New compact high-torque drive for mobile

outdoor power equipment

A. Neubauer, C. Kischka, G. Liebhard, Dr. T. Gegg

Abstract—Due to the development of a high efficient drive train based on a direct drive brushless DC motor (BLDC) powered by a Lithium-Ion battery, STIHL has the possibility to provide professional mobile outdoor power equipment with high output power and sufficient operating time. The requirements of the different products like chain saws, trimmers, blowers, lawn movers or hedge trimmers are very specific due to the different fields of application. Therefore STIHL decided to develop a motor kit specially designed to meet the requirements of all applications but also to be optimized in terms of production cost. This paper describes the development process of the motor kit, which powers the new STIHL rechargeable battery driven paroducts.

Index Terms—BLDC motor, direct drive, Lithium-Ion battery, power equipment.

I. INTRODUCTION

To meet all the requirements of professional users, handheld outdoor power equipment like chain saws, trimmers or blowers are typically equipped with small combustion engines. The technology break-through in rechargeable battery technology in combination with optimized modern motor control circuits gives the opportunity to use an electric drive in some of these applications, which so far were restricted to the combustion engine. In this field of application main demands are a high power to weight ratio, an independent operation and a high reliability. Combining the Lithium-Ion technology with a BLDC motor increases the efficiency and enables battery powered outdoor equipment with a sufficient operating time and performance. Further advantages of the battery powered outdoor equipment are the reduced acoustic noise compared to petrol driven equipment and the emission-free operation. Specifically in urban areas like parks, hospitals and schools, these properties are key factors.

The development target was a basic motor topology, which can easily be customized for application in different outdoor products. For a cost efficient production it is an advantage to produce the different BLDC motor variants on the same production line. On the other hand it is absolutely necessary to meet the different requirements of the users and various applications like operating point, output power, torque or motor speed. For example, a hedge trimmer requires only a few 100 W output power compared to a chain saw, which needs a continuous power in the range of 1 – 1.3 kW. The chain saw on the other side runs with a motor speed of about 8500 rpm compared to a lawn mower with its 3000 rpm. All these different requirements make it a challenge to develop one basic motor kit for these different power tools. Due to these facts an in-house development was started. The goal was to design a motor kit which meets the different requirements for the different power tools, but also meets production requirements regarding processes and costs.

The presented FEM calculations were done using the simulation tool smartFEM [2]. smartFEM is both an analytical and 2D finite element tool, which expands the well known FEMAG [6] with a powerful graphical user interface and many toolboxes providing different algorithms as example for loss calculations. SmartFEM in addition includes a winding editor, a material explorer and allows to simulate the motor in combination with different motor control parameters.

A. Requirements due to specific applications

In 2009 STIHL [1], known as the world wide most sold chain saw brand, introduced the professional battery driven hedge trimmers HSA65 and HSA85. This was the first tool made by STIHL which is powered by a rechargeable battery. Today STIHL offers a complete product range for applications in gardens, forestry and construction industry. This system is based on a 36 V Lithium-Ion battery and a self-developed electronically commutated BLDC motor. When started the development, the product demands made it clear that a powerful but also high efficient drive system was needed to meet the specific requirements of the different applications. Market research showed that there was no commercial motor available which fulfilled the demands at a reasonable price. So STIHL decided to develop their own BLDC motor to meet the specific product requirements for professional users.

B. Development of a motor kit

Figure 1 presents an overview of the different battery powered products, which were developed by STIHL. The graph shows the required torque over power at the different applications. The chain saw requires the highest power and torque. The lawn mower also requires a high torque but at lower speed, resulting in a lower power demand. The trimmer and blower are very similar to each other and require just half of the power and half of the torque compared to the chain saw. The hedge trimmer just needs a few 100 W and a low torque due to a high ratio of the used gear box.

In terms of developing a motor, the chain saw with the highest power demand of about 1 kW at 8500 rpm determinates the motor dimensions. Given by the power and motor speed requirements, the motor must provide a torque of about 1.1 Nm. The starting torque must be maximized in case the chain saw needs to break forth when being clamped in the wood. The chain saw motor which has the maximum efficiency at an operating power of 1 kW cannot have the same high efficiency at the powe

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

外文翻译2 New compact high-torque drive for mobile outdoor power equipment

一种新型的移动式户外动力设备的紧凑型高扭矩驱动装置

作者A. Neubauer, C. Kischka, G. Liebhard, Dr. T. Gegg

摘要：由于一个基于直接驱动的无刷直流电机（BLDC）的高效传动系统是由锂离子电池供电的，“斯蒂尔rsquo;有可能提供具有高输出功率和足够的操作时间的专业移动户外电力设备。由于应用领域的不同，不同的产品如链锯、修剪器、风箱、草坪机、绿篱修剪机的要求是非常具体的。因此，斯蒂尔决定专门开发一个既满足所有的功能需求，又在生产制造成本方面得到优化的马达。本文介绍了驱动产品的新斯蒂尔可充电电池电机套件的开发过程。

关键词：直流无刷电机，直接驱动，锂离子电池，电力设备

一.引言

为了满足专业用户的需求，手持户外电力设备像链锯、修剪机或风机通常配备有小型内燃机。结合了优化的现代电机控制电路的在可充电电池技术的技术突破，给到目前为止受限于内燃机的一些应用中提供了使用电流驱动的机会。在这一领域中的应用中主要要求是一个高功率的重量比，一个独立的操作系统和高可靠性。锂离子技术与直流无刷电机的结合，不仅使效率提高，而且使电池供电的户外装备有足够的操作时间和良好的性能。与汽油驱动的设备和无排放操作相比，电池供电的室外设备的进一步的优点是噪音小相比，特别是在城市地区，如公园、医院和学校，而这些地方是极为重要的。

开发目标是一个基本的电机拓扑结构，它可以很容易地在不同的户外产品中的应用程序定制。在同一生产线生产不同的直流无刷电机对于降低成本是一个很大的优势。另一方面，为了满足用户的不同要求和各种应用功能，如工作中心、输出功率、扭矩或电机转速，它是绝对必要的。例如，与需要在1–1.3千瓦连续功率范围内的链锯相比，一个绿篱机只需要上百瓦的输出功率。另外，链锯的电机转速约8500转，而割草机运行时为3000转。所有这些不同的要求，使发展一个满足这些不同的电动工具的基本的电机成为一个挑战。由于这些事实，一个内部发展狂潮开始了。目标是设计一个既满足不同的电动工具的不同要求，也符合生产工艺和成本要求的电机组件。

所提出的有限元的计算使用了仿真工具smartfem【2】，smartfem是分析和二维有限元工具，它扩展了具有强大的图形用户界面的著名的FEMAG【6】，并且许多工具箱提供了如对损失的计算等不同的算法。smartfem另外包括绕组编辑器，资源管理器，并且可以模拟在不同的电机控制参数组合下的电机。

1 特定应用的需求

2009年，斯蒂尔【1】被誉为世界最畅销的链锯品牌，它介绍了电池驱动的专业绿篱修剪机hsa65和hsa85。这是由斯蒂尔公司生产的由充电电池供电的第一代工具。现在斯蒂尔公司给花园、林地和建筑工厂提供了一系列多功能的完整产品。这个系统是基于一个36 V锂离子电池和自主研制的电子换向无刷直流电机的。当开始开发时，产品的要求使它清楚必须有一个强大而高效的驱动系统，以满足不同应用场合的具体要求。市场调查显示，在合理的价格条件下，没有一个能满足需求的商业电机。所以斯蒂尔公司决定开发自己的无刷直流电机来满足专业用户的具体的产品要求。

2 马达套件的发展

图1给出了斯蒂尔公司生产的不同电池供电产品的概述，该图显示了在不同的应用下所需的扭矩，其中链锯需要的功率和扭矩最高。割草机也需要高扭矩，但要求较低的速度，从而导致较低的电力需求。修剪机和鼓风机彼此非常相似，与链锯相比只需要一半的功率和扭矩。由于高比例的齿轮箱的使用，绿篱修剪机只需要上百瓦的功率和较低的转矩。

注：Torque 转矩，扭矩；power 动力，能源； Hedge trimmer绿篱机； Trimmer 修剪机； Blower风箱，鼓风机； Lawn mover草坪机；Chain saw链锯；Fig.1. 图1；Torque and power requirements for the SHIHL. application range 斯蒂尔公司在不同产品中扭矩与动力的关系

就电机开发而言，链锯在8500转时最大需求功率约1千瓦，这决定了电机的尺寸。按给定的功率和电机的速度要求，电机必须提供约1.1Nm的转矩，当被夹紧在木材中时，必须最大化起动转矩，使链锯从木头中取出。链条锯电机在1千瓦的工作功率具有最大效率，而其他机器在功率为0.5千瓦，甚至更低的情况下不可能有相同的高效率。因此，很显然，这不是一个电机可以实现的，而是需要一套不同的马达。本课题的任务是开发出一套能够满足生产成本低、而性能和效率高的马达配套组件。此外，所有的不同的电机型号，必须在相同的生产线组装而无需任何成本密集或耗时的修改。这使我们认识到要发明一个具有固定的外径、标准化的法兰、霍尔传感器板和固定数量插槽的电机。电机长度的选择、前面或后面的轴端、绕组的数目、磁性丝的直径和杆数调整了自由度，使电机适应不同的应用场合。有了这些固定的和自由的参数，就可以定义一个电机套件，从而最大限度地减少生产成本，并满足所有的不同功能应用的要求。

总之，有很多不同产品的具体要求，这是典型的专业户外手持电动工具领域的发展趋势。

3 可充电电池组件的开发

电池是驱动系统的瓶颈，存储在电池中的能量随着重量和成本的增加而增加。因此，存储的能量应该被最小化，以达到所需的典型的操作周期时间适当的工具的需要。因此，必须最大限度地综合考虑合理的成本与电机的效率。降低成本和重量的方法之一是采用一套不同的电池包，这是斯蒂尔公司意识到了这点，并在一套锂离子电池组上采用固定值36 V的电池。这样做的优点就是每一个电池可以使用在不同工具上。80瓦时的电池最轻有1.1公斤的重量，而160瓦时高能量电池则有1.7公斤的重量。

4 功率电子的要求

使用正弦或梯形电流波形是控制电子换向电机的两种主要方法。作为一种通用规则，为了实现最低转矩脉动和高效率，所施加的电流形状应符合电机的反电势形状。一种正弦电流波形与正弦反电动势相结合（即永磁同步电动机），理论上不存在任何转矩脉动，在效率、运行质量和电噪声方面具有一定的优势。但在实际应用中，转矩脉动和运行质量不高，比如在移动的户外电力设备的应用中通常具有很高的惯性和噪声。提供一个正弦电流的电子电路的成本显著较高，其原因主要是微控制器成本高，它提供更高的内部频率整流，另一方面有转子位置反馈系统。一个梯形脉冲的换向，也叫六步驱动，只需要一个转子60个电气度的位置信号。这个项目的决定，是使用已成本优化的16位微控制器的六步驱动器。

二．开发电机拓扑

1 极槽组合

选择合适的极槽配合，在运行速度范围内，由于电力电子的反电动势和梯形形状的限制必须考虑。一般情况下，具有较高的极数，可以实现更高的转矩，如所示的公式（1）。

其中T是扭矩，NM是极数，N是匝数，BG是气隙磁通密度，LST是主动转子长度，RRO是转子半径，I是电流【4】。

对于每一个转子半径的最大数量的磁极这样的事实，是由于两个磁铁之间总有一个磁极过渡存在。极点的最大数目也限制于电机控制器允许的最大的电气频率。表1的右边显示了作为一个函数的极点的频率。除此之外，在一个固定的时间窗口中，由于安全法规限制，还需要在一个固定的时间窗口内对大量软件程序进行适当的控制和换向动作。已开展的调查，可以确定最大的电气频率，它确保了安全执行例程和电机控制的可靠完成。最后，对于转速高达10000转的高速应用，极数不高于六已显示是最好的选择，如表1。

Pole 极数；Slot 槽数；electrical frequency at 10000r/min 10000转每分时的电气频率；Table 1. frequencies and winding schemes for different slot and pole combinations 表1.频率和不同极槽绕组方案的组合

可以看出高速应用下六极电机满足要求很好，在低速应用中缺乏扭矩可以通过更大的电流来补偿，但导致工作时间减少。对于低速应用更高的极数与定子的设计同样需要，任务是找到一个极槽组合，允许使用六极高速和极数更多的低速电机的绕组方案。

最后选择一个九槽定子。用相同的六极和12极绕组方案可以实现如表1所示。对梯形反电动势，有九个槽和六极的拓扑结构是优选的。这种拓扑结构可用于大批量生产的应用（尤其是链锯）。选择9个插槽的一个更有利的原因是在电池供电的产品中低电压水平约36伏，由于绕线机和最大导线直径受限制，并联上升连接所有线圈的填充因子的插槽是一个优势。这是可能的，因为所有线圈之间的电角度有一个阶段是0度。

2 内外转子

如图2所示，内外转子的决定取决于所能达到的功率密度，转矩，冷却和绕组过程，这些必须要考虑。与具有一个恒定的最大外直径的内转子相比，外转子的主要优点是有较高的可实现的转矩。转矩Md与长度直径之间的关系如公式（2）所示。

这里d表示空气间隙的直径，l表示活动电机长度【5】。方程（2）显示，可实现的扭矩与空气间隙直径d的平方线性增加，基于上述关系，具有相同的最大电机直径，电机和外转子与电机和内部转子电机相比，有一个显著较大的空气间隙直径，因此提供了更高的转矩。有限单元法计算已经证明了在相同的基本参数下，一个内转子电机达到相同的转矩将比外转子长度长7-10 %，因此功率密度更低。而重量是手持电动工具的主要标准之一。

对于大多数的斯蒂尔公司的产品，没有转子的高加速度的需求。然而在许多应用中，负载变化可能突然发生。在这种情况下，高转子惯性是一个很大的优势，以限制速度的下降。外转子电机的转子惯量远高于同一重量的内转子设计。

外转子的主要缺点在于轴承和冷却方面。由于离心力与直径成比例增长，轴承的负荷与内转子相比较高。定子绕组所发出的热量首先通过轴承的轴散发出电机，因此，一般要实施额外的强制冷却。

总之，通过使用外转子，直接驱动动力系统总可以实现。

（图2.左：内转子电机 ；右：外转子电机）

3 转子与定子几何

在一般的软件工具中，加速和优化电机的设计过程，可以分为分析和基于有限元的磁场计算。分析工具支持一个简单的几何属性的变化，并评估其对磁路的影响。分析工具中的主要问题是，一些像非线性的材料往往导致饱和，这是为人所忽略的。在这样的情况下，基于有限单元法的计算基本上是与现实不符合的结果。然而，通常的设计步骤是耗时的，准备一个有限元计算是要彻底安排节点，这些节点是一个适当的有限元网格的基础。对smartFEM【2】这样一个确定的工具，它结合了解析法和有限元法计算的优点，因此保证了快速和准确的结果。在几何中运用对话框和有限元节点链的自动安排，使很多的拓扑结构很容易地可以修改，这个事实加快了预处理的速度。本文中得到的计算结果都是用smartFEM处理得到的。

由于机器设计的限制，最大转子直径为60毫米。对于一个成本优化的生产，特别是关于冲压工具，它被决定使用相同的转子和定子直径以构为完整的电机套件。额外的要求是需要一个梯形的反电动势和有九个插槽的有固定拓扑结构的定子。在开发过程中的第一步是通过构建几个优化回路建立一个粗略的转子和定子的初步模型。改变一个参数一般会影响其他几个参数，因此一个良好的工程实践是在开发过程早期固定一些参数，以减少可能的参数变化数量。要把重点放在转子上，尽早决定表面安装磁铁并粘到转子上，可能会用到一个简单的圆筒形钢管S235（德国标准ST37）材料作为转子磁轭 。而由此产生的损失计算将在下一点说明。为了降低磁铁的成本和涡流损耗，磁铁被分割成三个相同的块，在每一个轴方向具有矩形的形状。使用磁铁段而不是一个磁铁环会导致一个强制空气流，它能够帮助外转子电机的冷却。下一个计算回路是要找到正确尺寸的护铁和磁铁，由于生产成本的影响是不允许齿槽转矩的降低，唯一的方法是通过选择合适的磁铁尺寸和极角。为了在整个温度范围内提供稳定的抗退磁，磁铁的高度是要充分考虑的。

在转子几何上的第一个优化环路后，重点是定子的设置上，因为几何极性的变化会影响最佳的转子几何形状。在磁极优化时，磁极几何的另一个交易必须作出。低齿槽转矩的最优几何不能由卷绕过程中现有的飞机的一些几何约束实现。现有的飞机使用也是使用三角形连接的原因，虽然一个星形连接通常会由于没有循环电流而导致电机性能要求增加。

总之，在磁路优化时，由于转子和定子的几何形状之间的强烈依赖性，许多有限元计算被证明是最佳组合。在这里，一个简单的可能性，如改变几何与有限元节点链的自动安排会有助于减少开发时间。图3显示了在无负载条件下的最终几何形状的磁通密度图。

图3.外转子磁通密度

4 损耗计算与材料选择

所提出的损失计算是根据链锯电机的应用提出的。著名的斯坦梅茨模型主要适用于正弦磁通密度，在与转子位置相关的每个有限元应用的磁通密度波形的傅里叶变换计算了铁的损失。从理论的角度来看，磁滞损耗具有非线性特性，而不能被分解成谐波分量，从而不损失精度【8】。然而，这种方法提供了有用的预测，如下图所示。对涡流，滞后和永久磁铁损失进行了考虑。图4，图5分别描述了在定子和转子下的总铁损失。

Stator core losses vs. motor speed定子铁心损耗与电机转速关系图；Fig.4. Influence of material on the stator iron losses 图4.材料对定子铁心损耗的影响 ；Rotor ore losses vs. motor speed

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146572]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word