电动工具用用永磁无刷电机转子防尘结构设计

电动工具用用永磁无刷电机转子防尘结构设计

发表时间：2019-06-21T11:54:26.227Z 来源：《科学与技术》2019年第03期作者：王伟国

[导读] 对永磁无刷电机防尘结构设计加大研究力度。

浙江恒泰皇冠园林工具有限公司浙江金华 321000

摘要：永磁无刷电机转子防尘结构主要分为封闭的定子内圈、进风口侧防尘套、冷却风扇防尘罩这三部分，永磁无刷电机转子防尘结构在电动工具中的应用非常广发，电机内部属于高速精密设备，运用其结构设计不但能够很好防止异物进入电机对电机造成损坏，还可以保障其正常的通风冷却功能。本文也会针对永磁无刷电机转子防尘结构的特点对其进行研究，应用其优势，设计更好的思路，具体架构等进行详细的分析，以便进一步推广和应用提供可靠的参考依据。

关键词：永磁无刷电机转子防尘结构；电动工具；设计分析

前言：近年来，随着我国电子技术水平越来越高，电子元件的成本也逐渐降低，这就说明了永磁无刷电机的推广和应用越来越广泛。永磁无刷电机不仅运行效率和功率密度较高，而且还具备较硬的过载能力以及调速性能，这种显著的工作特性及其优势也适合广泛使用。所以在现代绝大部分的电动工具中都使用该种的防尘结构。由于电动工具使用的额环境大部分都在工厂、工地等环境条件非常不好的地方，所以永磁无刷电机在实际应用时，也会经常受到大量粉尘与异物的影响，这样的影响不仅会降低了电机的使用寿命，而且严重的时候，操作者在使用的过程中会出现一定的安全事故和损坏事故。所以，针对这种应用和环境条件灯因素，就要对永磁无刷电机防尘结构设计加大研究力度。

1. 永磁无刷电机转子防尘结构应用特点分析

在我们国家现在使用的交流电动工具中占有绝大部分，交流电动工具的产品中使用驱动型电机，而驱动型电机主要分为串励电机和感应电机两种形式的。其中串励电机的工作原理是电枢绕组和励磁绕组串联在一起工作。串励电机的特点是转速高、起动力矩大、体积小、重量轻、不容易堵转、适用电压范围很广，可以用调压的方法来调速，简单且易于实现。感应电机是指一种定转子之间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能转换的动能。感应电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。

从实际应用的情况来看，这两种形式的电动工具都具有较明显的内部结构设计缺陷，其中，串励电机的缺陷主要表现在设计结构上的不足，因为该电机内部的转子结构部分包括换向器和电磁绕组两部分，由于在生产转子结构的过程中，要求操作人员对换向器安装精度非常高的原因，工作人员无法顺利的对转换器进行点焊，焊接后需要对转子部分进行点漆处理，操作难度大，如果安装稍有不符合安装标准，电机就无法使用，或者对后期的故障率也会增加，稳定性也有所降低；感应电机的简单结构决定了电机的转矩也不高的特点，过载能力也不高，仅仅为额定扭矩的1.8倍，在电机的工作中，难免会产生负载突然增大的情况，这往往就会产生电机烧坏的现象。经常烧坏电机带来的是电动工具的维修成本增加，降低工作效率，缩短电动工具的使用寿命。

相对而言，永磁无刷电机的应用优势就要较上述两种电机高出很多，永磁无刷电动机的结构可以看做是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机，主要由同步电动机本体、电力电子逆变器、转子位置检测器和控制器四部分组成。其工作原理是采用“三相六拍—120°方波型”驱动。从这样的结构和原理中可以看出永磁无刷电机的应用特点是高工作效率、高功率密度、高使用寿命、高过载能力和高变速性能方面。串励电机、感应电机与永磁无刷电机特性比较见表1。其中在使用寿命中可是比串励电机和感应电机的使用寿命高出很多倍，所以永磁无刷电机给正常生产中降低维修的成本，增加了工作效率的特点。就是因为永磁无刷电机有这样的特点，正好可以作为电动工具的使用要求，在设计的过程中可以作为电动工具的核心设计结构，它为电动工具带来了重要的发展。

但是无论是什么样的电机，在实际使用的过程中还是有使用环境比较恶劣的情况，比如在工厂中和工地上，因为有大量的粉尘和铁削等一些会影响电动工具使用的物质进入电机内部，这些物质会严重影响电机的使用性能，降低了电动工具的稳定性，增加了电动工具的故障率，延长了电动工具的使用寿命。

这种情况主要是因为永磁无刷电机中的转子结构中含有永磁体所致。如果是铁末、铁屑等杂质进入到电机内部，就会被转子结构中的永磁体所吸附，若是永磁体上杂质的堆积量过大，则势必会堵住转子之间的气隙，从而使电磁绕组出现一定的损坏，严重的时候，甚至电机超载还会被烧毁的风险。

由于环境的影响，一些杂质进入到电机的内部，如果是一些磁化的铁末、铁屑等物质进入电机内部，就会被永磁无刷电机中的含有的永磁体所吸附。在使用的过程中产生大量的铁末的堆积物，因为永磁无刷电机的永磁体在转子结构中，堆积物堵住了转子结构的通风口，在运行时间长，就会造成转子在高速的运转中产生大量的热量，转子无法散热，就会造成电磁组或其他的零部件损坏，严重时，就会烧毁

电机，造成电动工具无法使用。所以电动工具使用永磁无刷电机，就要想出永磁无刷电机防尘结构的解决办法，为其合理性、科学性的使用和推广进行研发和创新，这样才能实现最终的发展电动工具的行业。

2.创新设计思路分析

为了解决永磁无刷电机在实际应用中因使用环境的影响和自身因素的影响所产生的缺陷和困扰，在电动工具电动机生产制造的过程中，厂家的工程师针对电动工具电机内部的转子结构设计增加了解决的力度。电动工具在正常的工作中，因为转子结构中永磁体的存在会吸附大量的磁化的杂物，包括铁末和铁屑，这些堆积物在转子的结构中给电磁绕组带来很大程度的破坏，而且电磁绕组在自身运行的过程中也会产生一些铜耗和定子产生的铁芯损耗的现象，这些都会加快永磁无刷电机的磨损，增加电动工具的损坏，延长电动工具的使用寿命。

基于这些设计缺陷，相关工程师经过长时间的研究和实验，设计出一套新的解决方案，这个方案的具体是将永磁无刷电机内部的转子结构进行隔离封闭。在具体的实验过程中，首先可以将隔离槽楔与所有电磁绕组卡槽进行结合，然后结合完成后形成一个完全封闭的定子内圈，再将内圈与防尘套、防尘罩进行重新组装，这样才能将永磁无刷电机组装成一个完整、封闭、全新使用的防尘结构。这个方案安装的永磁无刷电机防尘结构就可以完全提升电机的防尘功能，同时可大大提高电机的通风冷却的功能。因为在电机实际的工作中，电机内部的冷却风扇也会同时自动进行运转，从而产生的冷却气流对电机进行冷却。虽然这些冷却的气流会直接冷却电机的电磁绕组和定子铁芯，但是电机是基于新转子防尘结构的隔离保护装置，冷却的气流确无法进入电极内部，这样就会很大程度上阻止各种杂物和粉尘等磁化物进入电机内部，这个方案可以完全阻挡外接环境的影响，这样既可以保证永磁无刷电机的使用寿命，又能避免由于电机内部电子绕组的自身磨损出现的大量的铜耗和定子铁芯损耗现象。

3.整体架构的设计方案

通过以上的实验，我们确定具体的整体架构的设计方案，新的防尘结构设计方案提出以电机壳体底部的防尘套为标准，设计整体防尘设施。这个防尘设施主要由防尘圈和防尘罩两部分所组成，如图一和图二所示。但是这里面我们需要注意的是防尘套要尽量设置在电机的壳体底部轴承室外部；防尘套的直径必须要和定子铁芯内径相一致；防尘套的长度设计时也要能够直接套接定子的绝缘端板的隔离翼片为基准。同样防尘圈的设计更为复杂，防尘圈的内部不仅包括定子铁芯，还要包括绝缘端板和隔离槽楔这两部分。而且要注意的是绝缘端板的位置也要设置在定子铁芯的两端，而且端板上的凸圈也必须与绕组卡槽相连接，以便于电磁绕组的安装和运行。

在设计的过程中需要设计具有台阶结构的位置是定子绝缘板上的隔离翼片必须带有翼片台阶结构；电磁绕组卡槽槽口两侧的位置也要设计成槽口台阶结构，因为这样两个台阶的位置相互配合才能形成较为完整的槽楔插槽。同时，为了保证电机的防尘性能效果，选择隔离槽楔的位置也要格外注意，必须将隔离槽楔的位置安装在槽楔插槽位置的上端，而且隔离槽楔设计的长度要以隔离翼片端部长度相一致，这样才能保证所有的电磁绕组的槽槽齿一一对应，才能保证形成的定子内圈的封闭性非常强。同样的道理，工程师也要科学地、合理地设计防尘罩的安装位置，防尘罩的安装位置要尽量位于冷却风扇上部，对于防尘罩的长度设计和防尘罩的外径设计也要根据相应的规范标准相吻合，保证电机的防尘通风的效果。

另外再安装和设计的过程中，如果是电机内部的定子内圈的外部被壳体所包围，那么定子内圈的绝缘端板上的隔离翼片端部必须与壳体底部的防尘套紧密套接。如果永磁转子被壳体所包围，那么永磁转子的冷却风扇上的防尘罩外径大小必须与定子内圈中的隔离翼片的内径保持相对一致，而且冷却风扇上的防尘罩与定子内圈中的隔离翼片的气隙间距不得超过0.5 mm，重叠度也要保持在5 mm以上，这样才会避免电机在转动的过程中，冷却风扇上的防尘罩与绝缘端板隔离翼片发生摩擦的现象，甚至出现刮蹭。进而很大程度上防止冷却气流进人到转子中。

4.创新设计方案的实践证明

综上所述，电机的永磁转子的防护套包括防尘套、定子内圈及防尘罩三部分，而电机定子内圈又是由转子防尘结构、壳体进风口侧的防尘套、冷却风扇上的防尘罩以及隔离槽楔与所有电磁绕组卡槽所组成。因此这样的设计方案需要将永磁转子完全包裹在这样一个封闭的空间中，这样做的好处就是既可以大大提升永磁转子的防尘功能，又可以能在一定程度上进一步增强定子铁芯和电磁绕组的通风冷却效果。这样即便处在具有大量粉尘和杂质的恶劣环境中，或者使用电动工具切割大量的铁制品的环境中，新设计的永磁无刷电机转子防护套也会很好的阻止冷却气流进入到转子内部，使电机转子内部会大大降低粉尘、铁末、铁屑的吸附率，从而使电机能够始终保持在安全、稳定的运行状态中，减少了电动工具的故障率，增加了电动工具的稳定性，延长了电动工具的使用寿命。

在现在的电动工具使用中，设计具有新防尘结构的永磁无刷电机已在角向磨光机中所采用。跟据相关实践证明，这种永磁无刷电机的新型防尘结构，不仅有简单而合理的设计思路，而且电机转子密闭性非常好和电机使用寿命是出乎意料，针对这个设计方案进行实验，实验结果该电机的防尘效果可让电动工具的工作时间超过原有的使用周期1000h以上。证明这个实验设计的新型的防尘结构效果显著安全可靠。此外，这种新型的永磁无刷电机防尘结构还具有简单的安装顺序以及较强的运行可靠性，所以可以作为我国电动产品发展的方向标杆。

结语：目前，随着我国电动产品大量使用永磁无刷电机，电动产品行业的的不断发展和应用，对电动工具行业的整体结构设计以及应用性能也提出了较高的要求，为了达到我们最终的目的，在电机生产制造的过程中，相关工程师就要在现有的结构设计基础之上，增加新的设计思路，并结合永磁无刷电机的应用优势，优化设计方案，使永磁无刷电机防尘效果以及使用寿命得到进一步的增强，这样才能满足市场需求，推动我国电动产品行业的不断创新和进步。参考文献：