电动工具性能曲线的分析

2014-04-10吕凤吹罗选强王

电动工具 2014年2期

关键词：电动工具输出功率转矩

吕凤吹罗选强王典

（1. 浙江恒泰皇冠园林工具有限公司浙江金华 321000 2. 上海电动工具研究所上海 200031 ）

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电动工具性能曲线的分析

吕凤吹1罗选强2王典2

（1. 浙江恒泰皇冠园林工具有限公司浙江金华 321000 2. 上海电动工具研究所上海 200031 ）

以使用单相串激电机的电动工具负载特性曲线图为例，研究在额定电压下，以输出转矩为自变量，转速、效率、功率因数、输出功率、输入电流、输入功率等六个参数的变化规律。

特性曲线额定输入功率点最大效率点最大输出功率点

0 引言

在评估一台电动工具的品质时，除参阅温升检测报告和寿命试验数据外，还应对电动工具的性能曲线进行全面分析。根据分析的结果，作出改进、完善和优化，特别是改进电机设计，从而进一步提高产品性能。

电动工具工作时，其负载并不固定在额定点上，而是需要经过起动——负载——过载——堵转——停机的周期和重复。电动工具性能曲线完整地描述了在额定电压下，以输出转矩为自变量，转速、效率、功率因数、输出功率、输入电流、输入功率等六个参数的变化规律。

常用的电动工具可采用串激电机、永磁电机或无刷电机。电动工具的性能曲线很大程度上反应了电机性能，无论采用何种电机，都应有相应的电动工具性能曲线检测报告。本文主要以使用单相串激电机的电动工具为例作分析。

1 概述

电动工具电机负载特性曲线如图1所示。图中描述了额定电压230 V，额定输入功率2 600 W、Ф230 mm角磨机的性能曲线。

检测时，应使测功机空载起动1 min，待转速和电流稳定后，选择合适的步距，测试的范围应尽可能大。

1.1机械特性曲线

机械特性曲线n = f (M)

图1 电动工具电机负载特性曲线

单相串激电机的转速—转矩机械特性本质上是软特性，电机转速随着负载的增加而明显下降，电源频率的变化对转速的影响不大。这种软特性对某些电动工具恰好起到转速的自动调节作用，如：电钻在钻大孔时施加轴向力大，转速低；钻小孔时施加轴向力小，转速高。对于砂磨类、切割类和园林类工具，为了降低空载噪音，改善火花，减小空载损耗，应降低空载转速。为了提高作业效率，要求升高负载转速，即提高机械特性系数。机械特性系数为

式中 n0—空载转速

nH—额定输入功率时的负载转速

机械特性系数i一般为0.55～0.75。对于功率较小的电动工具，或如电木铣，电磨，直磨等由电机直接拖动工作头工作的工具，机械特性曲线较软；对于功率较大的电动工具，或如传动比较大的产品，机械特性曲线较硬。对于泵类产品（例如：清洗机、空压机）应注意电机机械特性和负载机械特性交点的稳定性，不造成失速现象。

提高特性系数的方法如下：

1）增加电机的定转子安匝比，根据公式

式中 Ce—电机常数

U—输入电压

N—转子总导线数

定转子安匝比增加，增加了定子的激磁和电机的空载磁通量，降低了空载转速。

定转子安匝比为

式中 W1—定子每极匝数

Z—转子总槽数

W2—转子每个线圈元件匝数

根据不同的电动工具产品，定转子安匝比一般为1.1～1.5。定转子安匝比增大，机械特性系数提高，同时改善了换向火花，但电机的效率会下降。

2）把电机技术和电子技术有效结合，通过电压反馈（电流反馈、速度反馈）可以人为地根据产品需要调整负载转速和空载转速。甚至于可以实现i=1的恒转速产品。通常取0.7倍的额定电压空载运行，随着负载的增加，在接近额定功率时全电压运行。

3）在设计和制造的过程中，可采用多种方法增加机械特性系数。在空载转速较高时，采用叶片较多的风叶，设计良好的风路，增加冷却风的风压和风量。在电动工具的机械传动结构中，设计速比较大的产品。电机制造采用优质的矽钢片，增加矽钢片的最大磁通。采用铁芯和功率较大的电机。

4）采用高压永磁无刷电机，机械特性系数可以达到0.8以上。

1.2效率曲线

效率曲线η=F(M)

式中 P2—输出功率

P1—输入功率

ΣP—总损耗

按损耗的大小顺序，主要包括：铜耗、风磨耗、轴承和机械传动损耗、铁耗、换向损耗和内接电路损耗等。

在起动后轻载的情况下，输出转矩小，转速高，主要是风磨耗、轴承和机械传动损耗，效率较低。随着转矩的增加，转速下降，风磨耗、轴承和机械传动损耗下降，效率快速上升，在接近额定点时效率增加放缓，直至最大值，然后缓慢下降。如转矩和电流继续增加，则因铜耗和铁耗的快速增加，在达到最大输出功率后，大部分增加的输入功率都转换成损耗，使效率急剧下降。堵转时效率为零。

1）额定输入功率时的效率一般为45%～70%，最大效率ηmax一般为55%～75%，额定输出功率的效率点应在最大效率点的左边区域。在电动工具超过额定功率工作时，效率不会下降，过载能力强。有些专业类的电动工具其额定功率的效率离最大效率点较远，经济类的电动工具其额定功率的效率点离最大效率点较近，过载能力不强，过载后很容易越过最大效率点，运行在效率快速下降的区域，导致电机温升急剧上升。

2）最大输出功率时的效率点应在效率曲线最大效率点的右边，如果相差太远说明电机没有被优化利用，浪费了原材料。

3）电动工具最常用的工作范围是0.8～1.2倍额定输入功率的区域，而效率的范围为ηmax～（ηmax-10%）。因此，效率曲线在达到最大值后，曲线应缓慢下降。在效率曲线上，人们关注的是标称输入功率时的效率值、最大效率值、最大输出功率时的效率值。

4）永磁电机的效率较高，最大效率ηmax可达80%，无刷永磁电机系统最大效率ηmax可达90%，主要原因是因为这两种电机的用铜量少，电机的主要损耗—铜耗下降。

提高电动工具的效率和相应的输出功率，对提高作业的速度和降低能耗具有重要意义。必须改变目前一些产品片面追求增加输入功率，而不考虑效率的现象。

如效率值的检测结果不理想，可采用以下措施：

1）对电机的冲片进行优化设计，控制电机的用铜量。采用有限元素法对电机的磁路进行模拟和精确的计算。

2）合理选择风扇的形式、外径、叶片数、宽度和曲率，提高有效的冷却风量，减少无效的冷却风量，降低风阻。

3）对于多级变速或有往复机构的电动工具，减少齿轮、轴承和传动机构的损耗，提高机构的装配精度。

4）完善电刷和换向器的配对试验，提高换向器的精车质量，减少换向损耗。

5）采用高压高速永磁稀土无刷电机。

1.3功率因数曲线

功率因数为

式中 U—输入端电压

I—输入电流

Ur—输入端电压的有功分量

Ux—输入端电压的无功分量

随着电流和输出转矩的增加，电机的磁通密度与电抗和漏抗增加，输入端电压的无功分量增加，功率因数略微下降。

1.3.1 无功分量的大小和电机的电感有关

电机的铁芯尺寸越大，电感量也越大，输入端电压的无功分量也大。Φ80、Φ90及以上规格的冲片功率因数为0.90～0.94；Φ72的冲片功率为0.94～0.95；Φ65、Φ58.5及以下规格的冲片功率因数为0.95～0.96。

1.3.2 无功分量的大小和电机的漏抗有关

如果功率因数异常低，应考虑电机的漏磁和电气气隙是否太大。

1）转子绕线机没有调整好，使得转子绕组端部过高，造成转子漏抗大。如采用分槽绕法，可以有效降低绕组端部的高度。

2）定子绕线机未调整好，使得定子绕组端部过长。有的定子采用了浅槽，定子槽满率过高，部分绕组位于极身外，定子绕组没有下到槽底，造成定子漏抗大。

3）定转子磁路设计过饱和使得电机的漏磁和漏抗大。定转子绕组的端部和电机的漏磁都不产生有效功率，因此，在电机的设计和制造时应尽量减小，可降低用铜量，并对提高电机的功率因数和效率，提高供电电网的利用率具有重要的意义。

1.4输出功率曲线

输出功率曲线P2=F(M)

输出功率为

式中 n—输出转矩

M—转速

随着转矩的增大，输出功率也增加，由于转速以接近双曲线的速率下降，因此，输出转矩的增速大于输出功率的增加，输出功率曲线是一条向上弯曲的曲线。对于用单相串激电机的电动工具，受测功机转矩的限制，往往测不到完整的曲线，但是，曲线一定要过最大输出功率点。最大输出功率代表了电动工具做功的最大能力。

人们关注的是标称输入功率时的输出功率和转矩，最大效率时的输出功率和转矩，最大输出功率值和转矩，做温升检测和寿命试验时往往以这些数据为基准的。我们在做实用性作业时超出最大输出功率点是无意义的。

1.5输入电流曲线

输入电流曲线I=F(M)

输入电流为

式中 CM—电机转矩常数

Φ—主磁通量

电流较小时，磁通没有饱和，电流和磁通成正比，也就是说电流曲线的开始部分应是抛物线。随着电流增加，磁通趋于饱和，Φ为常数，输入电流和转矩成正比，电流曲线为一直线。由于轻载时风磨耗和电机的机械损耗较大，产生了附加转矩。因此，如果电机设计时磁路较饱和，往往测不到抛物线部分。

1.6输入功率曲线

输入功率曲线P1=F(M)

输入功率为

电动工具性能曲线测定的精度受测试手段和随机因素的影响，往往不是一组平滑的曲线，应通过测功机内部的程序模拟成平滑曲线，可以起到消除误差和相互补偿的作用。

Analysis of the Electric Tool Performance Curve

Lv Fengchui1Luo Xuanqiang2Wang Dian2
(Zhejiang Hengtai Crown Garden Tools Co., Ltd., Jinhua 321000, China Shanghai Electric Tool Research Institute, Shanghai 200031, China)

By single-phrase series motor electric tool load characteristic curve drawing, at the rated voltage, by the output torque variation as the independent variable, research the change regulation of the six parameters including speed, efficiency, power factor, output power, input current.

Characteristic curve Rated input power point Maximum efficiency point Maximum output power point