電池供電的工業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濟選擇，但電刷因電氣（與扭矩相關的電流）和機械（與速度相關的摩擦）因素會產生磨損，從而在使用壽命內的循環次數受到限制，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。

工業電動工具（IPT）與其他電機驅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，可以節省時間和提高生產率。大扭矩階段：當工具執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重要。

具有高峰值扭矩的電機可以執行更大范圍的繁重作業而不會出現過熱狀況，苛刻的工業應用中必須不間斷地重復這種周期性變化的速度和扭轉。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計電機，設備在低電壓下工作并且可用的功率有限，這對電池供電的設備而言更加關鍵。

直流繞組的結構

在傳統電機（也稱為內轉子）結構中，永磁體是轉子的一部分，有三個定子繞組環繞轉子，在外轉子（或外部轉子）結構中，線圈和磁體之間的徑向關系相反，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子內旋轉。

由于慣性較小、重量較輕和損耗較低，內轉子電機結構更適合手持式工業電動工具，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備中，此外，較低的轉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，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， 難以在槽口內纏繞，將線圈裝在定子槽內可以減小線圈/定子組件的熱阻。沒有電流時， 轉子在疊片前面具有優選的磁位，從而可產生齒動或棘動扭矩，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。

有槽設計（200 攝氏度）可以比無槽設計（150 攝氏度）耐受更高的溫度，從而可以產生更大的扭矩。然而在大多數情況下，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，長時間發熱可讓握住工具的操作員不舒服，安全規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，可以對扭矩常數“kt”和電阻“R”進行微調。

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，單位為 Nm/A），由于扭矩常數在計算分母中，因此 kt 越低，轉速越高，這允許同一時間段內進行更多操作，提高生產力。

大扭矩階段：在第二階段，電機主要以低速提供峰值扭矩，根據物理定律，扭矩是扭矩常數和電流的乘積：C = kt * IC（扭矩，單位為 Nm）I（電流，單位為安培）kt（扭矩常數，單位為 Nm/A）kt 值越高，給定電流下的輸出扭矩越高。通過調整電機繞組的 kt 值，設計人員可以優化轉速或輸出扭矩，以便在扭矩和轉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。基于仿真和經驗，電機設計可以在線圈設計過程中找到優化方案。

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，電機和手持工具發熱越快，從而限制可用的最大扭矩，電機設計應盡量降低電流來限制發熱（手持式設備的溫度影響生產力）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也能讓電機發熱，高速電機需要特殊的預防設計來限制渦流發熱。

結論

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

審核編輯：郭婷