics Co., Ltd. Guangdong, 518055

Set 36 V DC brushless motor of cordless electric hammer as an example, this paper introduces the technical parameters and performance indicators while analysing the motor structure, magnetic field and the basic principle of the control. Both motor system and sample test results show that the efficiency of the motor system and mechanical characteristics coefficient are more than 80%.

Brushless motor; DC; Electric hammer; Magnetic field; Magnetic circuit; Control

TM302

A

1674-2796（2016）05-0001-06

2016-07-20

罗选强（1945—），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事电机和电动工具的设计和制造。