電池供電的工業(yè)電動工具一般在低電壓（12-60 V）下運行，有刷直流電機通常是一個很好的經(jīng)濟選擇，但電刷因電氣（與扭矩相關(guān)的電流）和機械（與速度相關(guān)的摩擦）因素會產(chǎn)生磨損，從而在使用壽命內(nèi)的循環(huán)次數(shù)受到限制，電機的使用壽命將成為一個問題。有刷直流電機的優(yōu)點：線圈/外殼的熱阻小，速度最大超過 100krpm，完全可定制電機， 高壓絕緣可以高達2500V， 扭矩大。

工業(yè)電動工具（IPT）與其他電機驅(qū)動應用有大不相同的操作特性，一個典型的應用要求電機在整個運動過程中都輸出扭矩，緊固、夾緊和切割應用都有特定的運動曲線，并可分為兩個階段，如下圖所示：

高速階段：首先，當螺栓擰入或切割夾爪或夾緊工具接近工件時阻力很小，在此階段，電機以較快的自由速度運行，可以節(jié)省時間和提高生產(chǎn)率。大扭矩階段：當工具執(zhí)行更需要力度的緊固、切割或夾緊階段時，扭矩的大小則變得至關(guān)重要。

具有高峰值扭矩的電機可以執(zhí)行更大范圍的繁重作業(yè)而不會出現(xiàn)過熱狀況，苛刻的工業(yè)應用中必須不間斷地重復這種周期性變化的速度和扭轉(zhuǎn)。這些應用要求不同的速度、扭矩和時間，需要可以最大限度地減少損失而達到最佳解決方案的特殊設(shè)計電機，設(shè)備在低電壓下工作并且可用的功率有限，這對電池供電的設(shè)備而言更加關(guān)鍵。

直流繞組的結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)電機（也稱為內(nèi)轉(zhuǎn)子）結(jié)構(gòu)中，永磁體是轉(zhuǎn)子的一部分，有三個定子繞組環(huán)繞轉(zhuǎn)子，在外轉(zhuǎn)子（或外部轉(zhuǎn)子）結(jié)構(gòu)中，線圈和磁體之間的徑向關(guān)系相反，定子線圈形成電機的中心（機芯），而永磁體在圍繞機芯的懸式轉(zhuǎn)子內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

由于慣性較小、重量較輕和損耗較低，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)更適合手持式工業(yè)電動工具，由于長度更長，直徑更小，輪廓形狀更符合人體工程學，更容易集成到手持設(shè)備中，此外，較低的轉(zhuǎn)子慣性可獲得更好的擰緊和夾緊控制。

線圈纏繞在定子周圍的槽內(nèi)，由于疊片（定子）和磁體之間的氣隙很小，疊片中的磁感應很高。因此，我們可以使用較小的磁體直徑，銅的體積受到槽口的限制， 難以在槽口內(nèi)纏繞，將線圈裝在定子槽內(nèi)可以減小線圈/定子組件的熱阻。沒有電流時， 轉(zhuǎn)子在疊片前面具有優(yōu)選的磁位，從而可產(chǎn)生齒動或棘動扭矩，降低棘動扭矩的一種方法是使疊片傾斜，由于線圈插入疊片中，所以有槽電機非常堅固。

有槽設(shè)計（200 攝氏度）可以比無槽設(shè)計（150 攝氏度）耐受更高的溫度，從而可以產(chǎn)生更大的扭矩。然而在大多數(shù)情況下，電動手持工具的限制因素是工具長時間工作所達到的最高溫度（約最大 47 攝氏度），這是操作員較為舒適的水平，事實上，長時間發(fā)熱可讓握住工具的操作員不舒服，安全規(guī)定也要求最高溫度保持較低。

電機的電氣性能由磁路確定

第一個組件（即磁體）可以有定值，但第二個組件（即銅繞組）可以很容易修改，通過改變線徑和匝數(shù)，可以對扭矩常數(shù)“kt”和電阻“R”進行微調(diào)。

高速階段：電機需要高速運行，阻力小，ω = (U – R * I ) / ktω（速度，單位為 rad.s-1）U（電壓，單位為伏特）R（電阻，單位為歐姆）I（電流，單位為安培）kt （扭矩常數(shù)，單位為 Nm/A），由于扭矩常數(shù)在計算分母中，因此 kt 越低，轉(zhuǎn)速越高，這允許同一時間段內(nèi)進行更多操作，提高生產(chǎn)力。

大扭矩階段：在第二階段，電機主要以低速提供峰值扭矩，根據(jù)物理定律，扭矩是扭矩常數(shù)和電流的乘積：C = kt * IC（扭矩，單位為 Nm）I（電流，單位為安培）kt（扭矩常數(shù)，單位為 Nm/A）kt 值越高，給定電流下的輸出扭矩越高。通過調(diào)整電機繞組的 kt 值，設(shè)計人員可以優(yōu)化轉(zhuǎn)速或輸出扭矩，以便在扭矩和轉(zhuǎn)速之間找到良好的平衡，從而縮短整個工作周期時間。沒有獨特的解決方案，必須選擇折中的 kt 來平衡電機在不同工作階段的性能。基于仿真和經(jīng)驗，電機設(shè)計可以在線圈設(shè)計過程中找到優(yōu)化方案。

銅損和扭矩，我們可能會考慮選擇一個較低的 kt 值來提高速度，并用較大的電流（I）來補償較低的 kt值，從而達到較高的輸出扭矩，但是，較高的電流會增加銅損，銅損 = R * I ^ 2電流越高，電機和手持工具發(fā)熱越快，從而限制可用的最大扭矩，電機設(shè)計應盡量降低電流來限制發(fā)熱（手持式設(shè)備的溫度影響生產(chǎn)力）并延長電池壽命。

鐵損和速度，鐵損影響到速度，渦流損耗隨速度的平方增加，即使在無負載的條件下旋轉(zhuǎn)也能讓電機發(fā)熱，高速電機需要特殊的預防設(shè)計來限制渦流發(fā)熱。

結(jié)論

為了提供最佳解決方案，可最大限度地增加垂直磁力，更短的轉(zhuǎn)子長度，從而可降低轉(zhuǎn)子慣性和鐵損，在緊湊的封裝中優(yōu)化速度和扭矩，提高速度，鐵損增加的速度比銅損更快，因此，繞組的設(shè)計應針對每個工作周期進行微調(diào)，以優(yōu)化損耗。

審核編輯：郭婷